Mis on impedantsi juhtimine ja kuidas impedantsi juhtimist trükkplaatidel teostada?

Kaasaegsete elektroonikaseadmete disainimisel mängivad trükkplaadid olulist rolli. Trükkplaatide jõudlus mõjutab otseselt kogu elektroonilise süsteemi stabiilsust, töökindlust ja ülekande efektiivsust. Nende hulgas on impedantsi juhtimine trükkplaatide disaini oluline osa. Kuna tänapäevastel digitaalahelatel on lühem signaali edastusaeg ja kõrgem taktsagedus, ei ole trükkplaadi jäljed enam lihtsad ühendused, vaid vastavalt ülekandeliinid. Trükkplaadi impedantsi juhtimine viitab signaalide edastuskiiruse ja impedantsi sobitamise juhtimisele trükkplaadil, et tagada signaali edastamise kvaliteet ja stabiilsus.

Praktikas on vaja jälje impedantsi kontrollida, kui digitaalne piirkiirus on suurem kui 1 ns või analoogsagedus ületab 300 MHz. Üks trükkplaadi jälje põhiparameetreid on selle iseloomulik impedants (st pinge ja voolu suhe, kui laine edastatakse mööda signaali ülekandeliini). Trükkplaatidel olevate juhtmete iseloomulik impedants on trükkplaatide disaini oluline näitaja. Eriti kõrgsageduslike trükkplaatide disaini puhul on vaja arvestada, kas juhtme iseloomulik impedants on kooskõlas seadme või signaali nõutava iseloomuliku impedantsiga või vastab sellele. See hõlmab kahte mõistet: impedantsi juhtimist ja impedantsi sobitamist. See artikkel keskendub impedantsi juhtimise ja virnakujunduse küsimustele.

Trükkplaadi juhtides edastatakse mitmesuguseid signaale. Edastuskiiruse parandamiseks tuleb suurendada selle sagedust. Vooluahela enda impedantsi väärtus varieerub selliste tegurite tõttu nagu söövitamine, kihi paksus ja juhtme laius jne, põhjustades signaali moonutusi. Seetõttu tuleks kiirete trükkplaatide juhtide impedantsi väärtust teatud vahemikus reguleerida, mida nimetatakse "impedantsi reguleerimiseks".

Trükkplaadi jälgede impedantsi määravad nende induktiivne ja mahtuvuslik induktiivsus, takistus ja juhtivuskoefitsient. Trükkplaadi juhtmestiku impedantsi mõjutavad peamiselt vasktraadi laius ja paksus, keskkonna dielektriline konstant ja paksus, jootepadja paksus, maandusjuhtme teekond ja juhtmestikku ümbritsev juhtmestik jne. Trükkplaadi impedantsi vahemik on 25–120 oomi.

Praktikas koosnevad trükkplaatide ülekandeliinid tavaliselt juhtmestikust, ühest või mitmest tugikihist ja isolatsioonimaterjalidest. Jälg ja kiht moodustavad juhttakistuse. Trükkplaadid kasutavad sageli mitmekihilisi struktuure ja ka impedantsi juhtimist saab konstrueerida mitmel viisil. Kuid olenemata kasutatavast meetodist määrab impedantsi väärtuse selle füüsiline struktuur ja isolatsioonimaterjali elektroonilised omadused:

Mikroriba on juhtmeriba, mis tähistab ülekandeliini, millel on ainult ühel küljel võrdlustasand. Ülemine ja külgmised küljed on õhuga kokkupuutes (või kaetud) ja asuvad isolatsioonikonstandi Er trükkplaadi pinnal, kusjuures võrdluskihiks on toite- või maanduskiht. Nagu on näidatud järgmisel joonisel:

Märkus: Trükkplaatide tegelikul tootmisel katab trükkplaatide tehas tavaliselt trükkplaatide pinna rohelise tindikihiga. Seetõttu kasutatakse tegeliku impedantsi arvutustes pinnapealsete mikroribaliinide jaoks tavaliselt järgmisel joonisel kujutatud mudelit.

Ribaliin on kahe võrdlustasandi vahele asetatud juhtmeriba, nagu on näidatud järgmisel joonisel. H1 ja H2-ga esindatud dielektriku dielektrilised konstandid võivad olla erinevad.

Ülaltoodud kaks juhtumit on vaid tüüpiline näide mikroribadest ja ribaliinidest, mida tavaliselt kasutatakse sisseehitatud IoT intelligentse riistvara ja muude süsteemide õppimiseks. Mikroribasid ja ribaliine on palju spetsiifilisi tüüpe, näiteks kaetud mikroribad, mis on seotud trükkplaatide spetsiifilise virnastusstruktuuriga.

Karakteristiku impedantsi arvutamiseks kasutatav võrrand nõuab keerukaid matemaatilisi arvutusi, tavaliselt väljalahendusmeetodeid, sealhulgas piirelementide analüüsi. Seetõttu on spetsiaalse impedantsi arvutamise tarkvara SI9000 abil vaja vaid karakteristliku impedantsi parameetreid kontrollida:

Isolatsioonikihi dielektriline konstant Er, juhtmestiku laius W1 ja W2 (trapetsikujuline), juhtmestiku paksus T ja isolatsioonikihi paksus H.

W – kavandatud joone laius

A – söövituskadu (vt ülaltoodud tabelit)

Joone ülemise ja alumise osa vahelise ebajärjekindla laiuse põhjus on see, et trükkplaatide tootmisprotsessi käigus toimub korrosioon ülevalt alla, mille tulemuseks on korrodeerunud joone trapetsikujuline kuju.

Joone paksuse T ja selle kihi vase paksuse vahel on vastav seos järgmiselt:

* Jootemaski paksuse väikese mõju tõttu impedantsile eeldatakse, et see on konstantne väärtus 0,5 mil.

Nende parameetrite juhtimise abil saame saavutada impedantsi juhtimise. Anwei alumise trükkplaadi näitel selgitame impedantsi juhtimise samme ja SI9000 kasutamist:

Teine kiht on maanduskiht, viies kiht on toitekiht ja ülejäänud kihid on signaalikihid.

Selgitus: Vahekihtide vaheline dielektrik on FR-4, dielektrilise konstandiga 4,2; ülemine ja alumine kiht on paljad kihid, mis puutuvad otseselt kokku õhuga ja õhu dielektriline konstant on 1.

PCB-disainerid saavad PCB-de hierarhilist struktuuri täielikult ära kasutada impedantsi kontrollimiseks. Erinevate signaalikihtide paigutamine erinevatesse kihtide positsioonidesse võimaldab tõhusalt kontrollida kihtidevahelist mahtuvust ja induktiivsust. Üldiselt kasutatakse sisekihis suure impedantsiga materjale ja välimises kihis madala impedantsiga materjale, et vähendada peegelduse ja läbikoste mõju.

Diferentsiaalsignaali ülekandeliinid pakuvad paremat häiretevastast võimet ja väiksemat läbikosteohtu. Diferentsiaalsignaali ülekandeliinid on paralleelsete vastaspingetega, kuid võrdse suurusega juhtmete paar, mis tagab parema signaali terviklikkuse ja häiretevastase võime. Diferentsiaalsignaali ülekandeliinide impedantsi kontrollitakse tavaliselt liinide vahekauguse, laiuse ja maandustasandi valiku abil.

Geomeetrilisi parameetreid, nagu trükkplaadi joone laius, vahekaugus ja paigutus, saab kasutada ka impedantsi juhtimiseks. Tavaliste mikroribaliinide puhul võivad paksem joone laius ja suurem vahekaugus impedantsi vähendada. Koaksiaalliinide puhul võivad väiksemad sisemised joone läbimõõdud ja suuremad välised joone raadiused impedantsi suurendada. Juhtmestiku geomeetria valik vajab optimeerimist, mis põhineb konkreetsetel impedantsi nõuetel ja signaali sagedusel.

PCB-materjalide dielektriline konstant mõjutab ka impedantsi. Stabiilsete dielektriliste omadustega materjalide valimine on osa impedantsi juhtimisest. Kõrgsageduslikes ja kiiretes rakendustes on tavaliselt kasutatavate materjalide hulka kuuluvad FR-4 (klaaskiuga tugevdatud plaat), PTFE (polütetrafluoroetüleen) ja RF (raadiosageduslik) laminaat.

Enne trükkplaadi disainimist aitavad simulatsiooni- ja disainitööriistad disaineritel impedantsi kiiresti ja täpselt kontrollida ja optimeerida. Need tööriistad saavad simuleerida vooluringi käitumist, signaaliülekande kadusid ja elektromagnetilisi interaktsioone, et määrata kindlaks optimaalsed trükkplaadi disainiparameetrid. Mõned levinud simulatsioonitööriistad on CST Studio Suite, HyperLynx ja ADS.

Trükkplaadi impedantsi juhtimisel on kiirete digitaal- ja analoogahelate puhul oluline roll. Mõistliku hierarhilise disaini, diferentsiaalsignaali ülekandeliinide kasutamise, juhtmestiku geomeetria juhtimise, sobivate trükkplaadi materjalide valiku ning simulatsiooni- ja projekteerimisvahendite kasutamise abil on võimalik saavutada täpne impedantsi juhtimine, parandades seeläbi vooluahela jõudlust ja signaali terviklikkust.