Hvað er impedansstýring og hvernig á að framkvæma impedansstýringu á prentplötum

Í hönnun nútíma rafeindatækja gegna prentplötur (PCB) lykilhlutverki. Afköst prentplata hafa bein áhrif á stöðugleika, áreiðanleika og flutningsgetu alls rafeindakerfisins. Meðal þeirra er impedansstýring mikilvægur þáttur í hönnun prentplata. Þar sem nútíma stafrænar rásir hafa styttri merkjasendingartíma og hærri klukkuhraða eru prentplötur ekki lengur einfaldar tengingar, heldur samsvarandi flutningslínur. Impedansstýring prentplata vísar til að stjórna flutningshraða og impedanssamsvörun merkja á prentplötunni til að tryggja gæði og stöðugleika merkjasendingarinnar.

Í reynd er nauðsynlegt að stjórna rekjaviðnáminu þegar stafrænn jaðarhraði er hærri en 1 ns eða hliðræna tíðnin fer yfir 300 MHz. Einn af lykilþáttum prentkortsrekja er einkennandi viðnám þess (þ.e. hlutfall spennu og straums þegar bylgjan er send eftir merkjasendingarlínunni). Einkennandi viðnám víra á prentplötum er mikilvægur vísir fyrir hönnun prentplata. Sérstaklega í hönnun hátíðni prentplata er nauðsynlegt að íhuga hvort einkennandi viðnám vírsins sé í samræmi við eða passi við nauðsynlega einkennandi viðnám tækisins eða merkisins. Þetta felur í sér tvö hugtök: viðnámsstýringu og viðnámsjöfnun. Þessi grein fjallar um viðnámsstýringu og staflahönnun.

Ýmis merki berast í leiðurum prentplötunnar. Til að bæta flutningshraða hennar verður að auka tíðnina. Viðnámsgildi rafrásarinnar sjálfrar er breytilegt vegna þátta eins og etsunar, þykktar lags og breiddar vírs o.s.frv., sem veldur merkisröskun. Þess vegna ætti að stjórna viðnámsgildi leiðara á hraðskreiðum prentplötum innan ákveðins bils, sem kallast „viðnámsstýring“.

Viðnám PCB-slóða er ákvarðað af spanstuðli þeirra, viðnámi og leiðnistuðli. Þættirnir sem hafa áhrif á viðnám PCB-víra eru aðallega breidd og þykkt koparvírsins, rafsvörunarstuðull og þykkt miðilsins, þykkt lóðpúðans, leið jarðvírsins og vírarnir í kringum vírana, o.s.frv. Viðnám PCB er á bilinu 25 til 120 ohm.

Í reynd samanstanda rafrásarlínur fyrir prentplötur (PCB) yfirleitt af vírstreng, einu eða fleiri viðmiðunarlögum og einangrunarefni. Strengurinn og lagið mynda stýriviðnámið. Prentplötur nota oft marglaga uppbyggingu og viðnámsstýring getur einnig verið smíðuð á ýmsa vegu. Hins vegar, óháð því hvaða aðferð er notuð, mun viðnámsgildið ráðast af efnislegri uppbyggingu þess og rafeindaeiginleikum einangrunarefnisins:

Örræma er vírræma sem vísar til flutningslínu þar sem aðeins ein hlið hefur viðmiðunarplan. Efri hliðin og hliðarnar eru útsettar fyrir lofti (eða húðaðar) og eru staðsettar á yfirborði prentplötu með einangrunarstuðlinum Er, með aflgjafa- eða jarðlagið sem viðmiðun. Eins og sést á eftirfarandi mynd:

Athugið: Í raunverulegri framleiðslu á prentplötum húðar prentplötuverksmiðjan venjulega lag af grænu bleki á yfirborð prentplötunnar. Þess vegna er líkanið sem sýnt er á eftirfarandi mynd venjulega notað fyrir yfirborðs örstrimleiðslur í raunverulegum impedansútreikningum.

Ræma af vír er ræma sem sett er á milli tveggja viðmiðunarflata, eins og sýnt er á eftirfarandi mynd. Rafstuðlarnir í rafskautinu sem H1 og H2 tákna geta verið mismunandi.

Ofangreind tvö tilvik eru bara dæmigerð sýnikennsla á örröndum og röndum, sem venjulega eru notaðar til að læra á innbyggðum IoT greindarvélbúnaði og öðrum kerfum. Það eru til margar sérstakar gerðir af örröndum og röndum, svo sem húðaðar örrendur, sem tengjast sértækri staflingsbyggingu prentplata.

Jafnan sem notuð er til að reikna út einkennandi impedans krefst flókinna stærðfræðilegra útreikninga, oftast með því að nota sviðslausnaraðferðir, þar á meðal greiningu á jaðarþáttum. Þess vegna, með því að nota sérhæfðan impedansreikningshugbúnað SI9000, þurfum við aðeins að stjórna breytum einkennandi impedans:

Rafstuðullinn Er einangrunarlagsins, breidd víranna W1 og W2 (trapisulaga), þykkt víranna T og þykkt einangrunarlagsins H.

W – hönnuð línubreidd

A – etsingartap (sjá töflu að ofan)

Ástæðan fyrir ósamræmi í breidd milli efri og neðri hluta línunnar er sú að við framleiðsluferli prentplata á sér stað tæring frá toppi til botns, sem leiðir til trapisulaga lögun tærðu línunnar.

Samsvarandi samband er á milli línuþykktar T og koparþykktar þessa lags, sem hér segir:

* Vegna lítilla áhrifa þykktar lóðgrímu á impedans er gert ráð fyrir að hún sé fast gildi upp á 0,5 mil.

Við getum náð viðnámsstýringu með því að stjórna þessum breytum. Með því að taka neðri prentplötu Anwei sem dæmi munum við útskýra skrefin í viðnámsstýringu og notkun SI9000:

Annað lagið er jarðplanið, fimmta lagið er aflplanið og hin lögin eru merkjalögin.

Útskýring: Rafleiðni milli millilaganna er FR-4, með rafleiðnifastuðli upp á 4,2; Efri og neðri lögin eru ber lög sem komast í beina snertingu við loft, og rafleiðnifastuðull loftsins er 1.

Hönnuðir prentplata geta nýtt sér stigveldisbyggingu prentplata til fulls til að ná fram viðnámsstýringu. Með því að setja mismunandi merkjalög í mismunandi lagastöður er hægt að stjórna millilagsrýmd og spanstuðul á áhrifaríkan hátt. Almennt séð eru efni með háu viðnámi notuð í innra laginu og efni með lágu viðnámi í ytra laginu til að draga úr áhrifum endurskins og krossheyrslu.

Mismunandi merkjasendingarlínur geta veitt betri truflunarvörn og minni hættu á krossheyrslu. Mismunandi merkjasendingarlínur eru tvær samsíða vírar með gagnstæðri spennu en jafnstórum, sem geta veitt betri merkisheilleika og truflunarvörn. Viðnám mismunandi merkjasendingarlína er venjulega stjórnað með vali á línubili, breidd og jarðfleti.

Rúmfræðilegar breytur eins og línubreidd, línubil og skipulag á prentplötum er einnig hægt að nota til að stjórna viðnámi. Fyrir algengar örröndarlínur getur þykkari línubreidd og stærra línubil dregið úr viðnámi. Fyrir koaxískar línur geta minni innri þvermál línunnar og stærri ytri radíus línunnar aukið viðnámið. Val á raflögnunarrúmfræði krefst hagræðingar út frá sérstökum viðnámskröfum og merkistíðni.

Rafstuðullinn í prentplötum (PCB) hefur einnig áhrif á viðnám. Að velja efni með stöðuga rafeiginleika er hluti af viðnámsstýringu. Í hátíðni- og hraðaforritum eru algeng efni eins og FR-4 (glerþráðarstyrkt plata), PTFE (pólýtetraflúoróetýlen) og RF (útvarpsbylgjur) lagskiptingar.

Áður en prentplötur eru hannaðar getur notkun hermunar- og hönnunartækja hjálpað hönnuðum að staðfesta og hámarka viðnám fljótt og nákvæmlega. Þessi verkfæri geta hermt eftir hegðun rafrása, tapi á merkjasendingum og rafsegulfræðilegum víxlverkunum til að ákvarða bestu hönnunarbreytur prentplötunnar. Algeng hermunarverkfæri eru meðal annars CST Studio Suite, HyperLynx og ADS.

Stýring á impedansi í prentplötum gegnir lykilhlutverki í hraðvirkum stafrænum og hliðrænum rásum. Með skynsamlegri stigveldishönnun, notkun mismunandi merkjasendingarlína, stjórnun á raflögnum, vali á viðeigandi prentplötuefnum og notkun hermunar- og hönnunartækja er hægt að ná nákvæmri impedansstýringu og þar með bæta afköst rásarinnar og merkisheilleika.