کنترل امپدانس چیست و چگونه می‌توان کنترل امپدانس را روی بردهای مدار چاپی انجام داد؟

در طراحی دستگاه‌های الکترونیکی مدرن، بردهای مدار چاپی (PCB) نقش حیاتی ایفا می‌کنند. عملکرد بردهای مدار چاپی (PCB) مستقیماً بر پایداری، قابلیت اطمینان و راندمان انتقال کل سیستم الکترونیکی تأثیر می‌گذارد. در میان آنها، کنترل امپدانس بخش مهمی از طراحی برد مدار چاپی (PCB) است. از آنجایی که مدارهای دیجیتال مدرن زمان انتقال سیگنال کوتاه‌تر و نرخ کلاک بالاتری دارند، مسیرهای برد مدار چاپی دیگر اتصالات ساده‌ای نیستند، بلکه به ترتیب خطوط انتقال هستند. کنترل امپدانس برد مدار چاپی به کنترل سرعت انتقال و تطبیق امپدانس سیگنال‌ها روی برد مدار چاپی اشاره دارد تا کیفیت و پایداری انتقال سیگنال تضمین شود.

در شرایط عملی، کنترل امپدانس مسیر زمانی ضروری است که سرعت حاشیه‌ای دیجیتال بالاتر از ۱ نانوثانیه یا فرکانس آنالوگ از ۳۰۰ مگاهرتز فراتر رود. یکی از پارامترهای کلیدی مسیر PCB، امپدانس مشخصه آن است (یعنی نسبت ولتاژ به جریان هنگام انتقال موج در امتداد خط انتقال سیگنال). امپدانس مشخصه سیم‌ها روی PCBها یک شاخص مهم در طراحی PCB است. به خصوص در طراحی PCB با فرکانس بالا، لازم است در نظر گرفته شود که آیا امپدانس مشخصه سیم با امپدانس مشخصه مورد نیاز دستگاه یا سیگنال سازگار است یا خیر. این شامل ۲ مفهوم است: کنترل امپدانس و تطبیق امپدانس. این مقاله بر روی مسائل کنترل امپدانس و طراحی پشته تمرکز دارد.

سیگنال‌های مختلفی در رساناهای PCB منتقل می‌شوند. برای بهبود سرعت انتقال، فرکانس آن باید افزایش یابد. مقدار امپدانس مدار به دلیل عواملی مانند حکاکی، ضخامت لایه و عرض سیم و غیره تغییر می‌کند و باعث اعوجاج سیگنال می‌شود. بنابراین، مقدار امپدانس رساناها در PCB های پرسرعت باید در محدوده خاصی کنترل شود که به آن "کنترل امپدانس" می‌گویند.

امپدانس مسیرهای PCB توسط اندوکتانس القایی و خازنی، مقاومت و ضریب رسانایی آنها تعیین می‌شود. عواملی که بر امپدانس سیم‌کشی PCB تأثیر می‌گذارند، عمدتاً شامل عرض و ضخامت سیم مسی، ثابت دی‌الکتریک و ضخامت محیط، ضخامت پد لحیم، مسیر سیم زمین و سیم‌کشی اطراف سیم‌کشی و غیره هستند. محدوده امپدانس PCB بین 25 تا 120 اهم است.

در عمل، خطوط انتقال PCB معمولاً از یک مسیر سیم، یک یا چند لایه مرجع و مواد عایق تشکیل شده‌اند. مسیر و لایه، امپدانس کنترل را تشکیل می‌دهند. PCBها اغلب ساختارهای چند لایه را اتخاذ می‌کنند و کنترل امپدانس نیز می‌تواند به روش‌های مختلفی ساخته شود. با این حال، صرف نظر از روش مورد استفاده، مقدار امپدانس توسط ساختار فیزیکی آن و خواص الکترونیکی ماده عایق تعیین می‌شود:

میکرواستریپ نواری از سیم است که به خط انتقالی اشاره دارد که تنها یک طرف آن دارای صفحه مرجع است. قسمت بالا و طرفین در معرض هوا قرار دارند (یا روکش شده‌اند) و روی سطح یک PCB با عایق ثابت Er قرار گرفته‌اند و لایه برق یا زمین به عنوان مرجع در نظر گرفته شده است. همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است:

نکته: در ساخت واقعی برد مدار چاپی، کارخانه سازنده برد مدار چاپی معمولاً یک لایه جوهر سبز رنگ روی سطح برد مدار چاپی می پوشاند. بنابراین، در محاسبات امپدانس واقعی، معمولاً از مدل نشان داده شده در شکل زیر برای خطوط میکرواستریپ سطحی استفاده می شود.

یک خط نواری، نواری از سیم است که بین دو صفحه مرجع قرار گرفته است، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. ثابت‌های دی‌الکتریک دی‌الکتریک نشان داده شده با H1 و H2 می‌توانند متفاوت باشند.

دو مورد فوق فقط یک نمایش معمولی از میکرواستریپ و استریپ‌لاین‌ها هستند که معمولاً برای یادگیری سخت‌افزار هوشمند اینترنت اشیا تعبیه‌شده و سایر سیستم‌ها استفاده می‌شوند. انواع خاصی از میکرواستریپ و استریپ‌لاین‌ها وجود دارد، مانند میکرواستریپ روکش‌دار که مربوط به ساختار خاص روی هم چیدن PCBها هستند.

معادله مورد استفاده برای محاسبه امپدانس مشخصه نیاز به محاسبات ریاضی پیچیده‌ای دارد که معمولاً با استفاده از روش‌های حل میدانی، از جمله تحلیل المان مرزی، انجام می‌شود. بنابراین، با استفاده از نرم‌افزار تخصصی محاسبه امپدانس SI9000، تنها کاری که باید انجام دهیم کنترل پارامترهای امپدانس مشخصه است:

ثابت دی‌الکتریک Er لایه عایق، عرض سیم‌کشی W1 و W2 (ذوزنقه‌ای)، ضخامت سیم‌کشی T و ضخامت لایه عایق H.

W - عرض خط طراحی شده

الف – افت حکاکی (به جدول بالا مراجعه کنید)

دلیل عدم تطابق عرض بین بالا و پایین خط این است که در طول فرآیند تولید PCB، خوردگی از بالا به پایین رخ می‌دهد و در نتیجه خط خورده شده به شکل ذوزنقه‌ای در می‌آید.

رابطه‌ی متناظری بین ضخامت خط T و ضخامت مس این لایه به شرح زیر وجود دارد:

* با توجه به تأثیر اندک ضخامت پوشش لحیم بر امپدانس، فرض می‌شود که مقدار آن ثابت 0.5 میلی‌لیتر باشد.

ما می‌توانیم با کنترل این پارامترها به کنترل امپدانس دست یابیم. با در نظر گرفتن PCB پایینی Anwei به عنوان مثال، مراحل کنترل امپدانس و استفاده از SI9000 را توضیح خواهیم داد:

لایه دوم، صفحه زمین، لایه پنجم، صفحه قدرت و لایه‌های باقی‌مانده، لایه‌های سیگنال هستند.

توضیح: دی‌الکتریک بین لایه‌های میانی FR-4 با ثابت دی‌الکتریک ۴.۲ است؛ لایه‌های بالایی و پایینی، لایه‌های لختی هستند که در تماس مستقیم با هوا قرار می‌گیرند و ثابت دی‌الکتریک هوا ۱ است.

طراحان برد مدار چاپی می‌توانند از ساختار سلسله مراتبی بردهای مدار چاپی برای دستیابی به کنترل امپدانس به طور کامل استفاده کنند. با قرار دادن لایه‌های سیگنال مختلف در موقعیت‌های مختلف لایه، می‌توان ظرفیت و اندوکتانس بین لایه‌ای را به طور موثر کنترل کرد. به طور کلی، لایه داخلی از مواد امپدانس بالا و لایه بیرونی از مواد امپدانس پایین برای کاهش تأثیر انعکاس و تداخل استفاده می‌کند.

خطوط انتقال سیگنال دیفرانسیلی می‌توانند توانایی ضد تداخل بهتری و خطر تداخل کمتری را فراهم کنند. خطوط انتقال سیگنال دیفرانسیلی یک جفت سیم موازی با ولتاژهای مخالف اما اندازه‌های برابر هستند که می‌توانند یکپارچگی سیگنال و توانایی ضد تداخل بهتری را فراهم کنند. امپدانس خطوط انتقال سیگنال دیفرانسیلی معمولاً با انتخاب فاصله خطوط، عرض و صفحه زمین کنترل می‌شود.

پارامترهای هندسی مانند عرض خط PCB، فاصله و چیدمان نیز می‌توانند برای کنترل امپدانس استفاده شوند. برای خطوط میکرواستریپ رایج، عرض خط ضخیم‌تر و فاصله بزرگتر می‌تواند امپدانس را کاهش دهد. برای خطوط کواکسیال، قطر داخلی خط کوچکتر و شعاع خارجی خط بزرگتر می‌تواند امپدانس را افزایش دهد. انتخاب هندسه سیم‌کشی نیاز به بهینه‌سازی بر اساس الزامات امپدانس خاص و فرکانس سیگنال دارد.

ثابت دی‌الکتریک مواد PCB نیز بر امپدانس تأثیر می‌گذارد. انتخاب موادی با خواص دی‌الکتریک پایدار بخشی از کنترل امپدانس است. در کاربردهای فرکانس بالا و سرعت بالا، مواد رایج مورد استفاده شامل FR-4 (تخته تقویت‌شده با الیاف شیشه)، PTFE (پلی تترافلوئورواتیلن) ​​و لمینت‌های RF (فرکانس رادیویی) هستند.

قبل از طراحی برد مدار چاپی، استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی و طراحی می‌تواند به طراحان کمک کند تا به سرعت و با دقت امپدانس را تأیید و بهینه کنند. این ابزارها می‌توانند رفتار مدار، تلفات انتقال سیگنال و برهمکنش‌های الکترومغناطیسی را شبیه‌سازی کنند تا پارامترهای بهینه طراحی برد مدار چاپی را تعیین کنند. برخی از ابزارهای شبیه‌سازی رایج عبارتند از CST Studio Suite، HyperLynx و ADS.

کنترل امپدانس PCB نقش حیاتی در مدارهای دیجیتال و آنالوگ پرسرعت ایفا می‌کند. از طریق طراحی سلسله مراتبی معقول، استفاده از خطوط انتقال سیگنال دیفرانسیلی، کنترل هندسه سیم‌کشی، انتخاب مواد مناسب PCB و استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی و طراحی، می‌توان به کنترل دقیق امپدانس دست یافت و در نتیجه عملکرد مدار و یکپارچگی سیگنال را بهبود بخشید.