Što je kontrola impedancije i kako izvršiti kontrolu impedancije na PCB-ima

U dizajnu modernih elektroničkih uređaja, PCB-i igraju ključnu ulogu. Performanse PCB-a izravno utječu na stabilnost, pouzdanost i učinkovitost prijenosa cijelog elektroničkog sustava. Među njima, kontrola impedancije važan je dio dizajna PCB-a. Budući da moderni digitalni sklopovi imaju kraća vremena prijenosa signala i veće taktne frekvencije, PCB tragovi više nisu jednostavni spojevi, već prijenosne linije. Kontrola impedancije PCB-a odnosi se na kontrolu brzine prijenosa i usklađivanja impedancije signala na PCB-u kako bi se osigurala kvaliteta i stabilnost prijenosa signala.

U praktičnim situacijama, potrebno je kontrolirati impedanciju traga kada je digitalna granična brzina veća od 1ns ili analogna frekvencija prelazi 300MHz. Jedan od ključnih parametara PCB traga je njegova karakteristična impedancija (tj. omjer napona i struje kada se val prenosi duž linije za prijenos signala). Karakteristična impedancija žica na PCB-ima važan je pokazatelj dizajna PCB-a. Posebno kod dizajna visokofrekventnih PCB-a, potrebno je razmotriti je li karakteristična impedancija žice u skladu s potrebnom karakterističnom impedancijom uređaja ili signala ili se podudara s njom. To uključuje 2 koncepta: kontrolu impedancije i usklađivanje impedancije. Ovaj članak fokusira se na pitanja kontrole impedancije i dizajna slojeva.

U vodičima PCB-a prenose se različiti signali. Kako bi se poboljšala brzina prijenosa, potrebno je povećati frekvenciju. Vrijednost impedancije samog kruga varira zbog čimbenika poput jetkanja, debljine sloja i širine žice itd., što uzrokuje izobličenje signala. Stoga se vrijednost impedancije vodiča na brzim PCB-ima treba kontrolirati unutar određenog raspona, što se naziva "kontrola impedancije".

Impedancija PCB tragova određena je njihovom induktivnom i kapacitivnom induktivnošću, otporom i koeficijentom vodljivosti. Čimbenici koji utječu na impedanciju PCB ožičenja uglavnom uključuju širinu i debljinu bakrene žice, dielektričnu konstantu i debljinu medija, debljinu lemne pločice, put žice za uzemljenje i ožičenje oko ožičenja itd. Raspon impedancije PCB-a je od 25 do 120 oma.

U praksi, PCB prijenosni vodovi obično se sastoje od žičanog traga, jednog ili više referentnih slojeva i izolacijskih materijala. Trag i sloj čine kontrolnu impedanciju. PCB-i često usvajaju višeslojne strukture, a kontrola impedancije može se konstruirati i na različite načine. Međutim, bez obzira na korištenu metodu, vrijednost impedancije bit će određena njezinom fizičkom strukturom i elektroničkim svojstvima izolacijskog materijala:

Mikrotrakasta traka je traka žice koja se odnosi na dalekovod kod kojeg samo jedna strana ima referentnu ravninu. Vrh i stranice su izložene zraku (ili su premazane) i nalaze se na površini PCB-a s konstantnom izolacijom Er, pri čemu je referentni sloj napajanja ili uzemljenja. Kao što je prikazano na sljedećoj slici:

Napomena: U stvarnoj proizvodnji PCB-a, tvornica PCB-a obično nanosi sloj zelene tinte na površinu PCB-a. Stoga se u stvarnim izračunima impedancije model prikazan na sljedećoj slici obično koristi za površinske mikrotrakaste linije.

Trakasta linija je traka žice postavljena između dvije referentne ravnine, kao što je prikazano na sljedećoj slici. Dielektrične konstante dielektrika predstavljene s H1 i H2 mogu biti različite.

Gornja dva slučaja su samo tipična demonstracija mikrotrakastih i trakastih vodova, koji se obično koriste za učenje ugrađenog inteligentnog hardvera IoT-a i drugih sustava. Postoje mnoge specifične vrste mikrotrakastih i trakastih vodova, kao što su obložene mikrotrakaste, koje su povezane sa specifičnom strukturom slaganja PCB-a.

Jednadžba koja se koristi za izračun karakteristične impedancije zahtijeva složene matematičke izračune, obično korištenjem metoda rješavanja polja, uključujući analizu graničnih elemenata. Stoga, korištenjem specijaliziranog softvera za izračun impedancije SI9000, sve što trebamo učiniti je kontrolirati parametre karakteristične impedancije:

Dielektrična konstanta Er izolacijskog sloja, širina ožičenja W1 i W2 (trapezoidno), debljina ožičenja T i debljina izolacijskog sloja H.

W – projektirana širina linije

A – gubitak od jetkanja (vidi gornju tablicu)

Razlog nekonzistentne širine između vrha i dna linije je taj što tijekom procesa proizvodnje PCB-a korozija se događa od vrha prema dnu, što rezultira trapezoidnim oblikom korodirane linije.

Postoji odgovarajući odnos između debljine linije T i debljine bakra ovog sloja, kako slijedi:

* Zbog malog utjecaja debljine maske za lemljenje na impedanciju, pretpostavlja se da je konstantna vrijednost od 0,5 mil.

Kontrolom ovih parametara možemo postići kontrolu impedancije. Uzimajući Anweijev donji PCB kao primjer, objasnit ćemo korake kontrole impedancije i korištenje SI9000:

Drugi sloj je uzemljena ravnina, peti sloj je energetska ravnina, a preostali slojevi su signalni slojevi.

Objašnjenje: Dielektrik između međuslojeva je FR-4, s dielektričnom konstantom od 4,2; Gornji i donji sloj su goli slojevi koji dolaze u izravan kontakt sa zrakom, a dielektrična konstanta zraka je 1.

Dizajneri PCB-a mogu u potpunosti iskoristiti hijerarhijsku strukturu PCB-a kako bi postigli kontrolu impedancije. Postavljanjem različitih signalnih slojeva na različite položaje slojeva, međuslojni kapacitet i induktivitet mogu se učinkovito kontrolirati. Općenito govoreći, unutarnji sloj koristi materijale visoke impedancije, a vanjski sloj koristi materijale niske impedancije kako bi se smanjio utjecaj refleksije i preslušavanja.

Diferencijalni signalni vodovi mogu pružiti bolju sposobnost sprječavanja smetnji i manji rizik od preslušavanja. Diferencijalni signalni vodovi su par paralelnih žica s suprotnim naponima, ali jednakih veličina, što može osigurati bolji integritet signala i sposobnost sprječavanja smetnji. Impedancija diferencijalnih signalnih vodova obično se kontrolira odabirom razmaka između vodova, širine i uzemljene ravnine.

Geometrijski parametri poput širine, razmaka i rasporeda PCB linije također se mogu koristiti za kontrolu impedancije. Kod uobičajenih mikrotrakastih linija, deblja širina linije i veći razmak mogu smanjiti impedanciju. Kod koaksijalnih linija, manji unutarnji promjeri linije i veći vanjski radijusi linije mogu povećati impedanciju. Odabir geometrije ožičenja zahtijeva optimizaciju na temelju specifičnih zahtjeva impedancije i frekvencije signala.

Dielektrična konstanta PCB materijala također utječe na impedanciju. Odabir materijala sa stabilnim dielektričnim svojstvima dio je kontrole impedancije. U visokofrekventnim i brzim primjenama, uobičajeno korišteni materijali uključuju FR-4 (ploču ojačanu staklenim vlaknima), PTFE (politetrafluoroetilen) i RF (radiofrekvencijske) laminate.

Prije dizajniranja PCB-a, korištenje alata za simulaciju i dizajn može pomoći dizajnerima da brzo i točno provjere i optimiziraju impedanciju. Ovi alati mogu simulirati ponašanje kruga, gubitke pri prijenosu signala i elektromagnetske interakcije kako bi odredili optimalne parametre dizajna PCB-a. Neki uobičajeni alati za simulaciju uključuju CST Studio Suite, HyperLynx i ADS.

Kontrola impedancije PCB-a igra ključnu ulogu u brzim digitalnim i analognim sklopovima. Razumnim hijerarhijskim dizajnom, korištenjem diferencijalnih vodova za prijenos signala, kontrolom geometrije ožičenja, odabirom odgovarajućih materijala PCB-a i korištenjem alata za simulaciju i dizajn, može se postići precizna kontrola impedancije, čime se poboljšavaju performanse sklopa i integritet signala.