Mikä on impedanssisäätö ja miten impedanssisäätö suoritetaan piirilevyillä

Nykyaikaisten elektronisten laitteiden suunnittelussa piirilevyillä on ratkaiseva rooli. Piirilevyjen suorituskyky vaikuttaa suoraan koko elektronisen järjestelmän vakauteen, luotettavuuteen ja siirtotehokkuuteen. Näistä impedanssin säätö on tärkeä osa piirilevysuunnittelua. Koska nykyaikaisilla digitaalisilla piireillä on lyhyemmät signaalinsiirtoajat ja korkeammat kellotaajuudet, piirilevyjen johtimet eivät ole enää yksinkertaisia ​​liitäntöjä, vaan vastaavasti siirtolinjoja. Piirilevyjen impedanssin säätö tarkoittaa signaalien siirtonopeuden ja impedanssin sovituksen säätämistä piirilevyllä signaalinsiirron laadun ja vakauden varmistamiseksi.

Käytännön tilanteissa on tarpeen säätää jäljitysimpedanssia, kun digitaalinen rajanopeus on suurempi kuin 1 ns tai analoginen taajuus ylittää 300 MHz. Yksi piirilevyjälkien keskeisistä parametreista on niiden ominaisimpedanssi (eli jännitteen ja virran suhde, kun aalto lähetetään signaalin siirtolinjaa pitkin). Piirilevyjen johtimien ominaisimpedanssi on tärkeä piirilevysuunnittelun indikaattori. Erityisesti suurtaajuisten piirilevyjen suunnittelussa on tarpeen ottaa huomioon, onko johtimen ominaisimpedanssi yhdenmukainen laitteen tai signaalin vaaditun ominaisimpedanssin kanssa tai vastaako se sitä. Tähän liittyy kaksi käsitettä: impedanssin säätö ja impedanssin sovitus. Tämä artikkeli keskittyy impedanssin säätöön ja pinosuunnitteluun.

Piirilevyn johtimissa kulkee erilaisia ​​signaaleja. Signaalinsiirtonopeuden parantamiseksi sen taajuutta on nostettava. Itse piirin impedanssiarvo vaihtelee esimerkiksi syövytyksen, kerroksen paksuuden ja johtimen leveyden vuoksi, mikä aiheuttaa signaalin vääristymistä. Siksi suurnopeuspiirilevyjen johtimien impedanssiarvoa tulisi säätää tietyllä alueella, jota kutsutaan "impedanssin säädöksi".

Piirilevyjohtimien impedanssi määräytyy niiden induktiivisen ja kapasitiivisen induktanssin, resistanssin ja johtavuuskertoimen perusteella. Piirilevyjohtimien impedanssiin vaikuttavia tekijöitä ovat pääasiassa kuparilangan leveys ja paksuus, väliaineen dielektrinen vakio ja paksuus, juotosalustan paksuus, maadoitusjohtimen reitti ja johdotuksen ympärillä olevat johdot jne. Piirilevyn impedanssialue on 25–120 ohmia.

Käytännössä piirilevyjen siirtolinjat koostuvat tyypillisesti johdinjäljestä, yhdestä tai useammasta referenssikerroksesta ja eristemateriaaleista. Jälki ja kerros muodostavat ohjausimpedanssin. Piirilevyillä on usein monikerroksisia rakenteita, ja impedanssin säätö voidaan myös rakentaa eri tavoin. Käytetystä menetelmästä riippumatta impedanssin arvo määräytyy kuitenkin sen fyysisen rakenteen ja eristemateriaalin sähköisten ominaisuuksien perusteella:

Mikroliuska on johdinliuska, joka viittaa siirtolinjaan, jossa vain toisella puolella on referenssitaso. Yläosa ja sivut ovat kosketuksissa ilmaan (tai päällystetty) ja sijaitsevat eristysvakion omaavan Er-piirilevyn pinnalla, ja teho- tai maadoituskerros toimii referenssinä. Kuten seuraavassa kuvassa näkyy:

Huomautus: Varsinaisessa piirilevyvalmistuksessa piirilevytehdas yleensä päällystää piirilevyn pinnan vihreällä musteella. Siksi todellisissa impedanssilaskelmissa käytetään yleensä seuraavassa kuvassa esitettyä mallia pintamikroliuskajohtimille.

Liuskajohto on kahden referenssitason väliin sijoitettu johdinkaistale, kuten seuraavassa kuvassa on esitetty. H1:n ja H2:n edustaman dielektrisen aineen dielektrisyysvakiot voivat olla erilaiset.

Yllä olevat kaksi tapausta ovat vain tyypillisiä esimerkkejä mikroliuskoista ja liuskajohtimista, joita yleensä käytetään sulautettujen IoT-älykkäiden laitteistojen ja muiden järjestelmien oppimiseen. Mikroliuskoja ja liuskajohtimia on monenlaisia, kuten pinnoitettuja, jotka liittyvät piirilevyjen erityiseen pinoamisrakenteeseen.

Ominaisimpedanssin laskemiseen käytetty yhtälö vaatii monimutkaisia ​​matemaattisia laskelmia, joissa yleensä käytetään kenttäratkaisumenetelmiä, mukaan lukien reunaelementtianalyysi. Siksi käyttämällä erikoistunutta impedanssin laskentaohjelmistoa SI9000 meidän tarvitsee vain hallita ominaisimpedanssin parametreja:

Eristyskerroksen dielektrinen vakio Er, johdotuksen leveydet W1 ja W2 (puolisuunnikkaan muotoiset), johdotuksen paksuus T ja eristyskerroksen paksuus H.

W – suunniteltu viivanleveys

A – syövytyshäviö (katso yllä oleva taulukko)

Linjan ylä- ja alareunan välisen epätasaisen leveyden syynä on se, että piirilevyjen valmistusprosessin aikana korroosiota esiintyy ylhäältä alas, mikä johtaa syöpyneen linjan puolisuunnikkaan muotoon.

Viivan paksuuden T ja tämän kerroksen kuparipaksuuden välillä on vastaava suhde seuraavasti:

* Juotosmaskin paksuuden pienen vaikutuksen impedanssiin vuoksi sen oletetaan olevan vakioarvo 0,5 mil.

Voimme saavuttaa impedanssin säädön ohjaamalla näitä parametreja. Käyttämällä esimerkkinä Anwei'n pohjapiirilevyä, selitämme impedanssin säädön vaiheet ja SI9000:n käytön:

Toinen kerros on maataso, viides kerros on tehotaso ja loput kerrokset ovat signaalikerroksia.

Selitys: Välikerrosten välinen dielektrisyys on FR-4, jonka dielektrisyysvakio on 4,2; Ylä- ja alakerrokset ovat paljaita kerroksia, jotka joutuvat suoraan kosketuksiin ilman kanssa, ja ilman dielektrisyysvakio on 1.

Piirilevyjen suunnittelijat voivat hyödyntää täysin piirilevyjen hierarkkista rakennetta impedanssin säätöön. Sijoittamalla eri signaalikerrokset eri kerrospaikoille voidaan tehokkaasti säätää kerrosten välistä kapasitanssia ja induktanssia. Yleisesti ottaen sisäkerroksessa käytetään korkean impedanssin materiaaleja ja ulkokerroksessa matalan impedanssin materiaaleja heijastusten ja ylikuulumisen vaikutuksen vähentämiseksi.

Differentiaalisignaalin siirtolinjat voivat tarjota paremman häiriönsietokyvyn ja pienemmän ylikuulumisriskin. Differentiaalisignaalin siirtolinjat ovat pari rinnakkaisia ​​johtimia, joilla on vastakkaiset jännitteet, mutta samankokoiset johtimet, mikä voi tarjota paremman signaalin eheyden ja häiriönsietokyvyn. Differentiaalisignaalin siirtolinjojen impedanssia säädetään yleensä valitsemalla linjaväli, leveys ja maataso.

Myös geometrisia parametreja, kuten piirilevyn viivan leveyttä, välistystä ja asettelua, voidaan käyttää impedanssin säätämiseen. Yleisissä mikroliuskajohtimissa paksumpi viivan leveys ja suurempi välistys voivat pienentää impedanssia. Koaksiaalijohtimissa pienemmät sisäjohtimen halkaisijat ja suuremmat ulkojohtimen säteet voivat lisätä impedanssia. Johdotusgeometrian valinta vaatii optimointia tiettyjen impedanssivaatimusten ja signaalitaajuuden perusteella.

Myös piirilevymateriaalien dielektrisyysvakio vaikuttaa impedanssiin. Vakaiden dielektristen ominaisuuksien omaavien materiaalien valitseminen on osa impedanssin hallintaa. Suurtaajuisissa ja suurnopeussovelluksissa yleisesti käytettyjä materiaaleja ovat FR-4 (lasikuituvahvisteinen levy), PTFE (polytetrafluorieteeni) ja RF (radiotaajuus) -laminaatit.

Ennen piirilevysuunnittelua simulointi- ja suunnittelutyökalujen käyttö voi auttaa suunnittelijoita nopeasti ja tarkasti tarkistamaan ja optimoimaan impedanssin. Nämä työkalut voivat simuloida piirin käyttäytymistä, signaalinsiirtohäviöitä ja sähkömagneettisia vuorovaikutuksia optimaalisten piirilevysuunnitteluparametrien määrittämiseksi. Joitakin yleisiä simulointityökaluja ovat CST Studio Suite, HyperLynx ja ADS.

Piirilevyjen impedanssin säätö on ratkaisevassa roolissa nopeissa digitaalisissa ja analogisissa piireissä. Kohtuullisen hierarkkisen suunnittelun, differentiaalisten signaalinsiirtolinjojen käytön, johdotusgeometrian hallinnan, sopivien piirilevymateriaalien valinnan sekä simulointi- ja suunnittelutyökalujen käytön avulla voidaan saavuttaa tarkka impedanssin säätö, mikä parantaa piirin suorituskykyä ja signaalin eheyttä.