Apa itu kontrol impedansi dan bagaimana cara melakukan kontrol impedansi pada PCB?

Dalam desain perangkat elektronik modern, PCB memainkan peran penting. Kinerja PCB secara langsung memengaruhi stabilitas, keandalan, dan efisiensi transmisi seluruh sistem elektronik. Di antaranya, kontrol impedansi merupakan bagian penting dari desain PCB. Karena sirkuit digital modern memiliki waktu transmisi sinyal yang lebih pendek dan kecepatan clock yang lebih tinggi, jalur PCB bukan lagi sekadar koneksi sederhana, tetapi jalur transmisi yang sesuai. Kontrol impedansi PCB mengacu pada pengendalian kecepatan transmisi dan pencocokan impedansi sinyal pada PCB untuk memastikan kualitas dan stabilitas transmisi sinyal.

Dalam situasi praktis, pengendalian impedansi jalur sangat diperlukan ketika kecepatan marginal digital lebih tinggi dari 1ns atau frekuensi analog melebihi 300MHz. Salah satu parameter kunci jalur PCB adalah impedansi karakteristiknya (yaitu rasio tegangan terhadap arus ketika gelombang ditransmisikan sepanjang jalur transmisi sinyal). Impedansi karakteristik kawat pada PCB merupakan indikator penting dalam desain PCB. Terutama dalam desain PCB frekuensi tinggi, perlu mempertimbangkan apakah impedansi karakteristik kawat konsisten atau sesuai dengan impedansi karakteristik yang dibutuhkan dari perangkat atau sinyal. Hal ini melibatkan 2 konsep: pengendalian impedansi dan pencocokan impedansi. Artikel ini berfokus pada masalah pengendalian impedansi dan desain tumpukan.

Berbagai sinyal ditransmisikan dalam konduktor PCB. Untuk meningkatkan laju transmisinya, frekuensinya harus ditingkatkan. Nilai impedansi rangkaian itu sendiri bervariasi karena faktor-faktor seperti etsa, ketebalan lapisan, dan lebar kawat, dll., yang menyebabkan distorsi sinyal. Oleh karena itu, nilai impedansi konduktor pada PCB berkecepatan tinggi harus dikontrol dalam rentang tertentu, yang disebut "kontrol impedansi".

Impedansi jalur PCB ditentukan oleh induktansi induktif dan kapasitif, resistansi, dan koefisien konduktivitasnya. Faktor-faktor yang memengaruhi impedansi pengkabelan PCB terutama meliputi lebar dan ketebalan kawat tembaga, konstanta dielektrik dan ketebalan medium, ketebalan bantalan solder, jalur kawat ground, dan pengkabelan di sekitar pengkabelan, dll. Kisaran impedansi PCB adalah 25 hingga 120 ohm.

Dalam praktiknya, jalur transmisi PCB biasanya terdiri dari jejak kawat, satu atau lebih lapisan referensi, dan bahan isolasi. Jejak dan lapisan tersebut membentuk impedansi kontrol. PCB sering mengadopsi struktur multi-lapisan, dan kontrol impedansi juga dapat dibangun dengan berbagai cara. Namun, terlepas dari metode yang digunakan, nilai impedansi akan ditentukan oleh struktur fisiknya dan sifat elektronik dari bahan isolasi:

Mikrostrip adalah strip kawat yang mengacu pada saluran transmisi dengan hanya satu sisi yang memiliki bidang referensi. Bagian atas dan sampingnya terpapar udara (atau dilapisi) dan terletak di permukaan PCB dengan konstanta isolasi Er, dengan lapisan daya atau ground sebagai referensi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Catatan: Dalam pembuatan PCB sebenarnya, pabrik PCB biasanya melapisi permukaan PCB dengan lapisan tinta hijau. Oleh karena itu, dalam perhitungan impedansi sebenarnya, model yang ditunjukkan pada gambar berikut biasanya digunakan untuk jalur mikrostrip permukaan.

Stripline adalah selembar kawat yang ditempatkan di antara 2 bidang referensi, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut. Konstanta dielektrik dari dielektrik yang diwakili oleh H1 dan H2 dapat berbeda.

Kedua kasus di atas hanyalah demonstrasi tipikal dari microstrip dan stripline, yang biasanya digunakan untuk pembelajaran perangkat keras cerdas IoT tertanam dan sistem lainnya. Terdapat banyak jenis microstrip dan stripline spesifik, seperti microstrip berlapis, yang terkait dengan struktur penumpukan PCB tertentu.

Persamaan yang digunakan untuk menghitung impedansi karakteristik memerlukan perhitungan matematika yang kompleks, biasanya menggunakan metode penyelesaian medan, termasuk analisis elemen batas. Oleh karena itu, dengan menggunakan perangkat lunak perhitungan impedansi khusus SI9000, yang perlu kita lakukan hanyalah mengontrol parameter impedansi karakteristik:

Konstanta dielektrik Er dari lapisan isolasi, lebar kawat W1 dan W2 (trapesium), ketebalan kawat T, dan ketebalan lapisan isolasi H.

W – lebar garis yang dirancang

A – kehilangan etsa (lihat tabel di atas)

Alasan mengapa lebar garis tersebut tidak konsisten antara bagian atas dan bawah adalah karena selama proses pembuatan PCB, korosi terjadi dari atas ke bawah, sehingga menghasilkan bentuk trapesium pada garis yang terkorosi.

Terdapat hubungan yang sesuai antara ketebalan garis T dan ketebalan tembaga pada lapisan ini, sebagai berikut:

* Karena pengaruh ketebalan lapisan pelindung solder terhadap impedansi relatif kecil, maka nilainya diasumsikan konstan sebesar 0,5 mil.

Kita dapat mencapai kontrol impedansi dengan mengendalikan parameter-parameter ini. Mengambil PCB bagian bawah Anwei sebagai contoh, kita akan menjelaskan langkah-langkah kontrol impedansi dan penggunaan SI9000:

Lapisan kedua adalah bidang ground, lapisan kelima adalah bidang daya, dan lapisan-lapisan yang tersisa adalah lapisan sinyal.

Penjelasan: Dielektrik di antara lapisan tengah adalah FR-4, dengan konstanta dielektrik 4,2; Lapisan atas dan bawah adalah lapisan polos yang bersentuhan langsung dengan udara, dan konstanta dielektrik udara adalah 1.

Perancang PCB dapat memanfaatkan sepenuhnya struktur hierarkis PCB untuk mencapai kontrol impedansi. Dengan menempatkan lapisan sinyal yang berbeda pada posisi lapisan yang berbeda, kapasitansi dan induktansi antar lapisan dapat dikontrol secara efektif. Secara umum, lapisan dalam menggunakan material impedansi tinggi dan lapisan luar menggunakan material impedansi rendah untuk mengurangi dampak refleksi dan interferensi silang.

Saluran transmisi sinyal diferensial dapat memberikan kemampuan anti-interferensi yang lebih baik dan risiko crosstalk yang lebih rendah. Saluran transmisi sinyal diferensial adalah sepasang kawat paralel dengan tegangan berlawanan tetapi ukuran yang sama, yang dapat memberikan integritas sinyal dan kemampuan anti-interferensi yang lebih baik. Impedansi saluran transmisi sinyal diferensial biasanya dikendalikan oleh pemilihan jarak antar kawat, lebar, dan bidang ground.

Parameter geometris seperti lebar garis PCB, jarak antar garis, dan tata letak juga dapat digunakan untuk mengontrol impedansi. Untuk jalur mikrostrip umum, lebar garis yang lebih tebal dan jarak antar garis yang lebih besar dapat mengurangi impedansi. Untuk jalur koaksial, diameter garis dalam yang lebih kecil dan jari-jari garis luar yang lebih besar dapat meningkatkan impedansi. Pemilihan geometri pengkabelan memerlukan optimasi berdasarkan persyaratan impedansi spesifik dan frekuensi sinyal.

Konstanta dielektrik material PCB juga memengaruhi impedansi. Memilih material dengan sifat dielektrik yang stabil merupakan bagian dari pengendalian impedansi. Dalam aplikasi frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi, material yang umum digunakan meliputi FR-4 (papan yang diperkuat serat kaca), PTFE (politetrafluoroetilena), dan laminasi RF (frekuensi radio).

Sebelum mendesain PCB, penggunaan alat simulasi dan desain dapat membantu perancang memverifikasi dan mengoptimalkan impedansi dengan cepat dan akurat. Alat-alat ini dapat mensimulasikan perilaku sirkuit, kerugian transmisi sinyal, dan interaksi elektromagnetik untuk menentukan parameter desain PCB yang optimal. Beberapa alat simulasi umum meliputi CST Studio Suite, HyperLynx, dan ADS.

Pengendalian impedansi PCB memainkan peran penting dalam sirkuit digital dan analog berkecepatan tinggi. Melalui desain hierarkis yang wajar, penggunaan jalur transmisi sinyal diferensial, pengendalian geometri pengkabelan, pemilihan material PCB yang tepat, dan penggunaan alat simulasi dan desain, pengendalian impedansi yang presisi dapat dicapai, sehingga meningkatkan kinerja sirkuit dan integritas sinyal.