અવબાધ નિયંત્રણ શું છે અને PCB પર અવબાધ નિયંત્રણ કેવી રીતે કરવું

આધુનિક ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોની ડિઝાઇનમાં, PCBs મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. PCBs નું પ્રદર્શન સમગ્ર ઇલેક્ટ્રોનિક સિસ્ટમની સ્થિરતા, વિશ્વસનીયતા અને ટ્રાન્સમિશન કાર્યક્ષમતાને સીધી અસર કરે છે. તેમાંથી, અવબાધ નિયંત્રણ PCB ડિઝાઇનનો એક મહત્વપૂર્ણ ભાગ છે. આધુનિક ડિજિટલ સર્કિટમાં સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન સમય ઓછો અને ઘડિયાળ દર વધારે હોવાથી, PCB ટ્રેસ હવે સરળ જોડાણો નથી, પરંતુ અનુરૂપ ટ્રાન્સમિશન લાઇન છે. PCB અવબાધ નિયંત્રણ એ સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશનની ગુણવત્તા અને સ્થિરતા સુનિશ્ચિત કરવા માટે PCB પર સિગ્નલોની ટ્રાન્સમિશન ગતિ અને અવબાધ મેચિંગને નિયંત્રિત કરવાનો સંદર્ભ આપે છે.

વ્યવહારુ પરિસ્થિતિઓમાં, જ્યારે ડિજિટલ માર્જિનલ વેલોસિટી 1ns કરતા વધારે હોય અથવા એનાલોગ ફ્રીક્વન્સી 300MHz થી વધુ હોય ત્યારે ટ્રેસ ઇમ્પિડન્સને નિયંત્રિત કરવું જરૂરી છે. PCB ટ્રેસના મુખ્ય પરિમાણોમાંનું એક તેની લાક્ષણિક અવબાધ છે (એટલે ​​\u200b\u200bએ સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન લાઇન સાથે તરંગ પ્રસારિત થાય ત્યારે વોલ્ટેજ અને કરંટનો ગુણોત્તર). PCBs પર વાયરનો લાક્ષણિક અવબાધ એ PCB ડિઝાઇનનું એક મહત્વપૂર્ણ સૂચક છે. ખાસ કરીને ઉચ્ચ આવર્તન PCB ડિઝાઇનમાં, વાયરનો લાક્ષણિક અવબાધ ઉપકરણ અથવા સિગ્નલના જરૂરી લાક્ષણિક અવબાધ સાથે સુસંગત છે કે મેળ ખાય છે તે ધ્યાનમાં લેવું જરૂરી છે. આમાં 2 ખ્યાલો શામેલ છે: અવબાધ નિયંત્રણ અને અવબાધ મેચિંગ. આ લેખ અવબાધ નિયંત્રણ અને સ્ટેક ડિઝાઇનના મુદ્દાઓ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે.

PCB ના કંડક્ટરમાં વિવિધ સિગ્નલો પ્રસારિત થાય છે. તેના ટ્રાન્સમિશન રેટને સુધારવા માટે, તેની આવર્તન વધારવી આવશ્યક છે. સર્કિટનું ઇમ્પીડન્સ મૂલ્ય પોતે જ એચિંગ, લેયર જાડાઈ અને વાયર પહોળાઈ વગેરે જેવા પરિબળોને કારણે બદલાય છે, જેના કારણે સિગ્નલ વિકૃતિ થાય છે. તેથી, હાઇ-સ્પીડ PCB પર કંડક્ટરનું ઇમ્પીડન્સ મૂલ્ય ચોક્કસ શ્રેણીમાં નિયંત્રિત હોવું જોઈએ, જેને "ઇમ્પીડન્સ કંટ્રોલ" કહેવામાં આવે છે.

PCB ટ્રેસનો અવરોધ તેમના ઇન્ડક્ટિવ અને કેપેસિટીવ ઇન્ડક્ટન્સ, પ્રતિકાર અને વાહકતા ગુણાંક દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. PCB વાયરિંગના અવરોધને અસર કરતા પરિબળોમાં મુખ્યત્વે કોપર વાયરની પહોળાઈ અને જાડાઈ, માધ્યમની ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક અને જાડાઈ, સોલ્ડર પેડની જાડાઈ, ગ્રાઉન્ડ વાયરનો માર્ગ અને વાયરિંગની આસપાસ વાયરિંગ વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. PCB અવરોધની શ્રેણી 25 થી 120 ઓહ્મ છે.

વ્યવહારમાં, PCB ટ્રાન્સમિશન લાઇનમાં સામાન્ય રીતે વાયર ટ્રેસ, એક અથવા વધુ સંદર્ભ સ્તરો અને ઇન્સ્યુલેશન સામગ્રીનો સમાવેશ થાય છે. ટ્રેસ અને સ્તર નિયંત્રણ અવબાધ બનાવે છે. PCB ઘણીવાર બહુ-સ્તરીય માળખાં અપનાવે છે, અને અવબાધ નિયંત્રણ પણ વિવિધ રીતે બનાવી શકાય છે. જો કે, ઉપયોગમાં લેવાતી પદ્ધતિને ધ્યાનમાં લીધા વિના, અવબાધ મૂલ્ય તેની ભૌતિક રચના અને ઇન્સ્યુલેટિંગ સામગ્રીના ઇલેક્ટ્રોનિક ગુણધર્મો દ્વારા નક્કી કરવામાં આવશે:

માઇક્રોસ્ટ્રીપ એ વાયરની એક પટ્ટી છે જે ટ્રાન્સમિશન લાઇનનો ઉલ્લેખ કરે છે જેની ફક્ત એક બાજુ સંદર્ભ પ્લેન હોય છે. ટોચ અને બાજુઓ હવાના સંપર્કમાં હોય છે (અથવા કોટેડ હોય છે) અને ઇન્સ્યુલેશન કોન્સ્ટન્ટ Er PCB ની સપાટી પર સ્થિત હોય છે, જેમાં પાવર અથવા ગ્રાઉન્ડ લેયર સંદર્ભ તરીકે હોય છે. નીચેની આકૃતિમાં બતાવ્યા પ્રમાણે:

નોંધ: વાસ્તવિક PCB ઉત્પાદનમાં, PCB ફેક્ટરી સામાન્ય રીતે PCB ની સપાટી પર લીલી શાહીનો એક સ્તર કોટ કરે છે. તેથી, વાસ્તવિક અવબાધ ગણતરીઓમાં, નીચેના આકૃતિમાં બતાવેલ મોડેલનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે સપાટી માઇક્રોસ્ટ્રીપ લાઇન માટે થાય છે.

સ્ટ્રીપલાઇન એ બે સંદર્ભ વિમાનો વચ્ચે મૂકવામાં આવેલી વાયરની પટ્ટી છે, જેમ કે નીચેની આકૃતિમાં દર્શાવવામાં આવ્યું છે. H1 અને H2 દ્વારા દર્શાવવામાં આવેલા ડાઇલેક્ટ્રિકના ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંકો અલગ અલગ હોઈ શકે છે.

ઉપરોક્ત 2 કિસ્સાઓ માઇક્રોસ્ટ્રીપ અને સ્ટ્રીપલાઇન્સનું એક લાક્ષણિક પ્રદર્શન છે, જેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે એમ્બેડેડ IoT ઇન્ટેલિજન્ટ હાર્ડવેર અને અન્ય સિસ્ટમ્સના શિક્ષણ માટે થાય છે. કોટેડ માઇક્રોસ્ટ્રીપ જેવા ઘણા ચોક્કસ પ્રકારના માઇક્રોસ્ટ્રીપ અને સ્ટ્રીપલાઇન્સ છે, જે PCBs ના ચોક્કસ સ્ટેકીંગ માળખા સાથે સંબંધિત છે.

લાક્ષણિક અવબાધની ગણતરી કરવા માટે વપરાતા સમીકરણ માટે જટિલ ગાણિતિક ગણતરીઓની જરૂર પડે છે, સામાન્ય રીતે ક્ષેત્ર ઉકેલ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને, જેમાં સીમા તત્વ વિશ્લેષણનો સમાવેશ થાય છે. તેથી, વિશિષ્ટ અવબાધ ગણતરી સોફ્ટવેર SI9000 નો ઉપયોગ કરીને, આપણે ફક્ત લાક્ષણિક અવબાધના પરિમાણોને નિયંત્રિત કરવાની જરૂર છે:

ઇન્સ્યુલેશન સ્તરનો ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક Er, વાયરિંગ પહોળાઈ W1 અને W2 (ટ્રેપેઝોઇડલ), વાયરિંગ જાડાઈ T, અને ઇન્સ્યુલેશન સ્તરની જાડાઈ H.

W – ડિઝાઇન કરેલી રેખા પહોળાઈ

A – કોતરણી નુકશાન (ઉપરનું કોષ્ટક જુઓ)

લાઇનની ઉપર અને નીચે વચ્ચે અસંગત પહોળાઈનું કારણ એ છે કે PCBs ની ઉત્પાદન પ્રક્રિયા દરમિયાન, ઉપરથી નીચે સુધી કાટ લાગે છે, જેના પરિણામે કાટ લાગેલી લાઇનનો ટ્રેપેઝોઇડલ આકાર બને છે.

આ સ્તરની રેખા જાડાઈ T અને તાંબાની જાડાઈ વચ્ચે નીચે મુજબનો સંબંધ છે:

* સોલ્ડર માસ્કની જાડાઈનો અવબાધ પર ઓછો પ્રભાવ હોવાથી, તે 0.5mil નું સ્થિર મૂલ્ય માનવામાં આવે છે.

આ પરિમાણોને નિયંત્રિત કરીને આપણે અવબાધ નિયંત્રણ પ્રાપ્ત કરી શકીએ છીએ. ઉદાહરણ તરીકે Anwei ના નીચેના PCB ને લઈને, આપણે અવબાધ નિયંત્રણના પગલાં અને SI9000 ના ઉપયોગને સમજાવીશું:

બીજો સ્તર ગ્રાઉન્ડ પ્લેન છે, પાંચમો સ્તર પાવર પ્લેન છે, અને બાકીના સ્તરો સિગ્નલ સ્તરો છે.

સમજૂતી: મધ્યવર્તી સ્તરો વચ્ચેનો ડાઇલેક્ટ્રિક FR-4 છે, જેનો ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક 4.2 છે; ઉપરના અને નીચેના સ્તરો ખુલ્લા સ્તરો છે જે હવાના સીધા સંપર્કમાં આવે છે, અને હવાનો ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક 1 છે.

PCB ડિઝાઇનર્સ અવબાધ નિયંત્રણ પ્રાપ્ત કરવા માટે PCBs ના વંશવેલો માળખાનો સંપૂર્ણ ઉપયોગ કરી શકે છે. વિવિધ સિગ્નલ સ્તરોને વિવિધ સ્તરની સ્થિતિમાં મૂકીને, ઇન્ટરલેયર કેપેસીટન્સ અને ઇન્ડક્ટન્સને અસરકારક રીતે નિયંત્રિત કરી શકાય છે. સામાન્ય રીતે કહીએ તો, આંતરિક સ્તર ઉચ્ચ અવબાધ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે અને બાહ્ય સ્તર પ્રતિબિંબ અને ક્રોસસ્ટોકની અસર ઘટાડવા માટે ઓછી અવબાધ સામગ્રીનો ઉપયોગ કરે છે.

વિભેદક સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન લાઇન્સ વધુ સારી એન્ટિ-ઇન્ટરફરન્સ ક્ષમતા અને ઓછું ક્રોસટોક જોખમ પ્રદાન કરી શકે છે. વિભેદક સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન લાઇન્સ એ વિરુદ્ધ વોલ્ટેજ પરંતુ સમાન કદવાળા સમાંતર વાયરની જોડી છે, જે વધુ સારી સિગ્નલ અખંડિતતા અને એન્ટિ-ઇન્ટરફરન્સ ક્ષમતા પ્રદાન કરી શકે છે. વિભેદક સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન લાઇન્સનો અવરોધ સામાન્ય રીતે લાઇન અંતર, પહોળાઈ અને ગ્રાઉન્ડ પ્લેનની પસંદગી દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે.

પીસીબી લાઇન પહોળાઈ, અંતર અને લેઆઉટ જેવા ભૌમિતિક પરિમાણોનો ઉપયોગ અવબાધને નિયંત્રિત કરવા માટે પણ થઈ શકે છે. સામાન્ય માઇક્રોસ્ટ્રીપ લાઇનો માટે, જાડી રેખા પહોળાઈ અને મોટી અંતર અવબાધ ઘટાડી શકે છે. કોએક્સિયલ લાઇનો માટે, નાના આંતરિક રેખા વ્યાસ અને મોટા બાહ્ય રેખા ત્રિજ્યા અવબાધ વધારી શકે છે. વાયરિંગ ભૂમિતિની પસંદગી માટે ચોક્કસ અવબાધ જરૂરિયાતો અને સિગ્નલ આવર્તનના આધારે ઑપ્ટિમાઇઝેશનની જરૂર છે.

PCB સામગ્રીનો ડાઇલેક્ટ્રિક સ્થિરાંક પણ અવબાધને અસર કરે છે. સ્થિર ડાઇલેક્ટ્રિક ગુણધર્મો ધરાવતી સામગ્રી પસંદ કરવી એ અવબાધ નિયંત્રણનો એક ભાગ છે. ઉચ્ચ-આવર્તન અને ઉચ્ચ-સ્પીડ એપ્લિકેશનોમાં, સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતી સામગ્રીમાં FR-4 (ગ્લાસ ફાઇબર રિઇનફોર્સ્ડ બોર્ડ), PTFE (પોલીટેટ્રાફ્લોરોઇથિલિન), અને RF (રેડિયો ફ્રીક્વન્સી) લેમિનેટનો સમાવેશ થાય છે.

PCB ડિઝાઇન પહેલાં, સિમ્યુલેશન અને ડિઝાઇન ટૂલ્સનો ઉપયોગ ડિઝાઇનર્સને અવબાધને ઝડપથી અને સચોટ રીતે ચકાસવામાં અને ઑપ્ટિમાઇઝ કરવામાં મદદ કરી શકે છે. આ ટૂલ્સ સર્કિટ વર્તણૂક, સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન નુકસાન અને ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ક્રિયાપ્રતિક્રિયાઓનું અનુકરણ કરી શકે છે જેથી શ્રેષ્ઠ PCB ડિઝાઇન પરિમાણો નક્કી કરી શકાય. કેટલાક સામાન્ય સિમ્યુલેશન ટૂલ્સમાં CST સ્ટુડિયો સ્યુટ, હાઇપરલિંક્સ અને ADSનો સમાવેશ થાય છે.

હાઇ-સ્પીડ ડિજિટલ અને એનાલોગ સર્કિટમાં PCB અવબાધ નિયંત્રણ મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે. વાજબી હાયરાર્કિકલ ડિઝાઇન, ડિફરન્શિયલ સિગ્નલ ટ્રાન્સમિશન લાઇનનો ઉપયોગ, વાયરિંગ ભૂમિતિનું નિયંત્રણ, યોગ્ય PCB સામગ્રીની પસંદગી અને સિમ્યુલેશન અને ડિઝાઇન ટૂલ્સના ઉપયોગ દ્વારા, ચોક્કસ અવબાધ નિયંત્રણ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે, જેનાથી સર્કિટ કામગીરી અને સિગ્નલ અખંડિતતામાં સુધારો થાય છે.