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इम्पीडेंस कंट्रोल क्या है और पीसीबी पर इम्पीडेंस कंट्रोल कैसे किया जाता है?
2020-04-08
आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के डिज़ाइन में पीसीबी (पीसीबी) की महत्वपूर्ण भूमिका होती है। पीसीबी का प्रदर्शन सीधे तौर पर संपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक सिस्टम की स्थिरता, विश्वसनीयता और संचरण दक्षता को प्रभावित करता है। इनमें से, प्रतिबाधा नियंत्रण पीसीबी डिज़ाइन का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। चूंकि आधुनिक डिजिटल सर्किट में सिग्नल संचरण का समय कम होता है और क्लॉक दर अधिक होती है, इसलिए पीसीबी ट्रेस अब केवल साधारण कनेक्शन नहीं रह गए हैं, बल्कि वे संचरण लाइनें बन गए हैं। पीसीबी प्रतिबाधा नियंत्रण का तात्पर्य पीसीबी पर सिग्नल की संचरण गति और प्रतिबाधा मिलान को नियंत्रित करना है ताकि सिग्नल संचरण की गुणवत्ता और स्थिरता सुनिश्चित हो सके।
व्यवहारिक परिस्थितियों में, जब डिजिटल मार्जिनल वेलोसिटी 1ns से अधिक हो या एनालॉग आवृत्ति 300MHz से अधिक हो, तो ट्रेस प्रतिबाधा को नियंत्रित करना आवश्यक होता है। पीसीबी ट्रेस के प्रमुख मापदंडों में से एक इसकी विशिष्ट प्रतिबाधा (अर्थात सिग्नल संचरण रेखा के साथ तरंग संचारित होने पर वोल्टेज और धारा का अनुपात) है। पीसीबी पर तारों की विशिष्ट प्रतिबाधा पीसीबी डिजाइन का एक महत्वपूर्ण सूचक है। विशेष रूप से उच्च आवृत्ति पीसीबी डिजाइन में, यह विचार करना आवश्यक है कि तार की विशिष्ट प्रतिबाधा डिवाइस या सिग्नल की आवश्यक विशिष्ट प्रतिबाधा के अनुरूप है या उससे मेल खाती है। इसमें दो अवधारणाएँ शामिल हैं: प्रतिबाधा नियंत्रण और प्रतिबाधा मिलान। यह लेख प्रतिबाधा नियंत्रण और स्टैक डिजाइन के मुद्दों पर केंद्रित है।
प्रतिबाधा नियंत्रण
पीसीबी के चालकों में विभिन्न प्रकार के सिग्नल संचारित होते हैं। इसकी संचरण दर को बेहतर बनाने के लिए, इसकी आवृत्ति को बढ़ाना आवश्यक है। परिपथ का प्रतिबाधा मान, नक्काशी, परत की मोटाई और तार की चौड़ाई आदि कारकों के कारण बदलता रहता है, जिससे सिग्नल में विकृति उत्पन्न होती है। इसलिए, उच्च गति वाले पीसीबी पर चालकों के प्रतिबाधा मान को एक निश्चित सीमा के भीतर नियंत्रित करना आवश्यक है, जिसे "प्रतिबाधा नियंत्रण" कहा जाता है।
पीसीबी ट्रेस की प्रतिबाधा उनके प्रेरक और धारिता प्रेरकत्व, प्रतिरोध और चालकता गुणांक द्वारा निर्धारित होती है। पीसीबी वायरिंग की प्रतिबाधा को प्रभावित करने वाले मुख्य कारकों में तांबे के तार की चौड़ाई और मोटाई, माध्यम का परावैद्युत स्थिरांक और मोटाई, सोल्डर पैड की मोटाई, ग्राउंड तार का पथ और वायरिंग के आसपास की वायरिंग आदि शामिल हैं। पीसीबी प्रतिबाधा की सीमा 25 से 120 ओम तक होती है।
व्यवहार में, पीसीबी ट्रांसमिशन लाइनें आमतौर पर एक वायर ट्रेस, एक या अधिक संदर्भ परतें और इन्सुलेशन सामग्री से मिलकर बनी होती हैं। ट्रेस और परत नियंत्रण प्रतिबाधा का निर्माण करते हैं। पीसीबी अक्सर बहु-परत संरचनाओं को अपनाते हैं, और प्रतिबाधा नियंत्रण को भी विभिन्न तरीकों से निर्मित किया जा सकता है। हालांकि, उपयोग की जाने वाली विधि की परवाह किए बिना, प्रतिबाधा मान इसकी भौतिक संरचना और इन्सुलेटिंग सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुणों द्वारा निर्धारित किया जाएगा।
सिग्नल ट्रेस की चौड़ाई और मोटाई
ट्रेस के दोनों ओर कोर या पहले से भरी हुई सामग्री की ऊंचाई
ट्रेस और बोर्ड परतों का विन्यास
कोर और पूर्व-भरे पदार्थों का इन्सुलेशन स्थिरांक
पीसीबी ट्रांसमिशन लाइनों के 2 मुख्य प्रकार हैं: माइक्रोस्ट्रिप और स्ट्रिपलाइन।
माइक्रोस्ट्रिप एक तार की पट्टी होती है जो ट्रांसमिशन लाइन को संदर्भित करती है, जिसमें केवल एक तरफ संदर्भ तल होता है। इसका ऊपरी और पार्श्व भाग हवा के संपर्क में होता है (या उस पर कोटिंग की जाती है) और यह एक स्थिर इंसुलेशन वाले पीसीबी की सतह पर स्थित होता है, जिसमें पावर या ग्राउंड लेयर संदर्भ परत के रूप में कार्य करती है। जैसा कि निम्नलिखित चित्र में दिखाया गया है:
नोट: पीसीबी निर्माण में, पीसीबी फैक्ट्री आमतौर पर पीसीबी की सतह पर हरे रंग की स्याही की एक परत चढ़ाती है। इसलिए, वास्तविक प्रतिबाधा गणनाओं में, सतह पर मौजूद माइक्रोस्ट्रिप लाइनों के लिए आमतौर पर निम्नलिखित चित्र में दर्शाया गया मॉडल उपयोग किया जाता है।
स्ट्रिपलाइन एक तार की पट्टी होती है जिसे दो संदर्भ तलों के बीच रखा जाता है, जैसा कि निम्नलिखित चित्र में दिखाया गया है। H1 और H2 द्वारा दर्शाए गए परावैद्युत के परावैद्युत स्थिरांक भिन्न-भिन्न हो सकते हैं।
ऊपर दिए गए दो उदाहरण माइक्रोस्ट्रिप और स्ट्रिपलाइन के विशिष्ट प्रदर्शन मात्र हैं, जिनका उपयोग आमतौर पर एम्बेडेड आईओटी इंटेलिजेंट हार्डवेयर और अन्य सिस्टमों के सीखने के लिए किया जाता है। माइक्रोस्ट्रिप और स्ट्रिपलाइन के कई विशिष्ट प्रकार होते हैं, जैसे कोटेड माइक्रोस्ट्रिप, जो पीसीबी की विशिष्ट स्टैकिंग संरचना से संबंधित होते हैं।
विशेषता प्रतिबाधा की गणना के लिए उपयोग किए जाने वाले समीकरण में जटिल गणितीय गणनाओं की आवश्यकता होती है, आमतौर पर सीमा तत्व विश्लेषण सहित क्षेत्र समाधान विधियों का उपयोग किया जाता है। इसलिए, विशेष प्रतिबाधा गणना सॉफ़्टवेयर SI9000 का उपयोग करके, हमें केवल विशेषता प्रतिबाधा के मापदंडों को नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है:
इन्सुलेशन परत का परावैद्युत स्थिरांक Er, वायरिंग की चौड़ाई W1 और W2 (समलम्बकोणीय), वायरिंग की मोटाई T, और इन्सुलेशन परत की मोटाई H।
W1 और W2 के लिए स्पष्टीकरण:
यहां, W=W1, W1=W2
W – डिज़ाइन की गई लाइन की चौड़ाई
A – एचिंग लॉस (ऊपर दी गई तालिका देखें)
लाइन के ऊपर और नीचे की चौड़ाई में असमानता का कारण यह है कि पीसीबी के निर्माण प्रक्रिया के दौरान, जंग ऊपर से नीचे की ओर लगता है, जिसके परिणामस्वरूप जंग लगी लाइन का आकार ट्रेपेज़ॉइडल हो जाता है।
इस परत की तांबे की मोटाई और रेखा की मोटाई T के बीच निम्नलिखित संबंध है:
| तांबे की मोटाई | ||
| आधार तांबा मोटाई | आंतरिक परत के लिए | बाहरी परत के लिए |
| एच ओजेड | 0.6 मिलियन | 1.8 मिलियन |
| 1 औंस | 1.2 मिलियन | 2.5 मिलियन |
| 2 औंस | 2.4 मिलियन | 3.6 मिलियन |
सोल्डर मास्क की मोटाई:
* सोल्डर मास्क की मोटाई का प्रतिबाधा पर कम प्रभाव होने के कारण, इसे 0.5 मिल का एक स्थिर मान माना जाता है।
इन मापदंडों को नियंत्रित करके हम प्रतिबाधा नियंत्रण प्राप्त कर सकते हैं। अनवेई के निचले पीसीबी को उदाहरण के रूप में लेते हुए, हम प्रतिबाधा नियंत्रण के चरणों और SI9000 के उपयोग की व्याख्या करेंगे:
नीचे वाले पीसीबी की स्टैकिंग को निम्नलिखित चित्र में दिखाया गया है:
दूसरी परत ग्राउंड प्लेन है, पांचवीं परत पावर प्लेन है, और शेष परतें सिग्नल परतें हैं।
नीचे दी गई तालिका में प्रत्येक परत की मोटाई दर्शाई गई है:
| परत का नाम | प्रकार | सामग्री | सोच | कक्षा |
| सतह | वायु | |||
| शीर्ष | कंडक्टर | ताँबा | 0.5 औंस | मार्ग |
| ढांकता हुआ | एफआर-4 | 3.800मिल | ||
| एल2-आंतरिक | कंडक्टर | ताँबा | 1 औंस | विमान |
| ढांकता हुआ | एफआर-4 | 5.910 मिलियन | ||
| एल3-आंतरिक | कंडक्टर | ताँबा | 1 औंस | मार्ग |
| ढांकता हुआ | एफआर-4 | 33.08मिल | ||
| एल4-आंतरिक | कंडक्टर | ताँबा | 1 औंस | मार्ग |
| ढांकता हुआ | एफआर-4 | 5.910 मिलियन | ||
| एल5-आंतरिक | कंडक्टर | ताँबा | 1 औंस | विमान |
| ढांकता हुआ | एफआर-4 | 3.800मिल | ||
| तल | कंडक्टर | ताँबा | 0.5 औंस | मार्ग |
| सतह | वायु |
स्पष्टीकरण: मध्यवर्ती परतों के बीच का परावैद्युत FR-4 है, जिसका परावैद्युत स्थिरांक 4.2 है; ऊपरी और निचली परतें नंगी परतें हैं जो सीधे हवा के संपर्क में आती हैं, और हवा का परावैद्युत स्थिरांक 1 है।
प्रतिबाधा नियंत्रण प्राप्त करने के लिए, निम्नलिखित कुछ सामान्य विधियाँ हैं:
1. पीसीबी पदानुक्रमित डिजाइन पर आधारित:
पीसीबी डिज़ाइनर प्रतिबाधा नियंत्रण प्राप्त करने के लिए पीसीबी की पदानुक्रमित संरचना का पूर्ण उपयोग कर सकते हैं। विभिन्न सिग्नल परतों को अलग-अलग परतों में रखकर, अंतरपरत धारिता और प्रेरकत्व को प्रभावी ढंग से नियंत्रित किया जा सकता है। सामान्यतः, परावर्तन और क्रॉसस्टॉक के प्रभाव को कम करने के लिए भीतरी परत में उच्च प्रतिबाधा वाली सामग्री और बाहरी परत में कम प्रतिबाधा वाली सामग्री का उपयोग किया जाता है।
2. डिफरेंशियल सिग्नल ट्रांसमिशन लाइनों का उपयोग करें:
डिफरेंशियल सिग्नल ट्रांसमिशन लाइनें बेहतर एंटी-इंटरफेरेंस क्षमता और कम क्रॉसस्टॉक जोखिम प्रदान करती हैं। डिफरेंशियल सिग्नल ट्रांसमिशन लाइनें विपरीत वोल्टेज लेकिन समान आकार के समानांतर तारों का एक जोड़ा होती हैं, जो बेहतर सिग्नल अखंडता और एंटी-इंटरफेरेंस क्षमता प्रदान करती हैं। डिफरेंशियल सिग्नल ट्रांसमिशन लाइनों का प्रतिबाधा आमतौर पर लाइन स्पेसिंग, चौड़ाई और ग्राउंड प्लेन के चयन द्वारा नियंत्रित किया जाता है।
3. नियंत्रण वायरिंग ज्यामिति:
पीसीबी लाइन की चौड़ाई, स्पेसिंग और लेआउट जैसे ज्यामितीय मापदंडों का उपयोग करके भी प्रतिबाधा को नियंत्रित किया जा सकता है। सामान्य माइक्रोस्ट्रिप लाइनों के लिए, मोटी लाइन की चौड़ाई और अधिक स्पेसिंग प्रतिबाधा को कम कर सकती है। समाक्षीय लाइनों के लिए, छोटे आंतरिक लाइन व्यास और बड़े बाहरी लाइन त्रिज्या प्रतिबाधा को बढ़ा सकते हैं। वायरिंग ज्यामिति का चयन विशिष्ट प्रतिबाधा आवश्यकताओं और सिग्नल आवृत्ति के आधार पर अनुकूलन की आवश्यकता होती है।
4. पीसीबी सामग्री का चयन:
पीसीबी सामग्री का परावैद्युत स्थिरांक भी प्रतिबाधा को प्रभावित करता है। स्थिर परावैद्युत गुणों वाली सामग्री का चयन प्रतिबाधा नियंत्रण का एक महत्वपूर्ण हिस्सा है। उच्च आवृत्ति और उच्च गति वाले अनुप्रयोगों में, आमतौर पर उपयोग की जाने वाली सामग्रियों में एफआर-4 (ग्लास फाइबर प्रबलित बोर्ड), पीटीएफई (पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन) और आरएफ (रेडियो आवृत्ति) लैमिनेट शामिल हैं।
5. सिमुलेशन और डिजाइन टूल का उपयोग करें:
पीसीबी डिजाइन से पहले, सिमुलेशन और डिजाइन टूल का उपयोग करके डिजाइनर प्रतिबाधा को जल्दी और सटीक रूप से सत्यापित और अनुकूलित कर सकते हैं। ये टूल सर्किट व्यवहार, सिग्नल संचरण हानि और विद्युत चुम्बकीय अंतःक्रियाओं का अनुकरण करके इष्टतम पीसीबी डिजाइन मापदंडों का निर्धारण कर सकते हैं। कुछ सामान्य सिमुलेशन टूल में सीएसटी स्टूडियो सूट, हाइपरलिंक्स और एडीएस शामिल हैं।
उच्च गति वाले डिजिटल और एनालॉग सर्किट में पीसीबी प्रतिबाधा नियंत्रण महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। उचित पदानुक्रमित डिजाइन, विभेदक सिग्नल संचरण लाइनों का उपयोग, वायरिंग ज्यामिति का नियंत्रण, उपयुक्त पीसीबी सामग्री का चयन और सिमुलेशन एवं डिजाइन उपकरणों के उपयोग के माध्यम से सटीक प्रतिबाधा नियंत्रण प्राप्त किया जा सकता है, जिससे सर्किट प्रदर्शन और सिग्नल अखंडता में सुधार होता है।
