Šta je kontrola impedanse i kako se izvodi kontrola impedanse na PCB pločama

U dizajnu modernih elektronskih uređaja, PCB ploče (PCB) igraju ključnu ulogu. Performanse PCB ploča direktno utiču na stabilnost, pouzdanost i efikasnost prenosa cijelog elektronskog sistema. Među njima, kontrola impedanse je važan dio dizajna PCB ploča. Budući da moderna digitalna kola imaju kraće vrijeme prenosa signala i veće brzine takta, PCB tragovi više nisu jednostavni spojevi, već shodno tome prenosne linije. Kontrola impedanse PCB ploča odnosi se na kontrolu brzine prenosa i usklađivanja impedanse signala na PCB ploči kako bi se osigurala kvaliteta i stabilnost prenosa signala.

U praktičnim situacijama, potrebno je kontrolisati impedansu traga kada je digitalna granična brzina veća od 1ns ili analogna frekvencija prelazi 300MHz. Jedan od ključnih parametara traga na PCB-u je njegova karakteristična impedansa (tj. odnos napona i struje kada se talas prenosi duž linije za prenos signala). Karakteristična impedansa žica na PCB-u je važan pokazatelj dizajna PCB-a. Posebno kod dizajna visokofrekventnih PCB-a, potrebno je razmotriti da li je karakteristična impedansa žice u skladu sa ili se podudara sa potrebnom karakterističnom impedansom uređaja ili signala. Ovo uključuje dva koncepta: kontrolu impedanse i usklađivanje impedanse. Ovaj članak se fokusira na pitanja kontrole impedanse i dizajna slojeva.

U provodnicima PCB-a prenose se različiti signali. Da bi se poboljšala brzina prenosa, potrebno je povećati frekvenciju. Vrijednost impedanse samog kola varira zbog faktora kao što su nagrizanje, debljina sloja i širina žice itd., što uzrokuje izobličenje signala. Stoga, vrijednost impedanse provodnika na brzim PCB-ima treba kontrolisati unutar određenog raspona, što se naziva "kontrola impedanse".

Impedancija PCB tragova određena je njihovom induktivnom i kapacitivnom induktivnošću, otporom i koeficijentom provodljivosti. Faktori koji utiču na impedanciju PCB ožičenja uglavnom uključuju širinu i debljinu bakrene žice, dielektričnu konstantu i debljinu medija, debljinu lemne pločice, putanju žice za uzemljenje i ožičenje oko ožičenja itd. Raspon impedancije PCB-a je od 25 do 120 oma.

U praksi, PCB dalekovodi se obično sastoje od žičanog traga, jednog ili više referentnih slojeva i izolacijskih materijala. Trag i sloj čine kontrolnu impedansu. PCB ploče često usvajaju višeslojne strukture, a kontrola impedanse se također može konstruirati na različite načine. Međutim, bez obzira na korištenu metodu, vrijednost impedanse će biti određena njenom fizičkom strukturom i elektronskim svojstvima izolacijskog materijala:

Mikrostripna traka je traka žice koja se odnosi na dalekovod kod kojeg samo jedna strana ima referentnu ravan. Gornja i bočne strane su izložene zraku (ili su obložene) i nalaze se na površini PCB-a s konstantnom izolacijom Er, pri čemu sloj napajanja ili uzemljenja služi kao referenca. Kao što je prikazano na sljedećoj slici:

Napomena: U stvarnoj proizvodnji PCB-a, fabrika PCB-a obično nanosi sloj zelene tinte na površinu PCB-a. Stoga se u stvarnim proračunima impedanse, model prikazan na sljedećoj slici obično koristi za površinske mikrostripne linije.

Trakasta linija je traka žice postavljena između dvije referentne ravni, kao što je prikazano na sljedećoj slici. Dielektrične konstante dielektrika predstavljene sa H1 i H2 mogu biti različite.

Gornja dva slučaja su samo tipična demonstracija mikrostripnih i trakastih vodova, koji se obično koriste za učenje ugrađenog inteligentnog hardvera IoT-a i drugih sistema. Postoje mnoge specifične vrste mikrostripnih i trakastih vodova, kao što su obložene mikrostripne, koje su povezane sa specifičnom strukturom slaganja PCB-a.

Jednačina koja se koristi za izračunavanje karakteristične impedanse zahtijeva složene matematičke proračune, obično korištenjem metoda rješavanja polja, uključujući analizu graničnih elemenata. Stoga, korištenjem specijaliziranog softvera za izračunavanje impedanse SI9000, sve što trebamo učiniti je kontrolirati parametre karakteristične impedanse:

Dielektrična konstanta Er izolacijskog sloja, širina ožičenja W1 i W2 (trapezoidno), debljina ožičenja T i debljina izolacijskog sloja H.

W – projektovana širina linije

A – gubitak nagrizanja (vidi tabelu iznad)

Razlog za nedosljednu širinu između vrha i dna linije je taj što tokom procesa proizvodnje PCB-a, korozija se javlja od vrha prema dnu, što rezultira trapezoidnim oblikom korodirane linije.

Postoji odgovarajući odnos između debljine linije T i debljine bakra ovog sloja, kako slijedi:

* Zbog malog utjecaja debljine maske za lemljenje na impedansu, pretpostavlja se da je konstantna vrijednost od 0,5 mil.

Kontrolom ovih parametara možemo postići kontrolu impedanse. Uzimajući Anweijev donji PCB kao primjer, objasnit ćemo korake kontrole impedanse i upotrebu SI9000:

Drugi sloj je uzemljena ravan, peti sloj je ravan napajanja, a preostali slojevi su signalni slojevi.

Objašnjenje: Dielektrik između međuslojeva je FR-4, sa dielektričnom konstantom od 4,2; Gornji i donji sloj su goli slojevi koji dolaze u direktan kontakt sa zrakom, a dielektrična konstanta zraka je 1.

Dizajneri PCB-a mogu u potpunosti iskoristiti hijerarhijsku strukturu PCB-a kako bi postigli kontrolu impedanse. Postavljanjem različitih signalnih slojeva na različite pozicije slojeva, međuslojni kapacitet i induktivitet se mogu efikasno kontrolisati. Općenito govoreći, unutrašnji sloj koristi materijale visoke impedanse, a vanjski sloj koristi materijale niske impedanse kako bi se smanjio utjecaj refleksije i preslušavanja.

Diferencijalni signalni vodovi mogu pružiti bolju sposobnost sprječavanja smetnji i manji rizik od preslušavanja. Diferencijalni signalni vodovi su par paralelnih žica sa suprotnim naponima, ali jednakih veličina, što može pružiti bolji integritet signala i sposobnost sprječavanja smetnji. Impedancija diferencijalnih signalnih vodova obično se kontrolira odabirom razmaka između vodova, širine i uzemljene ravni.

Geometrijski parametri kao što su širina, razmak i raspored PCB linije također se mogu koristiti za kontrolu impedanse. Kod uobičajenih mikrostripnih linija, deblja širina linije i veći razmak mogu smanjiti impedansu. Kod koaksijalnih linija, manji unutrašnji promjeri linije i veći vanjski radijusi linije mogu povećati impedansu. Izbor geometrije ožičenja zahtijeva optimizaciju na osnovu specifičnih zahtjeva impedanse i frekvencije signala.

Dielektrična konstanta PCB materijala također utiče na impedansu. Odabir materijala sa stabilnim dielektričnim svojstvima dio je kontrole impedanse. U visokofrekventnim i brzim primjenama, uobičajeno korišteni materijali uključuju FR-4 (ploču ojačanu staklenim vlaknima), PTFE (politetrafluoroetilen) i RF (radiofrekventni) laminati.

Prije dizajniranja PCB-a, korištenje alata za simulaciju i dizajn može pomoći dizajnerima da brzo i precizno provjere i optimiziraju impedansu. Ovi alati mogu simulirati ponašanje kola, gubitke pri prijenosu signala i elektromagnetne interakcije kako bi odredili optimalne parametre dizajna PCB-a. Neki uobičajeni alati za simulaciju uključuju CST Studio Suite, HyperLynx i ADS.

Kontrola impedanse PCB-a igra ključnu ulogu u brzim digitalnim i analognim kolima. Precizna kontrola impedanse može se postići razumnim hijerarhijskim dizajnom, korištenjem diferencijalnih linija za prijenos signala, kontrolom geometrije ožičenja, odabirom odgovarajućih materijala za PCB i korištenjem alata za simulaciju i dizajn, čime se poboljšavaju performanse kola i integritet signala.