Chì ghjè u cuntrollu di l'impedenza è cumu fà u cuntrollu di l'impedenza nantu à i PCB

In a cuncepzione di i dispusitivi elettronichi muderni, i PCB ghjocanu un rollu cruciale. E prestazioni di i PCB affettanu direttamente a stabilità, l'affidabilità è l'efficienza di trasmissione di tuttu u sistema elettronicu. Frà elli, u cuntrollu di l'impedenza hè una parte impurtante di a cuncepzione di i PCB. Siccomu i circuiti digitali muderni anu tempi di trasmissione di u signale più brevi è frequenze di clock più elevate, e tracce di i PCB ùn sò più semplici cunnessione, ma linee di trasmissione currispundente. U cuntrollu di l'impedenza di i PCB si riferisce à u cuntrollu di a velocità di trasmissione è di a currispundenza di l'impedenza di i signali nantu à u PCB per assicurà a qualità è a stabilità di a trasmissione di u signale.

In situazioni pratiche, hè necessariu cuntrullà l'impedenza di a traccia quandu a velocità marginale digitale hè più alta di 1ns o a frequenza analogica supera i 300MHz. Unu di i parametri chjave di a traccia di u PCB hè a so impedenza caratteristica (vale à dì u rapportu trà a tensione è a corrente quandu l'onda hè trasmessa longu a linea di trasmissione di u signale). L'impedenza caratteristica di i fili nantu à i PCB hè un indicatore impurtante di a cuncepzione di i PCB. In particulare in a cuncepzione di PCB d'alta frequenza, hè necessariu cunsiderà se l'impedenza caratteristica di u filu hè coerente o currisponde à l'impedenza caratteristica richiesta di u dispusitivu o di u signale. Questu implica 2 cuncetti: cuntrollu di l'impedenza è adattazione di l'impedenza. Questu articulu si concentra nantu à i prublemi di u cuntrollu di l'impedenza è di a cuncepzione di a pila.

Ci sò diversi signali trasmessi in i cunduttori di u PCB. Per migliurà a so velocità di trasmissione, a so frequenza deve esse aumentata. U valore di l'impedenza di u circuitu stessu varieghja per via di fattori cum'è l'incisione, u spessore di u stratu è a larghezza di u filu, ecc., causendu distorsioni di u signale. Dunque, u valore di l'impedenza di i cunduttori nantu à i PCB d'alta velocità deve esse cuntrullatu in un certu intervallu, chì hè chjamatu "cuntrollu di l'impedenza".

L'impedenza di e tracce di u PCB hè determinata da a so induttanza induttiva è capacitiva, a resistenza è u coefficientu di conducibilità. I ​​fattori chì influenzanu l'impedenza di u cablaggio di u PCB includenu principalmente a larghezza è u spessore di u filu di rame, a costante dielettrica è u spessore di u mediu, u spessore di u pad di saldatura, u percorsu di u filu di terra è u cablaggio intornu à u cablaggio, ecc. A gamma di impedenza di u PCB hè da 25 à 120 ohm.

In pratica, e linee di trasmissione di i PCB sò tipicamente custituite da una traccia di filu, unu o più strati di riferimentu è materiali isolanti. A traccia è u stratu custituiscenu l'impedenza di cuntrollu. I PCB spessu aduttanu strutture multistratu, è u cuntrollu di l'impedenza pò ancu esse custruitu in vari modi. Tuttavia, indipendentemente da u metudu utilizatu, u valore di l'impedenza serà determinatu da a so struttura fisica è da e proprietà elettroniche di u materiale isolante:

Una microstriscia hè una striscia di filu chì si riferisce à una linea di trasmissione cù solu un latu chì hà un pianu di riferimentu. A cima è i lati sò esposti à l'aria (o esse rivestiti) è sò situati nantu à a superficia di un PCB cù una costante d'insulazione Er, cù u stratu di putenza o di terra cum'è riferimentu. Cum'è mostratu in a figura seguente:

Nota: In a fabricazione attuale di PCB, a fabbrica di PCB di solitu applica un stratu d'inchiostru verde nantu à a superficia di u PCB. Dunque, in i calculi d'impedenza attuali, u mudellu mostratu in a figura seguente hè generalmente adupratu per e linee microstrip di superficie.

Una stripline hè una striscia di filu posta trà 2 piani di riferimentu, cum'è mostratu in a figura seguente. E custanti dielettriche di u dielettricu rapprisintatu da H1 è H2 ponu esse diverse.

I 2 casi sopra sò solu una dimostrazione tipica di microstrip è stripline, generalmente aduprate per l'apprendimentu di hardware intelligente IoT integratu è altri sistemi. Ci sò parechji tipi specifichi di microstrip è stripline, cum'è microstrip rivestite, chì sò ligati à a struttura di impilamentu specifica di PCB.

L'equazione aduprata per calculà l'impedenza caratteristica richiede calculi matematichi cumplessi, di solitu aduprendu metudi di risoluzione di campu, cumprese l'analisi di l'elementi di cunfine. Dunque, cù l'usu di un software specializatu per u calculu di l'impedenza SI9000, tuttu ciò chì ci vole à fà hè di cuntrullà i parametri di l'impedenza caratteristica:

A costante dielettrica Er di u stratu d'isolamentu, a larghezza di u cablaggio W1 è W2 (trapezoidale), u spessore di u cablaggio T è u spessore di u stratu d'isolamentu H.

W – larghezza di linea cuncipita

A – perdita di incisione (vede a tabella sopra)

A ragione di a larghezza incoerente trà a cima è u fondu di a linea hè chì durante u prucessu di fabricazione di PCB, a currusione si faci da cima à fondu, risultendu in una forma trapezoidale di a linea currudata.

Ci hè una relazione currispundente trà u spessore di a linea T è u spessore di u rame di stu stratu, cum'è seguita:

* A causa di a piccula influenza di u spessore di a maschera di saldatura nantu à l'impedenza, si suppone chì sia un valore costante di 0,5 mil.

Pudemu ottene u cuntrollu di l'impedenza cuntrullendu sti parametri. Pigliendu u PCB inferiore di Anwei cum'è esempiu, spiegheremu i passi di u cuntrollu di l'impedenza è l'usu di SI9000:

U secondu stratu hè u pianu di terra, u quintu stratu hè u pianu di putenza, è i strati rimanenti sò i strati di signale.

Spiegazione: U dielettricu trà i strati intermedi hè FR-4, cù una costante dielettrica di 4,2; I strati superiori è inferiori sò strati nudi chì entranu in cuntattu direttu cù l'aria, è a costante dielettrica di l'aria hè 1.

I cuncettori di PCB ponu utilizà cumpletamente a struttura gerarchica di i PCB per ottene u cuntrollu di l'impedenza. Piazzendu diversi strati di signali in diverse pusizioni di stratu, a capacità è l'induttanza interstrati ponu esse cuntrullate efficacemente. In generale, u stratu internu usa materiali à alta impedenza è u stratu esternu usa materiali à bassa impedenza per riduce l'impattu di a riflessione è di a diafonia.

E linee di trasmissione di signali differenziali ponu furnisce una migliore capacità anti-interferenza è un risicu di diafonia più bassu. E linee di trasmissione di signali differenziali sò una coppia di fili paralleli cù tensioni opposte ma dimensioni uguali, chì ponu furnisce una migliore integrità di u signale è una capacità anti-interferenza. L'impedenza di e linee di trasmissione di signali differenziali hè generalmente cuntrullata da a selezzione di a spaziatura di e linee, a larghezza è u pianu di terra.

I parametri geometrichi cum'è a larghezza di a linea PCB, a spaziatura è u layout ponu ancu esse aduprati per cuntrullà l'impedenza. Per e linee microstrip cumuni, una larghezza di linea più spessa è una spaziatura più grande ponu riduce l'impedenza. Per e linee coassiali, i diametri di linea interni più chjuchi è i raggi di linea esterni più grandi ponu aumentà l'impedenza. A selezzione di a geometria di u cablaggio richiede l'ottimisazione basata nantu à i requisiti specifici di impedenza è a frequenza di u signale.

A custante dielettrica di i materiali PCB influenza ancu l'impedenza. A scelta di materiali cù proprietà dielettriche stabili face parte di u cuntrollu di l'impedenza. In l'applicazioni à alta frequenza è alta velocità, i materiali cumunemente usati includenu FR-4 (carta rinforzata cù fibra di vetru), PTFE (politetrafluoroetilene) è laminati RF (radiofrequenza).

Prima di a cuncepzione di PCB, l'usu di strumenti di simulazione è di cuncepzione pò aiutà i cuncettori à verificà è ottimizà l'impedenza rapidamente è precisamente. Quessi strumenti ponu simulà u cumpurtamentu di i circuiti, e perdite di trasmissione di u signale è l'interazioni elettromagnetiche per determinà i parametri di cuncepzione ottimali di PCB. Alcuni strumenti di simulazione cumuni includenu CST Studio Suite, HyperLynx è ADS.

U cuntrollu di l'impedenza di i circuiti stampati (PCB) ghjoca un rollu cruciale in i circuiti digitali è analogichi à alta velocità. Attraversu una cuncepzione gerarchica raghjonevule, l'usu di linee di trasmissione di signali differenziali, u cuntrollu di a geometria di u cablaggio, a selezzione di materiali PCB adatti è l'usu di strumenti di simulazione è cuncepzione, si pò ottene un cuntrollu precisu di l'impedenza, migliurendu cusì e prestazioni di u circuitu è ​​l'integrità di u signale.