Какво е контрол на импеданса и как се извършва контрол на импеданса на печатни платки

В проектирането на съвременни електронни устройства, печатните платки (PCB) играят решаваща роля. Производителността на печатните платки влияе пряко върху стабилността, надеждността и ефективността на предаване на цялата електронна система. Сред тях, контролът на импеданса е важна част от проектирането на печатни платки. Тъй като съвременните цифрови схеми имат по-кратко време за предаване на сигнала и по-високи тактови честоти, следите от печатни платки вече не са просто връзки, а съответно предавателни линии. Контролът на импеданса на печатни платки се отнася до контролиране на скоростта на предаване и импедансното съгласуване на сигналите върху печатната платка, за да се гарантира качеството и стабилността на предаването на сигнала.

В практически ситуации е необходимо да се контролира импедансът на трасето, когато цифровата гранична скорост е по-висока от 1ns или аналоговата честота надвишава 300MHz. Един от ключовите параметри на трасето на печатната платка е неговият характерен импеданс (т.е. съотношението на напрежението към тока, когато вълната се предава по линията за предаване на сигнала). Характерният импеданс на проводниците на печатните платки е важен индикатор за дизайна на печатни платки. Особено при дизайна на високочестотни печатни платки е необходимо да се вземе предвид дали характерният импеданс на проводника е съвместим или съответства на необходимия характерен импеданс на устройството или сигнала. Това включва 2 концепции: контрол на импеданса и импедансно съгласуване. Тази статия се фокусира върху въпросите, свързани с контрола на импеданса и дизайна на стека.

В проводниците на печатната платка се предават различни сигнали. За да се подобри скоростта на предаване, честотата ѝ трябва да се увеличи. Стойността на импеданса на самата верига варира поради фактори като ецване, дебелина на слоя и ширина на проводника и др., причинявайки изкривяване на сигнала. Следователно, стойността на импеданса на проводниците на високоскоростните печатни платки трябва да се контролира в определен диапазон, който се нарича "контрол на импеданса".

Импедансът на печатните платки се определя от тяхната индуктивна и капацитивна индуктивност, съпротивление и коефициент на проводимост. Факторите, които влияят на импеданса на окабеляването на печатни платки, включват главно ширината и дебелината на медния проводник, диелектричната константа и дебелината на средата, дебелината на спойката, пътя на заземяващия проводник и окабеляването около него и др. Диапазонът на импеданса на печатни платки е от 25 до 120 ома.

На практика, преносните линии на печатни платки обикновено се състоят от проводникова следа, един или повече референтни слоеве и изолационни материали. Следата и слоят съставляват управляващия импеданс. Печатните платки често приемат многослойни структури, а управлението на импеданса може да бъде изградено по различни начини. Независимо от използвания метод обаче, стойността на импеданса ще се определя от неговата физическа структура и електронните свойства на изолационния материал:

Микролентовата лента е проводник, който представлява преносна линия, само едната страна на която има референтна равнина. Горната част и страните са изложени на въздух (или са покрити) и са разположени върху повърхността на печатна платка с изолационна константа Er, като захранващият или заземяващ слой служи като референтна равнина. Както е показано на следващата фигура:

Забележка: При реалното производство на печатни платки, фабриката за печатни платки обикновено нанася слой зелено мастило върху повърхността на платката. Следователно, при реални изчисления на импеданса, моделът, показан на следващата фигура, обикновено се използва за повърхностни микролентови линии.

Лентовата линия е лента от проводник, поставена между 2 референтни равнини, както е показано на следващата фигура. Диелектричните константи на диелектрика, представени от H1 и H2, могат да бъдат различни.

Горните 2 случая са само типична демонстрация на микролентови и лентови линии, обикновено използвани за обучение на вграден интелигентен хардуер за интернет на нещата и други системи. Съществуват много специфични видове микролентови и лентови линии, като например покрити микролентови, които са свързани със специфичната структура на подреждане на печатни платки.

Уравнението, използвано за изчисляване на характерния импеданс, изисква сложни математически изчисления, обикновено с помощта на методи за решаване на полеви задачи, включително анализ на гранични елементи. Следователно, с помощта на специализиран софтуер за изчисляване на импеданс SI9000, всичко, което трябва да направим, е да контролираме параметрите на характерния импеданс:

Диелектричната константа Er на изолационния слой, ширината на окабеляването W1 и W2 (трапецовидна), дебелината на окабеляването T и дебелината на изолационния слой H.

W – проектирана ширина на линията

A – загуба от ецване (вижте таблицата по-горе)

Причината за неравномерната ширина между горната и долната част на линията е, че по време на производствения процес на печатни платки корозията протича отгоре надолу, което води до трапецовидна форма на корозиралата линия.

Съществува съответстваща връзка между дебелината на линията T и дебелината на медта на този слой, както следва:

* Поради малкото влияние на дебелината на спояващата маска върху импеданса, се приема, че тя е постоянна стойност от 0,5 mil.

Можем да постигнем контрол на импеданса чрез контролиране на тези параметри. Вземайки за пример долната печатна платка на Anwei, ще обясним стъпките за контрол на импеданса и използването на SI9000:

Вторият слой е заземителната равнина, петият слой е силовата равнина, а останалите слоеве са сигналните слоеве.

Обяснение: Диелектрикът между междинните слоеве е FR-4, с диелектрична константа 4,2; Горният и долният слой са голи слоеве, които влизат в директен контакт с въздуха, а диелектричната константа на въздуха е 1.

Проектантите на печатни платки могат да използват пълноценно йерархичната структура на печатните платки, за да постигнат контрол на импеданса. Чрез поставяне на различни сигнални слоеве на различни позиции в слоевете, междуслойният капацитет и индуктивност могат да бъдат ефективно контролирани. Най-общо казано, вътрешният слой използва материали с висок импеданс, а външният слой използва материали с нисък импеданс, за да се намали влиянието на отражението и преслушването.

Диференциалните линии за предаване на сигнал могат да осигурят по-добра защита от смущения и по-нисък риск от кръстосани смущения. Диференциалните линии за предаване на сигнал са двойка успоредни проводници с противоположни напрежения, но с еднакви размери, което може да осигури по-добра цялост на сигнала и защита от смущения. Импедансът на диференциалните линии за предаване на сигнал обикновено се контролира чрез избора на разстояние между линиите, ширина и заземителна равнина.

Геометрични параметри като ширина на линията на печатната платка, разстояние между тях и оформление също могат да се използват за контрол на импеданса. При често срещаните микролентови линии, по-дебелата ширина на линията и по-голямото разстояние между тях могат да намалят импеданса. При коаксиални линии, по-малките вътрешни диаметри на линията и по-големите външни радиуси на линията могат да увеличат импеданса. Изборът на геометрия на окабеляването изисква оптимизация въз основа на специфичните изисквания за импеданс и честотата на сигнала.

Диелектричната константа на материалите за печатни платки също влияе върху импеданса. Изборът на материали със стабилни диелектрични свойства е част от контрола на импеданса. Във високочестотни и високоскоростни приложения, често използваните материали включват FR-4 (картон, подсилен със стъклени влакна), PTFE (политетрафлуороетилен) и RF (радиочестотни) ламинати.

Преди проектирането на печатни платки, използването на инструменти за симулация и проектиране може да помогне на проектантите бързо и точно да проверят и оптимизират импеданса. Тези инструменти могат да симулират поведението на веригата, загубите при предаване на сигнала и електромагнитните взаимодействия, за да определят оптималните параметри на дизайна на печатни платки. Някои често срещани инструменти за симулация включват CST Studio Suite, HyperLynx и ADS.

Контролът на импеданса на печатните платки играе ключова роля във високоскоростните цифрови и аналогови схеми. Чрез разумен йерархичен дизайн, използване на диференциални линии за предаване на сигнала, контрол на геометрията на окабеляването, избор на подходящи материали за печатни платки и използване на инструменти за симулация и проектиране, може да се постигне прецизен контрол на импеданса, като по този начин се подобряват производителността на веригата и целостта на сигнала.