Ի՞նչ է իմպեդանսի կառավարումը և ինչպես իրականացնել իմպեդանսի կառավարում տպատախտակների վրա։

Ժամանակակից էլեկտրոնային սարքերի նախագծման մեջ տպագիր պլատֆորմները (PCB) կարևոր դեր են խաղում: ՏՊԲ-ների աշխատանքը անմիջականորեն ազդում է ամբողջ էլեկտրոնային համակարգի կայունության, հուսալիության և փոխանցման արդյունավետության վրա: Դրանց թվում է իմպեդանսի կառավարումը ՏՊԲ նախագծման կարևոր մասն է: Քանի որ ժամանակակից թվային սխեմաներն ունեն ավելի կարճ ազդանշանի փոխանցման ժամանակներ և ավելի բարձր ժամացույցի հաճախականություններ, ՏՊԲ-ի հետագծերը այլևս պարզ միացումներ չեն, այլ համապատասխանաբար փոխանցման գծեր: ՏՊԲ իմպեդանսի կառավարումը վերաբերում է ՏՊԲ-ի վրա ազդանշանների փոխանցման արագության և իմպեդանսի համապատասխանության վերահսկմանը՝ ազդանշանի փոխանցման որակը և կայունությունն ապահովելու համար:

Գործնականում անհրաժեշտ է վերահսկել հետագծի իմպեդանսը, երբ թվային սահմանային արագությունը բարձր է 1 նվ-ից կամ անալոգային հաճախականությունը գերազանցում է 300 ՄՀց-ը: ՏՀՏ հետագծի հիմնական պարամետրերից մեկը դրա բնութագրական իմպեդանսն է (այսինքն՝ լարման և հոսանքի հարաբերակցությունը, երբ ալիքը փոխանցվում է ազդանշանի փոխանցման գծի երկայնքով): ՏՀՏ-ների լարերի բնութագրական իմպեդանսը ՏՀՏ նախագծման կարևոր ցուցանիշ է: Հատկապես բարձր հաճախականության ՏՀՏ նախագծման դեպքում անհրաժեշտ է հաշվի առնել, թե արդյոք լարի բնութագրական իմպեդանսը համապատասխանում է սարքի կամ ազդանշանի պահանջվող բնութագրական իմպեդանսին կամ համապատասխանում է դրան: Սա ներառում է 2 հասկացություն՝ իմպեդանսի կառավարում և իմպեդանսի համապատասխանեցում: Այս հոդվածը կենտրոնանում է իմպեդանսի կառավարման և կույտի նախագծման հարցերի վրա:

ՏՀՏ-ի հաղորդիչներով փոխանցվում են տարբեր ազդանշաններ: Փոխանցման արագությունը բարելավելու համար անհրաժեշտ է մեծացնել դրա հաճախականությունը: Շղթայի իմպեդանսի արժեքը տատանվում է այնպիսի գործոնների պատճառով, ինչպիսիք են փորագրությունը, շերտի հաստությունը և լարի լայնությունը և այլն, ինչը առաջացնում է ազդանշանի աղավաղում: Հետևաբար, բարձր արագությամբ ՏՀՏ-ների հաղորդիչների իմպեդանսի արժեքը պետք է կառավարվի որոշակի միջակայքում, որը կոչվում է «իմպեդանսի կառավարում»:

ՏՀՏ լարերի իմպեդանսը որոշվում է դրանց ինդուկտիվ և տարողական ինդուկտիվությամբ, դիմադրությամբ և հաղորդականության գործակցով: ՏՀՏ լարերի իմպեդանսի վրա ազդող գործոնները հիմնականում ներառում են պղնձե լարի լայնությունը և հաստությունը, միջավայրի դիէլեկտրիկ հաստատունը և հաստությունը, զոդման բարձիկի հաստությունը, հողանցման լարի ուղին և լարերի շուրջը գտնվող լարերը և այլն: ՏՀՏ իմպեդանսի միջակայքը 25-ից 120 օհմ է:

Գործնականում, տպագիր պոլիմերային սալիկների (PCB) փոխանցման գծերը սովորաբար բաղկացած են մետաղալարերի հետքից, մեկ կամ մի քանի հղման շերտերից և մեկուսիչ նյութերից: Հետքը և շերտը կազմում են կառավարման իմպեդանսը: ՏՊԿ-ները հաճախ ունենում են բազմաշերտ կառուցվածքներ, և իմպեդանսի կառավարումը կարող է նաև կառուցվել տարբեր ձևերով: Այնուամենայնիվ, անկախ օգտագործվող մեթոդից, իմպեդանսի արժեքը կորոշվի դրա ֆիզիկական կառուցվածքով և մեկուսիչ նյութի էլեկտրոնային հատկություններով.

Միկրոշերտը մետաղալարե շերտ է, որը վերաբերում է փոխանցման գծին, որի միայն մեկ կողմն ունի հենակետային հարթություն: Վերին մասը և կողմերը ենթարկվում են օդի ազդեցությանը (կամ ծածկված են) և տեղակայված են Er մեկուսացման հաստատունով տպատախտակի մակերեսին, որտեղ հոսանքի կամ հողի շերտը որպես հենակետային է: Ինչպես ցույց է տրված հետևյալ նկարում.

Նշում. Իրականում տպատախտակների արտադրության մեջ տպատախտակների գործարանը սովորաբար տպատախտակի մակերեսին պատում է կանաչ թանաքի շերտով: Հետևաբար, իրական իմպեդանսի հաշվարկներում մակերեսային միկրոշերտային գծերի համար սովորաբար օգտագործվում է հետևյալ նկարում ցույց տրված մոդելը:

Շերտավոր գիծը մետաղալարի շերտ է, որը տեղադրված է 2 հենակետային հարթությունների միջև, ինչպես ցույց է տրված հետևյալ նկարում: H1 և H2-ով ներկայացված դիէլեկտրիկի դիէլեկտրիկ հաստատունները կարող են տարբեր լինել:

Վերոնշյալ 2 դեպքերը միկրոշերտային և շերտավոր գծերի բնորոշ ցուցադրություն են, որոնք սովորաբար օգտագործվում են ներկառուցված IoT ինտելեկտուալ սարքավորումների և այլ համակարգերի ուսուցման համար: Կան միկրոշերտային և շերտավոր գծերի բազմաթիվ հատուկ տեսակներ, ինչպիսիք են պատված միկրոշերտայինները, որոնք կապված են տպագիր բիթերի (PCB) հատուկ շերտավորման կառուցվածքի հետ:

Բնութագրական իմպեդանսը հաշվարկելու համար օգտագործվող հավասարումը պահանջում է բարդ մաթեմատիկական հաշվարկներ, որոնք սովորաբար օգտագործում են դաշտային լուծման մեթոդներ, ներառյալ սահմանային տարրերի վերլուծությունը: Հետևաբար, SI9000 մասնագիտացված իմպեդանսի հաշվարկման ծրագրաշարի միջոցով մեզ անհրաժեշտ է միայն վերահսկել բնութագրական իմպեդանսի պարամետրերը.

Մեկուսիչ շերտի դիէլեկտրիկ հաստատունը՝ Er, W1 և W2 լարերի լայնությունը (սրապեզոիդ), լարերի հաստությունը՝ T, և մեկուսիչ շերտի հաստությունը՝ H։

W – նախագծված գծի լայնությունը

A – փորագրման կորուստ (տե՛ս վերևում գտնվող աղյուսակը)

Գծի վերին և ստորին հատվածների միջև անհամապատասխան լայնության պատճառն այն է, որ PCB-ների արտադրության ընթացքում կոռոզիա տեղի է ունենում վերևից ներքև, ինչի արդյունքում կոռոզիայի ենթարկված գծը ստանում է սեղանաձև ձև։

Գծի հաստության T-ի և այս շերտի պղնձի հաստության միջև կա համապատասխան կապ, հետևյալը՝

* Քանի որ զոդման դիմակի հաստությունը փոքր ազդեցություն ունի իմպեդանսի վրա, այն ենթադրվում է 0.5 միլ հաստատուն արժեք։

Մենք կարող ենք հասնել իմպեդանսի կառավարման՝ կառավարելով այս պարամետրերը: Որպես օրինակ վերցնելով Անվեյի ստորին տպատախտակը, կբացատրենք իմպեդանսի կառավարման քայլերը և SI9000-ի օգտագործումը.

Երկրորդ շերտը հողային հարթությունն է, հինգերորդ շերտը՝ հզորության հարթությունը, իսկ մնացած շերտերը՝ ազդանշանային շերտերը։

Բացատրություն՝ Միջանկյալ շերտերի միջև դիէլեկտրիկը FR-4 է, որի դիէլեկտրիկ հաստատունը 4.2 է։ Վերին և ստորին շերտերը մերկ շերտեր են, որոնք անմիջական շփման մեջ են մտնում օդի հետ, իսկ օդի դիէլեկտրիկ հաստատունը 1 է։

Տիպային տպատախտակների նախագծողները կարող են լիովին օգտագործել Տիպային տպատախտակների հիերարխիկ կառուցվածքը՝ իմպեդանսի կառավարման համար: Տարբեր ազդանշանային շերտերը տարբեր շերտերի դիրքերում տեղադրելով՝ միջշերտային տարողունակությունն ու ինդուկտիվությունը կարող են արդյունավետորեն վերահսկվել: Ընդհանուր առմամբ, ներքին շերտը օգտագործում է բարձր իմպեդանսային նյութեր, իսկ արտաքին շերտը՝ ցածր իմպեդանսային նյութեր՝ անդրադարձման և խաչաձև խոսակցության ազդեցությունը նվազեցնելու համար:

Դիֆերենցիալ ազդանշանի փոխանցման գծերը կարող են ապահովել ավելի լավ հակախառնողական ունակություն և նվազեցնել խաչաձև խոսակցությունների ռիսկը: Դիֆերենցիալ ազդանշանի փոխանցման գծերը զուգահեռ լարերի զույգ են՝ հակառակ լարումներով, բայց հավասար չափսերով, որոնք կարող են ապահովել ավելի լավ ազդանշանի ամբողջականություն և հակախառնողական ունակություն: Դիֆերենցիալ ազդանշանի փոխանցման գծերի իմպեդանսը սովորաբար կարգավորվում է գծերի միջև հեռավորության, լայնության և հողանցման հարթության ընտրությամբ:

Երկրաչափական պարամետրեր, ինչպիսիք են PCB գծի լայնությունը, հեռավորությունը և դասավորությունը, նույնպես կարող են օգտագործվել դիմադրությունը կառավարելու համար: Սովորական միկրոշերտային գծերի դեպքում գծի ավելի հաստ լայնությունը և ավելի մեծ հեռավորությունը կարող են նվազեցնել դիմադրությունը: Կոաքսիալ գծերի դեպքում ներքին գծի ավելի փոքր տրամագծերը և արտաքին գծի ավելի մեծ շառավիղները կարող են մեծացնել դիմադրությունը: Էլեկտրագծերի երկրաչափության ընտրությունը պահանջում է օպտիմալացում՝ հիմնվելով կոնկրետ դիմադրության պահանջների և ազդանշանի հաճախականության վրա:

ՊԽՏ նյութերի դիէլեկտրիկ հաստատունը նույնպես ազդում է իմպեդանսի վրա: Կայուն դիէլեկտրիկ հատկություններով նյութերի ընտրությունը իմպեդանսի կառավարման մի մասն է: Բարձր հաճախականության և բարձր արագության կիրառություններում լայնորեն օգտագործվող նյութերից են FR-4-ը (ապակե մանրաթելով ամրացված տախտակ), PTFE-ն (պոլիտետրաֆտորէթիլեն) և RF (ռադիոհաճախականության) լամինատները:

ՏՀՏ նախագծումից առաջ, մոդելավորման և նախագծման գործիքների օգտագործումը կարող է օգնել նախագծողներին արագ և ճշգրիտ ստուգել և օպտիմալացնել իմպեդանսը: Այս գործիքները կարող են մոդելավորել սխեմայի վարքագիծը, ազդանշանի փոխանցման կորուստները և էլեկտրամագնիսական փոխազդեցությունները՝ ՏՀՏ նախագծման օպտիմալ պարամետրերը որոշելու համար: Որոշ տարածված մոդելավորման գործիքներից են CST Studio Suite-ը, HyperLynx-ը և ADS-ը:

ՏԽՄ-ի իմպեդանսի կառավարումը կարևոր դեր է խաղում բարձր արագության թվային և անալոգային սխեմաներում: Խելամիտ հիերարխիկ նախագծման, դիֆերենցիալ ազդանշանի փոխանցման գծերի օգտագործման, լարերի երկրաչափության կառավարման, համապատասխան ՏԽՄ նյութերի ընտրության և մոդելավորման ու նախագծման գործիքների օգտագործման միջոցով կարելի է հասնել ճշգրիտ իմպեդանսի կառավարման, այդպիսով բարելավելով սխեմայի աշխատանքը և ազդանշանի ամբողջականությունը: