Co je to regulace impedance a jak ji provádět na deskách plošných spojů

V návrhu moderních elektronických zařízení hrají desky plošných spojů (PCB) klíčovou roli. Výkonnost desek plošných spojů přímo ovlivňuje stabilitu, spolehlivost a přenosovou účinnost celého elektronického systému. Důležitou součástí návrhu desek plošných spojů je mimo jiné řízení impedance. Vzhledem k tomu, že moderní digitální obvody mají kratší dobu přenosu signálu a vyšší taktovací frekvence, vodivé stopy desek plošných spojů již nejsou jen jednoduchými spoji, ale odpovídajícími přenosovými vedeními. Řízení impedance desek plošných spojů se týká řízení přenosové rychlosti a impedančního přizpůsobení signálů na desce plošných spojů, aby se zajistila kvalita a stabilita přenosu signálu.

V praktických situacích je nutné řídit impedanci stopy, když je digitální mezní rychlost vyšší než 1 ns nebo analogová frekvence přesáhne 300 MHz. Jedním z klíčových parametrů stopy na desce plošných spojů (PCB) je její charakteristická impedance (tj. poměr napětí k proudu při přenosu vlny signálem). Charakteristická impedance vodičů na deskách plošných spojů je důležitým ukazatelem návrhu desek plošných spojů. Zejména u návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů je nutné zvážit, zda je charakteristická impedance vodiče v souladu s požadovanou charakteristickou impedancí zařízení nebo signálu, nebo zda jí odpovídá. To zahrnuje 2 koncepty: řízení impedance a impedanční přizpůsobení. Tento článek se zaměřuje na problematiku řízení impedance a návrhu vrstev.

Ve vodičích desky plošných spojů se přenášejí různé signály. Aby se zlepšila přenosová rychlost, je nutné zvýšit frekvenci. Hodnota impedance samotného obvodu se mění v důsledku faktorů, jako je leptání, tloušťka vrstvy a šířka vodiče atd., což způsobuje zkreslení signálu. Proto by hodnota impedance vodičů na vysokorychlostních deskách plošných spojů měla být řízena v určitém rozsahu, který se nazývá „řízení impedance“.

Impedance vodičů desek plošných spojů je určena jejich induktivní a kapacitní indukčností, odporem a koeficientem vodivosti. Mezi faktory, které ovlivňují impedanci zapojení desek plošných spojů, patří zejména šířka a tloušťka měděného drátu, dielektrická konstanta a tloušťka média, tloušťka pájecí plošky, dráha zemnícího vodiče a zapojení kolem vodiče atd. Rozsah impedance desek plošných spojů je 25 až 120 ohmů.

V praxi se přenosové vedení na deskách plošných spojů (PCB) obvykle skládají z drátové stopy, jedné nebo více referenčních vrstev a izolačních materiálů. Stopa a vrstva tvoří řídicí impedanci. Desky plošných spojů často používají vícevrstvé struktury a řízení impedance lze také konstruovat různými způsoby. Bez ohledu na použitou metodu však bude hodnota impedance určena její fyzickou strukturou a elektronickými vlastnostmi izolačního materiálu:

Mikropáskový vodič je pásek drátu, který označuje přenosové vedení, u kterého má pouze jedna strana referenční rovinu. Horní a boční strany jsou vystaveny vzduchu (nebo jsou potaženy) a jsou umístěny na povrchu desky plošných spojů s izolační konstantou Er, přičemž referenční rovinou je napájecí nebo zemnící vrstva. Jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Poznámka: Při skutečné výrobě desek plošných spojů (PCB) továrna na DPS obvykle nanáší na povrch desky vrstvu zeleného inkoustu. Proto se při skutečných výpočtech impedance pro povrchové mikropáskové linky obvykle používá model zobrazený na následujícím obrázku.

Páskové vedení je pásek drátu umístěný mezi dvěma referenčními rovinami, jak je znázorněno na následujícím obrázku. Dielektrické konstanty dielektrika představované H1 a H2 se mohou lišit.

Výše uvedené dva případy jsou pouze typickou ukázkou mikropáskových a páskových vedení, které se obvykle používají pro učení vestavěného inteligentního hardwaru IoT a dalších systémů. Existuje mnoho specifických typů mikropáskových a páskových vedení, jako například potažené mikropáskové vedení, které souvisí se specifickou strukturou vrstvení desek plošných spojů.

Rovnice použitá k výpočtu charakteristické impedance vyžaduje složité matematické výpočty, obvykle s využitím metod řešení pole, včetně analýzy okrajových prvků. Proto s použitím specializovaného softwaru pro výpočet impedance SI9000 stačí kontrolovat parametry charakteristické impedance:

Dielektrická konstanta Er izolační vrstvy, šířka vodiče W1 a W2 (lichoběžníkový průřez), tloušťka vodiče T a tloušťka izolační vrstvy H.

W – navržená šířka čáry

A – úbytek leptáním (viz tabulka výše)

Důvodem nekonzistentní šířky mezi horní a dolní částí čáry je to, že během výrobního procesu desek plošných spojů dochází ke korozi shora dolů, což má za následek lichoběžníkový tvar zkorodované čáry.

Mezi tloušťkou čáry T a tloušťkou mědi této vrstvy existuje odpovídající vztah, který je následující:

* Vzhledem k malému vlivu tloušťky pájecí masky na impedanci se předpokládá konstantní hodnota 0,5 mil.

Řízení impedance můžeme dosáhnout řízením těchto parametrů. Na příkladu spodní desky plošných spojů Anwei si vysvětlíme kroky řízení impedance a použití SI9000:

Druhá vrstva je zemnící rovina, pátá vrstva je napájecí rovina a zbývající vrstvy jsou signálové vrstvy.

Vysvětlení: Dielektrikum mezi mezivrstvami je FR-4 s dielektrickou konstantou 4,2; Horní a spodní vrstva jsou holé vrstvy, které přicházejí do přímého kontaktu se vzduchem, a dielektrická konstanta vzduchu je 1.

Návrháři desek plošných spojů mohou plně využít hierarchickou strukturu desek plošných spojů k dosažení řízení impedance. Umístěním různých signálových vrstev do různých pozic vrstev lze efektivně řídit mezivrstvovou kapacitu a indukčnost. Obecně řečeno, vnitřní vrstva používá materiály s vysokou impedancí a vnější vrstva používá materiály s nízkou impedancí, aby se snížil dopad odrazů a přeslechů.

Diferenciální signálové přenosové linky mohou zajistit lepší odolnost proti rušení a nižší riziko přeslechů. Diferenciální signálové přenosové linky jsou dvojice paralelních vodičů s opačným napětím, ale stejnými rozměry, což může zajistit lepší integritu signálu a odolnost proti rušení. Impedance diferenciálních signálových přenosových linek je obvykle řízena výběrem rozteče vedení, šířky a zemnící roviny.

Geometrické parametry, jako je šířka, rozteč a uspořádání čar na desce plošných spojů, lze také použít k řízení impedance. U běžných mikropáskových vedení může silnější šířka vedení a větší rozteč vedení snížit impedanci. U koaxiálních vedení mohou menší vnitřní průměry vedení a větší vnější poloměry vedení impedanci zvýšit. Výběr geometrie zapojení vyžaduje optimalizaci na základě specifických požadavků na impedanci a frekvence signálu.

Dielektrická konstanta materiálů desek plošných spojů (PCB) také ovlivňuje impedanci. Součástí řízení impedance je výběr materiálů se stabilními dielektrickými vlastnostmi. Ve vysokofrekvenčních a vysokorychlostních aplikacích se běžně používané materiály zahrnují FR-4 (desky vyztužené skelnými vlákny), PTFE (polytetrafluorethylen) a RF (vysokofrekvenční) lamináty.

Před návrhem desek plošných spojů mohou simulační a návrhové nástroje pomoci návrhářům rychle a přesně ověřit a optimalizovat impedanci. Tyto nástroje dokáží simulovat chování obvodů, ztráty přenosu signálu a elektromagnetické interakce a určit tak optimální parametry návrhu desek plošných spojů. Mezi běžné simulační nástroje patří CST Studio Suite, HyperLynx a ADS.

Řízení impedance desek plošných spojů hraje klíčovou roli ve vysokorychlostních digitálních a analogových obvodech. Díky rozumnému hierarchickému návrhu, použití diferenciálních signálových přenosových vedení, řízení geometrie zapojení, výběru vhodných materiálů desek plošných spojů a použití simulačních a návrhových nástrojů lze dosáhnout přesného řízení impedance, čímž se zlepší výkon obvodu a integrita signálu.