01
Што такое кантроль імпедансу і як выконваць кантроль імпедансу на друкаваных платах
2020-04-08
У праектаванні сучасных электронных прылад друкаваныя платы адыгрываюць вырашальную ролю. Прадукцыйнасць друкаваных плат непасрэдна ўплывае на стабільнасць, надзейнасць і эфектыўнасць перадачы ўсёй электроннай сістэмы. Сярод іх важнай часткай праектавання друкаваных плат з'яўляецца кантроль імпедансу. Паколькі сучасныя лічбавыя схемы маюць карацейшы час перадачы сігналу і больш высокія тактавыя частаты, дарожкі друкаванай платы ўжо не з'яўляюцца простымі злучэннямі, а, адпаведна, лініямі перадачы. Кантроль імпедансу друкаванай платы азначае кіраванне хуткасцю перадачы і ўзгадненнем імпедансу сігналаў на друкаванай плаце для забеспячэння якасці і стабільнасці перадачы сігналу.
У практычных сітуацыях неабходна кантраляваць імпеданс трасы, калі лічбавая гранічная хуткасць перавышае 1 нс або аналагавая частата перавышае 300 МГц. Адным з ключавых параметраў трасы друкаванай платы з'яўляецца яе характарыстычны імпеданс (г.зн. суадносіны напружання да току, калі хваля перадаецца па лініі перадачы сігналу). Характарыстычны імпеданс правадоў на друкаваных платах з'яўляецца важным паказчыкам праектавання друкаванай платы. Асабліва пры праектаванні высокачастотных друкаваных плат неабходна ўлічваць, ці адпавядае характарыстычны імпеданс правадоў патрабаванаму характарыстычнаму імпедансу прылады або сігналу. Гэта ўключае ў сябе 2 паняцці: кіраванне імпедансам і ўзгадненне імпедансу. Гэты артыкул прысвечаны пытанням кіравання імпедансам і праектавання стэка.
Рэгуляванне імпедансу
Па правадніках друкаванай платы перадаюцца розныя сігналы. Каб палепшыць хуткасць перадачы, неабходна павялічыць частату. Імпеданс самой схемы змяняецца з-за такіх фактараў, як травленне, таўшчыня пласта і шырыня драты і г.д., што выклікае скажэнне сігналу. Такім чынам, значэнне імпедансу праваднікоў на хуткасных друкаваных платах павінна кантралявацца ў пэўным дыяпазоне, які называецца "рэгуляваннем імпедансу".
Імпеданс дарожак друкаванай платы вызначаецца іх індуктыўнай і ёмістнай індуктыўнасцю, супраціўленнем і каэфіцыентам праводнасці. Фактары, якія ўплываюць на імпеданс правадоў друкаванай платы, у асноўным ўключаюць шырыню і таўшчыню меднага дроту, дыэлектрычную пранікальнасць і таўшчыню асяроддзя, таўшчыню паяльнай пляцоўкі, шлях зазямлення і праводку вакол правадоў і г.д. Дыяпазон імпедансу друкаванай платы складае ад 25 да 120 Ом.
На практыцы лініі перадачы на друкаваных платах звычайна складаюцца з правадной дарожкі, аднаго або некалькіх апорных слаёў і ізаляцыйных матэрыялаў. Дарожка і слой складаюць кіравальны імпеданс. Друкаваныя платы часта маюць шматслаёвыя структуры, і кіраванне імпедансам таксама можа быць пабудавана рознымі спосабамі. Аднак, незалежна ад выкарыстоўванага метаду, значэнне імпедансу будзе вызначацца яго фізічнай структурай і электроннымі ўласцівасцямі ізаляцыйнага матэрыялу:
Шырыня і таўшчыня сігнальных слядоў
Вышыня стрыжня або папярэдне запоўненага матэрыялу па абодва бакі трасы
Канфігурацыя слаёў трасы і платы
Пастаянная ізаляцыя стрыжня і папярэдне запоўненых матэрыялаў
Існуе 2 асноўныя тыпы ліній перадачы для друкаваных поплаткаў: мікрапалосныя і палосныя.
Мікраслоскавая паласа — гэта палоска правадніка, якая адносіцца да лініі перадачы, толькі адзін бок якой мае плоскасць адліку. Верхняя і бакавыя часткі знаходзяцца пад уздзеяннем паветра (або маюць пакрыццё) і размешчаны на паверхні друкаванай платы з пастаяннай ізаляцыяй Er, прычым сілавы або зазямляльны пласт служыць плоскасцю адліку. Як паказана на наступным малюнку:
Заўвага: Пры вытворчасці друкаваных поплаткаў на заводзе звычайна наносяць на паверхню друкаванай платы пласт зялёнай фарбы. Таму пры рэальных разліках імпедансу для паверхневых мікрапалосных ліній звычайна выкарыстоўваецца мадэль, паказаная на наступным малюнку.
Палоскавая лінія — гэта палоска дроту, размешчаная паміж двума апорнымі плоскасцямі, як паказана на наступным малюнку. Дыэлектрычныя пастаянныя дыэлектрыка, прадстаўленыя H1 і H2, могуць адрознівацца.
Вышэйзгаданыя 2 выпадкі — гэта толькі тыповая дэманстрацыя мікрапалосных і палосных ліній, якія звычайна выкарыстоўваюцца для вывучэння ўбудаванага інтэлектуальнага абсталявання Інтэрнэту рэчаў і іншых сістэм. Існуе мноства спецыфічных тыпаў мікрапалосных і палосных ліній, такіх як пакрытыя мікрапалосныя, якія звязаны са спецыфічнай структурай кладкі друкаваных плат.
Раўнанне, якое выкарыстоўваецца для разліку характарыстычнага імпедансу, патрабуе складаных матэматычных разлікаў, звычайна з выкарыстаннем метадаў рашэння палявых задач, у тым ліку аналізу межавых элементаў. Такім чынам, з дапамогай спецыялізаванага праграмнага забеспячэння для разліку імпедансу SI9000 нам трэба толькі кантраляваць параметры характарыстычнага імпедансу:
Дыэлектрычная пастаянная Er ізаляцыйнага пласта, шырыня праваднікоў W1 і W2 (трапецападобныя), таўшчыня праваднікоў T і таўшчыня ізаляцыйнага пласта H.
Тлумачэнне для W1 і W2:
Тут W=W1, W1=W2
W – праектная шырыня лініі
A – страты ад травлення (гл. табліцу вышэй)
Прычына неадпаведнасці шырыні паміж верхняй і ніжняй часткамі лініі заключаецца ў тым, што падчас вытворчасці друкаваных поплаткаў карозія адбываецца зверху ўніз, у выніку чаго лінія карозіі мае трапецападобную форму.
Існуе адпаведная залежнасць паміж таўшчынёй лініі T і таўшчынёй медзі гэтага пласта, наступная:
| Таўшчыня медзі | ||
| Таўшчыня асновы медзі | Для ўнутранага пласта | Для вонкавага пласта |
| H OZ | 0,6 міл | 1,8 міль |
| 1 унцыя | 1,2 міль | 2,5 міль |
| 2 унцыі | 2,4 мілі | 3,6 міль |
Таўшчыня паяльнай маскі:
* З-за нязначнага ўплыву таўшчыні паяльнай маскі на імпеданс, прымаецца, што яно мае пастаяннае значэнне 0,5 міл.
Мы можам дасягнуць кантролю імпедансу, кантралюючы гэтыя параметры. На прыкладзе ніжняй друкаванай платы Anwei мы растлумачым этапы кантролю імпедансу і выкарыстанне SI9000:
Размяшчэнне ніжняй друкаванай платы паказана на наступным малюнку:
Другі пласт — гэта зазямляльная плоскасць, пяты пласт — гэта сілавая плоскасць, а астатнія пласты — гэта сігнальныя пласты.
Таўшчыня кожнага пласта паказана ў табліцы ніжэй:
| Назва слоя | Тып | Матэрыял | Разважлівасць | Клас |
| ПАВЕРХНЯ | ПАВЕТРА | |||
| ТОП | ДЫРЫЖОР | МЕДЗЬ | 0,5 унцыі | МАРШРУТЫЗАЦЫЯ |
| ДЫЭЛЕКТРЫК | FR-4 | 3.800 міл | ||
| L2-INNER | ДЫРЫЖОР | МЕДЗЬ | 1 унцыя | САМАЛЁТ |
| ДЫЭЛЕКТРЫК | FR-4 | 5.910 міль | ||
| L3-УНУТРАННЫ | ДЫРЫЖОР | МЕДЗЬ | 1 унцыя | МАРШРУТЫЗАЦЫЯ |
| ДЫЭЛЕКТРЫК | FR-4 | 33.08MIL | ||
| L4-УНУТРАННЫ | ДЫРЫЖОР | МЕДЗЬ | 1 унцыя | МАРШРУТЫЗАЦЫЯ |
| ДЫЭЛЕКТРЫК | FR-4 | 5.910 міль | ||
| L5-УНУТРАННЫ | ДЫРЫЖОР | МЕДЗЬ | 1 унцыя | САМАЛЁТ |
| ДЫЭЛЕКТРЫК | FR-4 | 3.800 міл | ||
| НІЖНЯЯ ЧАСТКА | ДЫРЫЖОР | МЕДЗЬ | 0,5 унцыі | МАРШРУТЫЗАЦЫЯ |
| ПАВЕРХНЯ | ПАВЕТРА |
Тлумачэнне: Дыэлектрык паміж прамежкавымі пластамі — FR-4 з дыэлектрычнай пастаяннай 4,2; верхні і ніжні пласты — гэта адкрытыя пласты, якія непасрэдна кантактуюць з паветрам, а дыэлектрычная пастаянная паветра роўная 1.
Для дасягнення кантролю імпедансу выкарыстоўваюцца наступныя распаўсюджаныя метады:
1. На аснове іерархічнага праектавання друкаванай платы:
Распрацоўшчыкі друкаваных плат могуць цалкам выкарыстоўваць іерархічную структуру друкаваных плат для дасягнення кантролю імпедансу. Размяшчаючы розныя сігнальныя пласты ў розных пазіцыях пластоў, можна эфектыўна кантраляваць міжслаёвую ёмістасць і індуктыўнасць. Як правіла, унутраны пласт выкарыстоўвае высокаімпедансныя матэрыялы, а вонкавы — нізкаімпедансныя матэрыялы, каб паменшыць уплыў адлюстравання і перакрыжаваных перашкод.
2. Выкарыстоўвайце лініі перадачы дыферэнцыяльнага сігналу:
Лініі дыферэнцыяльнай перадачы сігналу могуць забяспечыць лепшую здольнасць супрацьстаяць перашкодам і знізіць рызыку перакрыжаваных перашкод. Лініі дыферэнцыяльнай перадачы сігналу ўяўляюць сабой пару паралельных правадоў з процілеглымі напружаннямі, але аднолькавымі памерамі, што можа забяспечыць лепшую цэласнасць сігналу і здольнасць супрацьстаяць перашкодам. Імпеданс ліній дыферэнцыяльнай перадачы сігналу звычайна кантралюецца выбарам міжлінейнай адлегласці, шырыні і плоскасці зазямлення.
3. Геаметрыя кіруючай праводкі:
Такія геаметрычныя параметры, як шырыня ліній друкаванай платы, адлегласць паміж імі і размяшчэнне, таксама могуць выкарыстоўвацца для кіравання імпедансам. Для распаўсюджаных мікрапалосных ліній большая шырыня лініі і большая адлегласць паміж імі могуць знізіць імпеданс. Для кааксіяльных ліній меншы ўнутраны дыяметр лініі і большы вонкавы радыус лініі могуць павялічыць імпеданс. Выбар геаметрыі праводкі патрабуе аптымізацыі ў залежнасці ад канкрэтных патрабаванняў да імпедансу і частаты сігналу.
4. Выбар матэрыялаў друкаванай платы:
Дыэлектрычная пранікальнасць матэрыялаў друкаванай платы таксама ўплывае на імпеданс. Выбар матэрыялаў са стабільнымі дыэлектрычнымі ўласцівасцямі з'яўляецца часткай кантролю імпедансу. У высокачастотных і хуткасных прымяненнях найбольш распаўсюджанымі матэрыяламі з'яўляюцца FR-4 (шкловалакно, армаванае плата), PTFE (політэфрэтылен) і RF (радыёчастотныя) ламінаты.
5. Выкарыстоўвайце інструменты мадэлявання і праектавання:
Перад праектаваннем друкаванай платы выкарыстанне інструментаў мадэлявання і праектавання можа дапамагчы распрацоўшчыкам хутка і дакладна праверыць і аптымізаваць імпеданс. Гэтыя інструменты могуць мадэляваць паводзіны схемы, страты пры перадачы сігналу і электрамагнітныя ўзаемадзеянні, каб вызначыць аптымальныя параметры праектавання друкаванай платы. Некаторыя распаўсюджаныя інструменты мадэлявання ўключаюць CST Studio Suite, HyperLynx і ADS.
Кантроль імпедансу друкаванай платы адыгрывае вырашальную ролю ў высакахуткасных лічбавых і аналагавых схемах. Дзякуючы разумнай іерархічнай канструкцыі, выкарыстанню дыферэнцыяльных ліній перадачы сігналу, кантролю геаметрыі праводкі, выбару адпаведных матэрыялаў друкаванай платы і выкарыстанню інструментаў мадэлявання і праектавання можна дасягнуць дакладнага кантролю імпедансу, тым самым паляпшаючы прадукцыйнасць схемы і цэласнасць сігналу.
0102