Τι είναι ο έλεγχος σύνθετης αντίστασης και πώς να εκτελέσετε έλεγχο σύνθετης αντίστασης σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων

Στο σχεδιασμό σύγχρονων ηλεκτρονικών συσκευών, οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB) παίζουν κρίσιμο ρόλο. Η απόδοση των PCB επηρεάζει άμεσα τη σταθερότητα, την αξιοπιστία και την απόδοση μετάδοσης ολόκληρου του ηλεκτρονικού συστήματος. Μεταξύ αυτών, ο έλεγχος της σύνθετης αντίστασης είναι ένα σημαντικό μέρος του σχεδιασμού των PCB. Δεδομένου ότι τα σύγχρονα ψηφιακά κυκλώματα έχουν μικρότερους χρόνους μετάδοσης σήματος και υψηλότερους ρυθμούς ρολογιού, οι ιχνηλασίες των PCB δεν είναι πλέον απλές συνδέσεις, αλλά γραμμές μεταφοράς αντίστοιχα. Ο έλεγχος της σύνθετης αντίστασης των PCB αναφέρεται στον έλεγχο της ταχύτητας μετάδοσης και της αντιστοίχισης της σύνθετης αντίστασης των σημάτων στην PCB για να διασφαλιστεί η ποιότητα και η σταθερότητα της μετάδοσης σήματος.

Σε πρακτικές περιπτώσεις, είναι απαραίτητο να ελέγχεται η σύνθετη αντίσταση ίχνους όταν η ψηφιακή οριακή ταχύτητα είναι μεγαλύτερη από 1ns ή η αναλογική συχνότητα υπερβαίνει τα 300MHz. Μία από τις βασικές παραμέτρους της ίχνους PCB είναι η χαρακτηριστική της σύνθετη αντίσταση (δηλαδή ο λόγος τάσης προς ρεύμα όταν το κύμα μεταδίδεται κατά μήκος της γραμμής μετάδοσης σήματος). Η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση των καλωδίων στις PCB είναι ένας σημαντικός δείκτης του σχεδιασμού PCB. Ειδικά στο σχεδιασμό PCB υψηλής συχνότητας, είναι απαραίτητο να εξεταστεί εάν η χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση του καλωδίου είναι συμβατή με ή ταιριάζει με την απαιτούμενη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση της συσκευής ή του σήματος. Αυτό περιλαμβάνει 2 έννοιες: τον έλεγχο σύνθετης αντίστασης και την αντιστοίχιση σύνθετης αντίστασης. Αυτό το άρθρο εστιάζει στα ζητήματα του ελέγχου σύνθετης αντίστασης και του σχεδιασμού στοίβας.

Υπάρχουν διάφορα σήματα που μεταδίδονται στους αγωγούς της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB). Για να βελτιωθεί ο ρυθμός μετάδοσής της, πρέπει να αυξηθεί η συχνότητά της. Η τιμή της σύνθετης αντίστασης του ίδιου του κυκλώματος ποικίλλει λόγω παραγόντων όπως η χάραξη, το πάχος της στρώσης και το πλάτος του σύρματος κ.λπ., προκαλώντας παραμόρφωση του σήματος. Επομένως, η τιμή της σύνθετης αντίστασης των αγωγών στις πλακέτες τυπωμένου κυκλώματος υψηλής ταχύτητας πρέπει να ελέγχεται εντός ενός συγκεκριμένου εύρους, το οποίο ονομάζεται "έλεγχος σύνθετης αντίστασης".

Η σύνθετη αντίσταση των ιχνών PCB καθορίζεται από την επαγωγική και χωρητική επαγωγή τους, την αντίσταση και τον συντελεστή αγωγιμότητας. Οι παράγοντες που επηρεάζουν τη σύνθετη αντίσταση της καλωδίωσης PCB περιλαμβάνουν κυρίως το πλάτος και το πάχος του χάλκινου σύρματος, τη διηλεκτρική σταθερά και το πάχος του μέσου, το πάχος του συγκολλητικού μαξιλαριού, τη διαδρομή του σύρματος γείωσης και την καλωδίωση γύρω από την καλωδίωση, κ.λπ. Το εύρος της σύνθετης αντίστασης PCB είναι 25 έως 120 ohms.

Στην πράξη, οι γραμμές μεταφοράς PCB αποτελούνται συνήθως από ένα ίχνος καλωδίου, ένα ή περισσότερα στρώματα αναφοράς και μονωτικά υλικά. Το ίχνος και το στρώμα αποτελούν την αντίσταση ελέγχου. Τα PCB συχνά υιοθετούν πολυστρωματικές δομές και ο έλεγχος της αντίστασης μπορεί επίσης να κατασκευαστεί με διάφορους τρόπους. Ωστόσο, ανεξάρτητα από τη μέθοδο που χρησιμοποιείται, η τιμή της αντίστασης θα καθοριστεί από τη φυσική της δομή και τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του μονωτικού υλικού:

Μια μικρολωρίδα είναι μια λωρίδα σύρματος που αναφέρεται σε μια γραμμή μεταφοράς με μόνο μία πλευρά που έχει ένα επίπεδο αναφοράς. Η κορυφή και οι πλευρές είναι εκτεθειμένες στον αέρα (ή είναι επικαλυμμένες) και βρίσκονται στην επιφάνεια μιας πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος με σταθερά μόνωσης Er, με το στρώμα ισχύος ή γείωσης ως αναφορά. Όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα:

Σημείωση: Στην πραγματική κατασκευή τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB), το εργοστάσιο τυπωμένων κυκλωμάτων συνήθως επικαλύπτει την επιφάνεια της PCB με ένα στρώμα πράσινου μελανιού. Επομένως, στους πραγματικούς υπολογισμούς σύνθετης αντίστασης, το μοντέλο που φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα χρησιμοποιείται συνήθως για γραμμές μικρολωρίδας επιφάνειας.

Μια λωρίδα καλωδίων είναι μια λωρίδα σύρματος τοποθετημένη ανάμεσα σε 2 επίπεδα αναφοράς, όπως φαίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Οι διηλεκτρικές σταθερές του διηλεκτρικού που αντιπροσωπεύονται από τα H1 και H2 μπορεί να είναι διαφορετικές.

Οι παραπάνω 2 περιπτώσεις είναι απλώς μια τυπική επίδειξη μικροταινιών και λωρίδων, που χρησιμοποιούνται συνήθως για την εκμάθηση ενσωματωμένου έξυπνου υλικού IoT και άλλων συστημάτων. Υπάρχουν πολλοί συγκεκριμένοι τύποι μικροταινιών και λωρίδων, όπως οι επικαλυμμένες μικροταινίες, οι οποίοι σχετίζονται με τη συγκεκριμένη δομή στοίβαξης των PCB.

Η εξίσωση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της χαρακτηριστικής σύνθετης αντίστασης απαιτεί πολύπλοκους μαθηματικούς υπολογισμούς, συνήθως χρησιμοποιώντας μεθόδους επίλυσης πεδίου, συμπεριλαμβανομένης της ανάλυσης οριακών στοιχείων. Επομένως, χρησιμοποιώντας το εξειδικευμένο λογισμικό υπολογισμού σύνθετης αντίστασης SI9000, το μόνο που χρειάζεται να κάνουμε είναι να ελέγξουμε τις παραμέτρους της χαρακτηριστικής σύνθετης αντίστασης:

Η διηλεκτρική σταθερά Er του μονωτικού στρώματος, το πλάτος καλωδίωσης W1 και W2 (τραπεζοειδές), το πάχος καλωδίωσης T και το πάχος του μονωτικού στρώματος H.

W – σχεδιασμένο πλάτος γραμμής

A – απώλεια χάραξης (βλ. πίνακα παραπάνω)

Ο λόγος για το ασυνεπές πλάτος μεταξύ του άνω και του κάτω μέρους της γραμμής είναι ότι κατά τη διάρκεια της διαδικασίας κατασκευής των PCB, η διάβρωση συμβαίνει από πάνω προς τα κάτω, με αποτέλεσμα το τραπεζοειδές σχήμα της διαβρωμένης γραμμής.

Υπάρχει μια αντίστοιχη σχέση μεταξύ του πάχους γραμμής T και του πάχους χαλκού αυτού του στρώματος, ως εξής:

* Λόγω της μικρής επίδρασης του πάχους της μάσκας συγκόλλησης στην αντίσταση, θεωρείται ότι είναι μια σταθερή τιμή 0,5mil.

Μπορούμε να επιτύχουμε έλεγχο της σύνθετης αντίστασης ελέγχοντας αυτές τις παραμέτρους. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την κάτω πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος της Anwei, θα εξηγήσουμε τα βήματα ελέγχου της σύνθετης αντίστασης και τη χρήση του SI9000:

Το δεύτερο επίπεδο είναι το επίπεδο γείωσης, το πέμπτο επίπεδο είναι το επίπεδο ισχύος και τα υπόλοιπα επίπεδα είναι τα επίπεδα σήματος.

Εξήγηση: Το διηλεκτρικό μεταξύ των ενδιάμεσων στρωμάτων είναι FR-4, με διηλεκτρική σταθερά 4,2. Τα άνω και κάτω στρώματα είναι γυμνά στρώματα που έρχονται σε άμεση επαφή με τον αέρα και η διηλεκτρική σταθερά του αέρα είναι 1.

Οι σχεδιαστές PCB μπορούν να αξιοποιήσουν πλήρως την ιεραρχική δομή των PCB για να επιτύχουν έλεγχο της σύνθετης αντίστασης. Τοποθετώντας διαφορετικά στρώματα σήματος σε διαφορετικές θέσεις στρωμάτων, η χωρητικότητα και η επαγωγή μεταξύ των στρωμάτων μπορούν να ελεγχθούν αποτελεσματικά. Γενικά, το εσωτερικό στρώμα χρησιμοποιεί υλικά υψηλής σύνθετης αντίστασης και το εξωτερικό στρώμα χρησιμοποιεί υλικά χαμηλής σύνθετης αντίστασης για να μειώσει την επίδραση της ανάκλασης και της διασταυρούμενης ομιλίας.

Οι γραμμές μετάδοσης διαφορικού σήματος μπορούν να παρέχουν καλύτερη αντιπαρεμβατική ικανότητα και χαμηλότερο κίνδυνο αλληλοπαρεμβολών. Οι γραμμές μετάδοσης διαφορικού σήματος είναι ένα ζεύγος παράλληλων καλωδίων με αντίθετες τάσεις αλλά ίσα μεγέθη, τα οποία μπορούν να παρέχουν καλύτερη ακεραιότητα σήματος και αντιπαρεμβατική ικανότητα. Η σύνθετη αντίσταση των γραμμών μετάδοσης διαφορικού σήματος συνήθως ελέγχεται από την επιλογή της απόστασης μεταξύ των γραμμών, του πλάτους και του επιπέδου γείωσης.

Γεωμετρικές παράμετροι όπως το πλάτος, η απόσταση και η διάταξη της γραμμής PCB μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της σύνθετης αντίστασης. Για κοινές γραμμές μικρολωρίδας, το παχύτερο πλάτος γραμμής και η μεγαλύτερη απόσταση μπορούν να μειώσουν την σύνθετη αντίσταση. Για ομοαξονικές γραμμές, οι μικρότερες εσωτερικές διάμετροι γραμμής και οι μεγαλύτερες εξωτερικές ακτίνες γραμμής μπορούν να αυξήσουν την σύνθετη αντίσταση. Η επιλογή της γεωμετρίας καλωδίωσης απαιτεί βελτιστοποίηση με βάση τις συγκεκριμένες απαιτήσεις σύνθετης αντίστασης και τη συχνότητα σήματος.

Η διηλεκτρική σταθερά των υλικών PCB επηρεάζει επίσης την αντίσταση. Η επιλογή υλικών με σταθερές διηλεκτρικές ιδιότητες αποτελεί μέρος του ελέγχου της αντίστασης. Σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας και υψηλής ταχύτητας, τα υλικά που χρησιμοποιούνται συνήθως περιλαμβάνουν τα ελάσματα FR-4 (ενισχυμένη με υαλοβάμβακα), PTFE (πολυτετραφθοροαιθυλένιο) και RF (ραδιοσυχνότητες).

Πριν από το σχεδιασμό των PCB, η χρήση εργαλείων προσομοίωσης και σχεδιασμού μπορεί να βοηθήσει τους σχεδιαστές να επαληθεύσουν και να βελτιστοποιήσουν γρήγορα και με ακρίβεια την αντίσταση. Αυτά τα εργαλεία μπορούν να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά των κυκλωμάτων, τις απώλειες μετάδοσης σήματος και τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις για να προσδιορίσουν τις βέλτιστες παραμέτρους σχεδιασμού των PCB. Μερικά κοινά εργαλεία προσομοίωσης περιλαμβάνουν τα CST Studio Suite, HyperLynx και ADS.

Ο έλεγχος της σύνθετης αντίστασης των PCB παίζει κρίσιμο ρόλο στα ψηφιακά και αναλογικά κυκλώματα υψηλής ταχύτητας. Μέσω λογικού ιεραρχικού σχεδιασμού, της χρήσης διαφορικών γραμμών μετάδοσης σήματος, του ελέγχου της γεωμετρίας των καλωδιώσεων, της επιλογής κατάλληλων υλικών PCB και της χρήσης εργαλείων προσομοίωσης και σχεδιασμού, μπορεί να επιτευχθεί ακριβής έλεγχος της σύνθετης αντίστασης, βελτιώνοντας έτσι την απόδοση του κυκλώματος και την ακεραιότητα του σήματος.