Que é o control de impedancia e como realizalo en placas de circuíto impreso (PCB)

No deseño de dispositivos electrónicos modernos, as placas de circuíto impreso (PCB) desempeñan un papel crucial. O rendemento das PCB afecta directamente á estabilidade, fiabilidade e eficiencia de transmisión de todo o sistema electrónico. Entre elas, o control de impedancia é unha parte importante do deseño das PCB. Dado que os circuítos dixitais modernos teñen tempos de transmisión de sinal máis curtos e velocidades de reloxo máis altas, as pistas das PCB xa non son simples conexións, senón liñas de transmisión correspondentes. O control de impedancia das PCB refírese a controlar a velocidade de transmisión e a adaptación de impedancias dos sinais na PCB para garantir a calidade e a estabilidade da transmisión do sinal.

En situacións prácticas, é necesario controlar a impedancia do trazado cando a velocidade marxinal dixital é superior a 1 ns ou a frecuencia analóxica supera os 300 MHz. Un dos parámetros clave do trazado dunha placa de circuíto impreso (PCB) é a súa impedancia característica (é dicir, a relación entre a tensión e a corrente cando a onda se transmite ao longo da liña de transmisión do sinal). A impedancia característica dos cables nas placas de circuíto impreso (PCB) é un indicador importante do deseño de PCB. Especialmente no deseño de PCB de alta frecuencia, é necesario considerar se a impedancia característica do cable é consistente ou coincide coa impedancia característica requirida do dispositivo ou sinal. Isto implica dous conceptos: control de impedancia e adaptación de impedancias. Este artigo céntrase nas cuestións do control de impedancia e o deseño de apilamentos.

Hai varios sinais transmitidos nos condutores da placa de circuíto impreso (PCB). Para mellorar a súa velocidade de transmisión, débese aumentar a súa frecuencia. O valor da impedancia do propio circuíto varía debido a factores como a gravación, o grosor da capa e o ancho do cable, etc., o que provoca distorsión do sinal. Polo tanto, o valor da impedancia dos condutores nas placas de circuíto impreso de alta velocidade debe controlarse dentro dun certo rango, o que se denomina "control de impedancia".

A impedancia das pistas da PCB está determinada pola súa inductancia indutiva e capacitiva, resistencia e coeficiente de condutividade. Os factores que afectan á impedancia do cableado da PCB inclúen principalmente o ancho e o grosor do cable de cobre, a constante dieléctrica e o grosor do medio, o grosor da almofada de soldadura, a traxectoria do cable de terra e o cableado arredor do cableado, etc. O rango de impedancia da PCB é de 25 a 120 ohmios.

Na práctica, as liñas de transmisión das placas de circuíto impreso (PCB) adoitan consistir nunha traza de fío, unha ou máis capas de referencia e materiais illantes. A traza e a capa constitúen a impedancia de control. As placas de circuíto impreso adoitan adoptar estruturas multicapa e o control de impedancia tamén se pode construír de varias maneiras. Non obstante, independentemente do método utilizado, o valor da impedancia virá determinado pola súa estrutura física e as propiedades electrónicas do material illante:

Unha microstrip é unha tira de arame que se refire a unha liña de transmisión cun só lado que ten un plano de referencia. A parte superior e os laterais están expostos ao aire (ou poden estar revestidos) e están situados na superficie dunha placa de circuíto impreso (PCB) de illamento constante Er, coa capa de alimentación ou de terra como referencia. Como se mostra na seguinte figura:

Nota: Na fabricación real de PCB, a fábrica de PCB adoita aplicar unha capa de tinta verde na superficie do PCB. Polo tanto, nos cálculos de impedancia reais, o modelo que se mostra na seguinte figura adoita empregarse para as liñas de microstrip superficial.

Unha liña de banda é unha tira de arame colocada entre 2 planos de referencia, como se mostra na seguinte figura. As constantes dieléctricas do dieléctrico representado por H1 e H2 poden ser diferentes.

Os dous casos anteriores son só unha demostración típica de microstrip e striplines, que se usan normalmente para a aprendizaxe de hardware intelixente de IoT integrado e outros sistemas. Existen moitos tipos específicos de microstrip e striplines, como as microstrip revestidas, que están relacionadas coa estrutura de apilamento específica das placas de circuíto impreso.

A ecuación empregada para calcular a impedancia característica require cálculos matemáticos complexos, que adoitan empregar métodos de resolución de campos, incluída a análise de elementos límite. Polo tanto, co uso do software especializado de cálculo de impedancias SI9000, todo o que precisamos facer é controlar os parámetros da impedancia característica:

A constante dieléctrica Er da capa de illamento, o ancho do cableado W1 e W2 (trapezoidal), o grosor do cableado T e o grosor da capa de illamento H.

W – ancho de liña deseñado

A – perda por gravado (véxase a táboa anterior)

A razón da anchura inconsistente entre a parte superior e inferior da liña é que durante o proceso de fabricación de PCB, a corrosión ocorre de arriba a abaixo, o que resulta nunha forma trapezoidal da liña corroída.

Existe unha relación correspondente entre o grosor da liña T e o grosor do cobre desta capa, como segue:

* Debido á pequena influencia do grosor da máscara de soldadura na impedancia, asúmese que é un valor constante de 0,5 mil.

Podemos conseguir o control da impedancia controlando estes parámetros. Tomando como exemplo a placa de circuíto impreso inferior de Anwei, explicaremos os pasos do control da impedancia e o uso de SI9000:

A segunda capa é o plano de terra, a quinta capa é o plano de potencia e as capas restantes son as capas de sinal.

Explicación: O dieléctrico entre as capas intermedias é FR-4, cunha constante dieléctrica de 4,2; as capas superior e inferior son capas espidas que entran en contacto directo co aire, e a constante dieléctrica do aire é 1.

Os deseñadores de PCB poden utilizar plenamente a estrutura xerárquica dos PCB para lograr o control da impedancia. Ao colocar diferentes capas de sinal en diferentes posicións de capa, a capacitancia e a inductancia entre capas poden controlarse eficazmente. En xeral, a capa interna usa materiais de alta impedancia e a capa externa usa materiais de baixa impedancia para reducir o impacto da reflexión e a diafonía.

As liñas de transmisión de sinal diferencial poden proporcionar unha mellor capacidade antiinterferencias e un menor risco de diafonía. As liñas de transmisión de sinal diferencial son un par de fíos paralelos con tensións opostas pero tamaños iguais, o que pode proporcionar unha mellor integridade do sinal e capacidade antiinterferencias. A impedancia das liñas de transmisión de sinal diferencial adoita controlarse mediante a selección do espazado entre liñas, a anchura e o plano de terra.

Os parámetros xeométricos como o ancho, o espazado e a disposición das liñas de circuíto impreso tamén se poden empregar para controlar a impedancia. Para as liñas microstrip comúns, un ancho de liña máis groso e un espazado maior poden reducir a impedancia. Para as liñas coaxiais, os diámetros de liña internos máis pequenos e os raios de liña externos máis grandes poden aumentar a impedancia. A selección da xeometría do cableado require unha optimización baseada en requisitos específicos de impedancia e frecuencia do sinal.

A constante dieléctrica dos materiais das placas de circuíto impreso (PCB) tamén afecta á impedancia. A elección de materiais con propiedades dieléctricas estables forma parte do control da impedancia. En aplicacións de alta frecuencia e alta velocidade, os materiais máis empregados inclúen FR-4 (placa reforzada con fibra de vidro), PTFE (politetrafluoroetileno) e laminados de RF (radiofrecuencia).

Antes do deseño de PCB, o uso de ferramentas de simulación e deseño pode axudar aos deseñadores a verificar e optimizar a impedancia de forma rápida e precisa. Estas ferramentas poden simular o comportamento dos circuítos, as perdas de transmisión de sinais e as interaccións electromagnéticas para determinar os parámetros óptimos de deseño de PCB. Algunhas ferramentas de simulación comúns inclúen CST Studio Suite, HyperLynx e ADS.

O control da impedancia das placas de circuíto impreso (PCB) xoga un papel crucial nos circuítos dixitais e analóxicos de alta velocidade. Mediante un deseño xerárquico razoable, o uso de liñas de transmisión de sinal diferencial, o control da xeometría do cableado, a selección de materiais axeitados para a PCB e o uso de ferramentas de simulación e deseño, pódese conseguir un control preciso da impedancia, mellorando así o rendemento do circuíto e a integridade do sinal.