Hvad er impedanskontrol, og hvordan udføres impedanskontrol på printkort

I design af moderne elektroniske enheder spiller printkort (PCB) en afgørende rolle. PCB'ernes ydeevne påvirker direkte stabiliteten, pålideligheden og transmissionseffektiviteten af ​​hele det elektroniske system. Blandt andet er impedanskontrol en vigtig del af printkortdesign. Da moderne digitale kredsløb har kortere signaltransmissionstider og højere takthastigheder, er printkortspor ikke længere simple forbindelser, men tilsvarende transmissionslinjer. PCB-impedanskontrol refererer til at kontrollere transmissionshastigheden og impedanstilpasningen af ​​signaler på printkortet for at sikre kvaliteten og stabiliteten af ​​signaltransmissionen.

I praktiske situationer er det nødvendigt at kontrollere sporimpedansen, når den digitale marginalhastighed er højere end 1 ns, eller den analoge frekvens overstiger 300 MHz. En af nøgleparametrene for PCB-spor er dens karakteristiske impedans (dvs. forholdet mellem spænding og strøm, når bølgen transmitteres langs signaltransmissionslinjen). Den karakteristiske impedans af ledninger på printkort er en vigtig indikator for printkortdesign. Især i højfrekvent printkortdesign er det nødvendigt at overveje, om ledningens karakteristiske impedans er i overensstemmelse med eller matcher den krævede karakteristiske impedans for enheden eller signalet. Dette involverer to koncepter: impedanskontrol og impedanstilpasning. Denne artikel fokuserer på problemstillingerne omkring impedanskontrol og stakdesign.

Der transmitteres forskellige signaler i printpladens ledere. For at forbedre transmissionshastigheden skal frekvensen øges. Impedansværdien af ​​selve kredsløbet varierer på grund af faktorer som ætsning, lagtykkelse og ledningsbredde osv., hvilket forårsager signalforvrængning. Derfor bør impedansværdien af ​​ledere på højhastigheds-printplader styres inden for et bestemt område, der kaldes "impedanskontrol".

Impedansen af ​​PCB-spor bestemmes af deres induktive og kapacitive induktans, modstand og ledningsevnekoefficient. De faktorer, der påvirker impedansen af ​​PCB-ledninger, omfatter primært kobbertrådens bredde og tykkelse, mediets dielektriske konstant og tykkelse, loddepudens tykkelse, jordledningens bane og ledningerne omkring ledningerne osv. Intervallet for PCB-impedans er 25 til 120 ohm.

I praksis består printkorttransmissionslinjer typisk af en ledningsbane, et eller flere referencelag og isoleringsmaterialer. Banen og laget udgør kontrolimpedansen. Printkort anvender ofte flerlagsstrukturer, og impedansstyring kan også konstrueres på forskellige måder. Uanset den anvendte metode vil impedansværdien dog blive bestemt af dens fysiske struktur og isoleringsmaterialets elektroniske egenskaber:

En mikrostrip er en trådstrimmel, der refererer til en transmissionslinje, hvor kun én side har et referenceplan. Toppen og siderne er udsat for luft (eller er belagt) og er placeret på overfladen af ​​et printkort med isolationskonstant Er, med effekt- eller jordlaget som reference. Som vist i følgende figur:

Bemærk: Ved faktisk printkortproduktion påfører printkortfabrikken normalt et lag grønt blæk på printkortets overflade. Derfor anvendes modellen vist i følgende figur normalt til overflademikrostriplinjer i faktiske impedansberegninger.

En stripline er en strimmel tråd placeret mellem to referenceplaner, som vist i den følgende figur. De dielektriske konstanter for det dielektriske element repræsenteret af H1 og H2 kan være forskellige.

Ovenstående 2 tilfælde er blot en typisk demonstration af mikrostrip og stripliner, der normalt bruges til læring af indlejret IoT intelligent hardware og andre systemer. Der findes mange specifikke typer mikrostrip og stripliner, såsom coatede mikrostrip, som er relateret til den specifikke stablingsstruktur af printkort.

Ligningen, der bruges til at beregne karakteristisk impedans, kræver komplekse matematiske beregninger, normalt ved hjælp af feltløsningsmetoder, herunder randelementanalyse. Derfor skal vi blot kontrollere parametrene for den karakteristiske impedans ved hjælp af den specialiserede impedansberegningssoftware SI9000:

Isolationslagets dielektriske konstant Er, ledningsbredden W1 og W2 (trapezformet), ledningstykkelsen T og isoleringslagets tykkelse H.

W – designet linjebredde

A – ætsetab (se tabellen ovenfor)

Årsagen til den inkonsistente bredde mellem toppen og bunden af ​​linjen er, at der under fremstillingsprocessen af ​​printkort forekommer korrosion fra top til bund, hvilket resulterer i en trapezformet form på den korroderede linje.

Der er et tilsvarende forhold mellem linjetykkelsen T og kobbertykkelsen af ​​dette lag, som følger:

* På grund af den lille indflydelse af loddemasketykkelsen på impedansen antages det at være en konstant værdi på 0,5 mil.

Vi kan opnå impedanskontrol ved at kontrollere disse parametre. Med Anweis bundprintkort som eksempel vil vi forklare trinnene i impedanskontrol og brugen af ​​SI9000:

Det andet lag er jordplanet, det femte lag er effektplanet, og de resterende lag er signallagene.

Forklaring: Dielektriciteten mellem de mellemliggende lag er FR-4 med en dielektricitetskonstant på 4,2; De øverste og nederste lag er bare lag, der kommer i direkte kontakt med luft, og luftens dielektricitetskonstant er 1.

PCB-designere kan fuldt ud udnytte PCB'ernes hierarkiske struktur til at opnå impedanskontrol. Ved at placere forskellige signallag i forskellige lagpositioner kan mellemlagskapacitans og induktans styres effektivt. Generelt bruger det indre lag højimpedansmaterialer, og det ydre lag bruger lavimpedansmaterialer for at reducere effekten af ​​refleksion og krydstale.

Differentialsignaltransmissionslinjer kan give bedre anti-interferensevne og lavere risiko for krydstale. Differentialsignaltransmissionslinjer er et par parallelle ledninger med modsatte spændinger, men lige store, hvilket kan give bedre signalintegritet og anti-interferensevne. Impedansen af ​​differentialsignaltransmissionslinjer styres normalt af valget af linjeafstand, bredde og jordplan.

Geometriske parametre som PCB-linjebredde, -afstand og -layout kan også bruges til at styre impedansen. For almindelige mikrostriplinjer kan tykkere linjebredde og større afstand reducere impedansen. For koaksiale linjer kan mindre indre linjediametre og større ydre linjeradier øge impedansen. Valget af ledningsgeometri kræver optimering baseret på specifikke impedanskrav og signalfrekvens.

Den dielektriske konstant i printkortmaterialer påvirker også impedansen. Valg af materialer med stabile dielektriske egenskaber er en del af impedanskontrollen. I højfrekvente og højhastighedsapplikationer omfatter almindeligt anvendte materialer FR-4 (glasfiberforstærket plade), PTFE (polytetrafluorethylen) og RF (radiofrekvens) laminater.

Før printkortdesign kan brugen af ​​simulerings- og designværktøjer hjælpe designere med hurtigt og præcist at verificere og optimere impedans. Disse værktøjer kan simulere kredsløbsadfærd, signaltransmissionstab og elektromagnetiske interaktioner for at bestemme de optimale printkortdesignparametre. Nogle almindelige simuleringsværktøjer inkluderer CST Studio Suite, HyperLynx og ADS.

PCB-impedanskontrol spiller en afgørende rolle i digitale og analoge højhastighedskredsløb. Gennem et rimeligt hierarkisk design, brugen af ​​differentielle signaltransmissionslinjer, kontrol af ledningsgeometri, valg af passende PCB-materialer og brugen af ​​simulerings- og designværktøjer kan præcis impedanskontrol opnås, hvorved kredsløbets ydeevne og signalintegritet forbedres.