Zer da inpedantzia-kontrola eta nola egin inpedantzia-kontrola PCBetan

Gaur egungo gailu elektronikoen diseinuan, PCBek funtsezko zeregina dute. PCBen errendimenduak zuzenean eragiten dio sistema elektroniko osoaren egonkortasunari, fidagarritasunari eta transmisio-eraginkortasunari. Horien artean, inpedantzia-kontrola PCB diseinuaren zati garrantzitsua da. Zirkuitu digital modernoek seinaleen transmisio-denbora laburragoak eta erloju-abiadura handiagoak dituztenez, PCBen trazak ez dira jada konexio soilak, baizik eta transmisio-lerroak. PCB inpedantzia-kontrolak PCBan dauden seinaleen transmisio-abiadura eta inpedantzia-egokitzapena kontrolatzea adierazten du, seinaleen transmisioaren kalitatea eta egonkortasuna bermatzeko.

Egoera praktikoetan, trazaduraren inpedantzia kontrolatu behar da abiadura marjinal digitala 1ns baino handiagoa denean edo maiztasun analogikoa 300MHz baino handiagoa denean. PCB trazaduraren parametro nagusietako bat bere inpedantzia karakteristikoa da (hau da, tentsioaren eta korrontearen arteko erlazioa, uhina seinalearen transmisio-lerroan zehar transmititzen denean). PCBetako kableen inpedantzia karakteristikoa PCB diseinuaren adierazle garrantzitsua da. Batez ere maiztasun handiko PCB diseinuan, kontuan hartu behar da kablearen inpedantzia karakteristikoa gailuaren edo seinalearen beharrezko inpedantzia karakteristikoarekin bat datorren edo bat datorren. Horrek 2 kontzeptu dakartza: inpedantzia kontrola eta inpedantzia egokitzea. Artikulu honek inpedantzia kontrolaren eta pilaren diseinuaren gaietan jartzen du arreta.

Hainbat seinale transmititzen dira PCBaren eroaleetan. Transmisio-abiadura hobetzeko, maiztasuna handitu behar da. Zirkuituaren inpedantzia-balioa aldatu egiten da grabatzearen, geruzaren lodieraren eta kablearen zabaleraren ondorioz, etab., eta horrek seinalearen distortsioa eragiten du. Beraz, abiadura handiko PCBetako eroaleen inpedantzia-balioa tarte jakin batean kontrolatu behar da, eta horri "inpedantzia-kontrola" deritzo.

PCB trazen inpedantzia haien induktantzia induktibo eta kapazitiboaren, erresistentziaren eta eroankortasun koefizientearen arabera zehazten da. PCB kableatuaren inpedantzian eragina duten faktoreen artean, batez ere, kobrezko kablearen zabalera eta lodiera, konstante dielektrikoa eta medioaren lodiera, soldadura-plakaren lodiera, lurrerako kablearen bidea eta kableatuaren inguruko kableatua daude, etab. PCB inpedantziaren tartea 25 eta 120 ohm artekoa da.

Praktikan, PCB transmisio-lineek normalean hari-trazadura bat, erreferentzia-geruza bat edo gehiago eta isolamendu-materialak dituzte. Trazadurak eta geruzak kontrol-inpedantzia osatzen dute. PCBek askotan geruza anitzeko egiturak hartzen dituzte, eta inpedantzia-kontrola ere modu askotan eraiki daiteke. Hala ere, erabilitako metodoa edozein dela ere, inpedantzia-balioa bere egitura fisikoak eta isolatzaile-materialaren propietate elektronikoek zehaztuko dute:

Mikrostrip bat transmisio-linea bati egiten dion erreferentzia-plano bat duen alde bakarra duen hari-zerrenda bat da. Goiko aldea eta alboak airearen eraginpean daude (edo estaliak daude) eta Er isolamendu konstanteko PCB baten gainazalean daude, potentzia- edo lur-geruza erreferentziatzat hartuta. Hurrengo irudian erakusten den bezala:

Oharra: Benetako PCB fabrikazioan, PCB fabrikak tinta berde geruza bat estaltzen du normalean PCBaren gainazalean. Beraz, benetako inpedantzia kalkuluetan, ondorengo irudian erakusten den eredua erabili ohi da gainazaleko mikrostrip lerroetarako.

Banda-lerroa bi erreferentzia-planoren artean jarritako alanbre-zerrenda bat da, hurrengo irudian erakusten den bezala. H1 eta H2-k irudikatutako dielektrikoaren konstante dielektrikoak desberdinak izan daitezke.

Goiko 2 kasuak mikrostrip eta stripline-en erakustaldi tipiko bat besterik ez dira, normalean IoT hardware adimendun txertatua eta beste sistema batzuk ikasteko erabiltzen direnak. Mikrostrip eta stripline mota espezifiko asko daude, hala nola estalitako mikrostrip-a, PCB-en pilatze-egitura espezifikoarekin erlazionatuta daudenak.

Inpedantzia karakteristikoa kalkulatzeko erabiltzen den ekuazioak kalkulu matematiko konplexuak behar ditu, normalean eremuak ebazteko metodoak erabiliz, mugako elementuen analisia barne. Beraz, SI9000 inpedantzia kalkulatzeko software espezializatua erabiliz, egin behar dugun guztia inpedantzia karakteristikoaren parametroak kontrolatzea da:

Isolamendu geruzaren konstante dielektrikoa Er, W1 eta W2 kableatuaren zabalera (trapezoidala), T kableatuaren lodiera eta H isolamendu geruzaren lodiera.

W – diseinatutako lerroaren zabalera

A – grabatze-galera (ikus goiko taula)

Lerroaren goialdearen eta behealdearen arteko zabalera ez-kongruentearen arrazoia da PCBen fabrikazio-prozesuan korrosioa goitik behera gertatzen dela, eta horrek lerro korrodituaren forma trapezoidala ematen duela.

T lerroaren lodieraren eta geruza honen kobrearen lodieraren arteko erlazio bat dago, honako hau:

* Soldadura-maskararen lodierak inpedantzian duen eragin txikia dela eta, 0,5 milimetroko balio konstantea dela suposatzen da.

Parametro hauek kontrolatuz inpedantzia kontrola lor dezakegu. Anwei-ren beheko PCBa adibide gisa hartuta, inpedantzia kontrolaren urratsak eta SI9000-ren erabilera azalduko ditugu:

Bigarren geruza lur-planoa da, bosgarrena potentzia-planoa, eta gainerako geruzak seinale-geruzak dira.

Azalpena: Tarteko geruzen arteko dielektrikoa FR-4 da, 4,2ko konstante dielektrikoarekin; Goiko eta beheko geruzak airearekin kontaktu zuzenean dauden geruza biluziak dira, eta airearen konstante dielektrikoa 1 da.

PCB diseinatzaileek PCBen egitura hierarkikoa guztiz erabil dezakete inpedantzia kontrolatzeko. Seinale geruza desberdinak geruza posizio desberdinetan jarriz, geruza arteko kapazitantzia eta induktantzia eraginkortasunez kontrola daitezke. Oro har, barneko geruzak inpedantzia handiko materialak erabiltzen ditu eta kanpoko geruzak inpedantzia baxuko materialak islapenaren eta diafoniaren eragina murrizteko.

Seinale diferentzialaren transmisio-lineek interferentziaren aurkako gaitasun hobea eta diafonia-arrisku txikiagoa eman dezakete. Seinale diferentzialaren transmisio-lineak tentsio kontrakoak baina tamaina berdinak dituzten hari paralelo pare bat dira, eta seinalearen osotasun hobea eta interferentziaren aurkako gaitasun hobea eman dezakete. Seinale diferentzialaren transmisio-lineen inpedantzia normalean lerro-tartea, zabalera eta lur-planoaren hautaketaren bidez kontrolatzen da.

PCB lerro-zabalera, tartea eta diseinua bezalako parametro geometrikoak ere erabil daitezke inpedantzia kontrolatzeko. Ohiko mikrostrip lerroetarako, lerro-zabalera lodiagoek eta tarte handiagoak inpedantzia murriztu dezakete. Koaxial lerroetarako, barne-lerro diametro txikiagoek eta kanpoko lerro erradio handiagoek inpedantzia handitu dezakete. Kableatu geometriaren hautaketak inpedantzia-eskakizun espezifikoetan eta seinale-maiztasunean oinarritutako optimizazioa eskatzen du.

PCB materialen konstante dielektrikoak ere inpedantzian eragina du. Propietate dielektriko egonkorrak dituzten materialak aukeratzea inpedantzia-kontrolaren parte da. Maiztasun handiko eta abiadura handiko aplikazioetan, ohiko materialen artean daude FR-4 (beira-zuntzez indartutako taula), PTFE (politetrafluoroetilenoa) eta RF (irrati-maiztasuneko) laminatuak.

PCB bat diseinatu aurretik, simulazio eta diseinu tresnak erabiltzeak diseinatzaileei inpedantzia azkar eta zehaztasunez egiaztatzen eta optimizatzen lagun diezaieke. Tresna hauek zirkuituen portaera, seinaleen transmisio galerak eta elkarrekintza elektromagnetikoak simulatu ditzakete PCB diseinu parametro optimoak zehazteko. Simulazio tresna ohikoenetako batzuk CST Studio Suite, HyperLynx eta ADS dira.

PCB inpedantzia kontrolak funtsezko zeregina du abiadura handiko zirkuitu digital eta analogikoetan. Diseinu hierarkiko arrazoizkoaren, seinale diferentzialen transmisio-lineen erabileraren, kableatu-geometriaren kontrolaren, PCB material egokien hautaketaren eta simulazio- eta diseinu-tresnen erabileraren bidez, inpedantzia-kontrol zehatza lor daiteke, eta horrela zirkuituaren errendimendua eta seinalearen osotasuna hobetzen dira.