Què és el control d'impedància i com es realitza en PCBs

En el disseny dels dispositius electrònics moderns, les plaques de circuit impedància (PCB) tenen un paper crucial. El rendiment de les PCB afecta directament l'estabilitat, la fiabilitat i l'eficiència de transmissió de tot el sistema electrònic. Entre elles, el control d'impedància és una part important del disseny de PCB. Com que els circuits digitals moderns tenen temps de transmissió de senyal més curts i freqüències de rellotge més elevades, les traces de PCB ja no són connexions simples, sinó línies de transmissió corresponents. El control d'impedància de PCB es refereix a controlar la velocitat de transmissió i l'adaptació d'impedància dels senyals a la PCB per garantir la qualitat i l'estabilitat de la transmissió del senyal.

En situacions pràctiques, cal controlar la impedància del rastre quan la velocitat marginal digital és superior a 1 ns o la freqüència analògica supera els 300 MHz. Un dels paràmetres clau del rastre de la placa de circuit impedància (PCB) és la seva impedància característica (és a dir, la relació entre el voltatge i el corrent quan l'ona es transmet al llarg de la línia de transmissió del senyal). La impedància característica dels cables de les plaques de circuit impedància (PCB) és un indicador important del disseny de PCB. Especialment en el disseny de PCB d'alta freqüència, cal tenir en compte si la impedància característica del cable és coherent o coincideix amb la impedància característica requerida del dispositiu o senyal. Això implica 2 conceptes: control d'impedància i adaptació d'impedància. Aquest article se centra en els problemes de control d'impedància i disseny de pila.

Hi ha diversos senyals que es transmeten als conductors de la placa de circuit impedància (PCB). Per millorar la seva velocitat de transmissió, cal augmentar-ne la freqüència. El valor de la impedància del circuit en si varia a causa de factors com el gravat, el gruix de la capa i l'amplada del cable, etc., cosa que provoca distorsió del senyal. Per tant, el valor de la impedància dels conductors de les plaques de circuit impedància d'alta velocitat s'ha de controlar dins d'un rang determinat, que s'anomena "control d'impedància".

La impedància de les pistes de la PCB està determinada per la seva inductància inductiva i capacitiva, resistència i coeficient de conductivitat. Els factors que afecten la impedància del cablejat de la PCB inclouen principalment l'amplada i el gruix del cable de coure, la constant dielèctrica i el gruix del medi, el gruix de la placa de soldadura, el camí del cable de terra i el cablejat al voltant del cablejat, etc. El rang d'impedància de la PCB és de 25 a 120 ohms.

A la pràctica, les línies de transmissió de les plaques de circuit impedància (PCB) solen constar d'una traça de cable, una o més capes de referència i materials aïllants. La traça i la capa constitueixen la impedància de control. Les PCB sovint adopten estructures multicapa, i el control d'impedància també es pot construir de diverses maneres. Tanmateix, independentment del mètode utilitzat, el valor de la impedància vindrà determinat per la seva estructura física i les propietats electròniques del material aïllant:

Una microstrip és una tira de filferro que fa referència a una línia de transmissió amb només un costat que té un pla de referència. La part superior i els costats estan exposats a l'aire (o estan recoberts) i es troben a la superfície d'una placa de circuit imprès (PCB) amb aïllament constant Er, amb la capa d'alimentació o de terra com a referència. Com es mostra a la figura següent:

Nota: En la fabricació real de PCB, la fàbrica de PCB normalment aplica una capa de tinta verda a la superfície del PCB. Per tant, en els càlculs d'impedància reals, el model que es mostra a la figura següent s'utilitza normalment per a línies de microstrip superficials.

Una línia de banda és una tira de filferro col·locada entre 2 plans de referència, com es mostra a la figura següent. Les constants dielèctriques del dielèctric representat per H1 i H2 poden ser diferents.

Els dos casos anteriors són només una demostració típica de microstrip i striplines, que normalment s'utilitzen per a l'aprenentatge de maquinari intel·ligent IoT integrat i altres sistemes. Hi ha molts tipus específics de microstrip i striplines, com ara microstrip recobertes, que estan relacionades amb l'estructura d'apilament específica de les PCB.

L'equació utilitzada per calcular la impedància característica requereix càlculs matemàtics complexos, generalment utilitzant mètodes de resolució de camps, inclosa l'anàlisi d'elements de contorn. Per tant, amb l'ús del programari especialitzat de càlcul d'impedància SI9000, tot el que hem de fer és controlar els paràmetres de la impedància característica:

La constant dielèctrica Er de la capa d'aïllament, l'amplada del cablejat W1 i W2 (trapezoïdal), el gruix del cablejat T i el gruix de la capa d'aïllament H.

W – amplada de línia dissenyada

A – pèrdua per gravat (vegeu la taula anterior)

La raó de l'amplada inconsistent entre la part superior i inferior de la línia és que durant el procés de fabricació de PCB, la corrosió es produeix de dalt a baix, donant lloc a una forma trapezoïdal de la línia corroïda.

Hi ha una relació corresponent entre el gruix de la línia T i el gruix del coure d'aquesta capa, de la següent manera:

* A causa de la petita influència del gruix de la màscara de soldadura sobre la impedància, se suposa que és un valor constant de 0,5 mil.

Podem aconseguir el control d'impedància controlant aquests paràmetres. Prenent com a exemple la placa de circuit impedància inferior d'Anwei, explicarem els passos del control d'impedància i l'ús de SI9000:

La segona capa és el pla de terra, la cinquena capa és el pla de potència i les capes restants són les capes de senyal.

Explicació: El dielèctric entre les capes intermèdies és FR-4, amb una constant dielèctrica de 4,2; les capes superior i inferior són capes nues que entren en contacte directe amb l'aire, i la constant dielèctrica de l'aire és 1.

Els dissenyadors de PCB poden utilitzar completament l'estructura jeràrquica de les PCB per aconseguir el control d'impedància. En col·locar diferents capes de senyal en diferents posicions de capa, es pot controlar eficaçment la capacitança i la inductància entre capes. En general, la capa interna utilitza materials d'alta impedància i la capa externa utilitza materials de baixa impedància per reduir l'impacte de la reflexió i la diafonia.

Les línies de transmissió de senyal diferencial poden proporcionar una millor capacitat antiinterferències i un menor risc de diafonia. Les línies de transmissió de senyal diferencial són un parell de cables paral·lels amb voltatges oposats però mides iguals, que poden proporcionar una millor integritat del senyal i capacitat antiinterferències. La impedància de les línies de transmissió de senyal diferencial normalment es controla mitjançant la selecció de l'espaiat de línia, l'amplada i el pla de terra.

Els paràmetres geomètrics com l'amplada de la línia de la PCB, l'espaiat i la disposició també es poden utilitzar per controlar la impedància. Per a les línies de microstrip comunes, una amplada de línia més gruixuda i un espaiat més gran poden reduir la impedància. Per a les línies coaxials, els diàmetres de línia interiors més petits i els radis de línia exteriors més grans poden augmentar la impedància. La selecció de la geometria del cablejat requereix una optimització basada en els requisits d'impedància específics i la freqüència del senyal.

La constant dielèctrica dels materials de les plaques de circuit impedància (PCB) també afecta la impedància. L'elecció de materials amb propietats dielèctriques estables forma part del control de la impedància. En aplicacions d'alta freqüència i alta velocitat, els materials més utilitzats inclouen FR-4 (placa reforçada amb fibra de vidre), PTFE (politetrafluoroetilè) i laminats de RF (radiofreqüència).

Abans del disseny de PCB, l'ús d'eines de simulació i disseny pot ajudar els dissenyadors a verificar i optimitzar la impedància de manera ràpida i precisa. Aquestes eines poden simular el comportament del circuit, les pèrdues de transmissió de senyals i les interaccions electromagnètiques per determinar els paràmetres òptims de disseny de PCB. Algunes eines de simulació comunes inclouen CST Studio Suite, HyperLynx i ADS.

El control d'impedància de les plaques de circuit impedància (PCB) juga un paper crucial en els circuits digitals i analògics d'alta velocitat. Mitjançant un disseny jeràrquic raonable, l'ús de línies de transmissió de senyal diferencial, el control de la geometria del cablejat, la selecció de materials de PCB adequats i l'ús d'eines de simulació i disseny, es pot aconseguir un control precís de la impedància, millorant així el rendiment del circuit i la integritat del senyal.