Che cos'è il controllo dell'impedenza e come eseguirlo sui PCB

Nella progettazione dei moderni dispositivi elettronici, i PCB svolgono un ruolo cruciale. Le prestazioni dei PCB influiscono direttamente sulla stabilità, l'affidabilità e l'efficienza di trasmissione dell'intero sistema elettronico. Tra questi, il controllo dell'impedenza è una parte importante della progettazione dei PCB. Poiché i moderni circuiti digitali hanno tempi di trasmissione del segnale più brevi e frequenze di clock più elevate, le tracce dei PCB non sono più semplici connessioni, ma linee di trasmissione. Il controllo dell'impedenza dei PCB si riferisce al controllo della velocità di trasmissione e dell'adattamento dell'impedenza dei segnali sul PCB per garantire la qualità e la stabilità della trasmissione del segnale.

In situazioni pratiche, è necessario controllare l'impedenza di traccia quando la velocità marginale digitale è superiore a 1 ns o la frequenza analogica supera i 300 MHz. Uno dei parametri chiave della traccia del PCB è la sua impedenza caratteristica (ovvero il rapporto tra tensione e corrente quando l'onda viene trasmessa lungo la linea di trasmissione del segnale). L'impedenza caratteristica dei fili sui PCB è un indicatore importante della progettazione del PCB. Soprattutto nella progettazione di PCB ad alta frequenza, è necessario valutare se l'impedenza caratteristica del filo sia coerente o corrisponda all'impedenza caratteristica richiesta del dispositivo o del segnale. Ciò implica due concetti: controllo dell'impedenza e adattamento dell'impedenza. Questo articolo si concentra sulle problematiche del controllo dell'impedenza e della progettazione dello stack.

Nei conduttori del PCB vengono trasmessi vari segnali. Per migliorare la velocità di trasmissione, è necessario aumentarne la frequenza. Il valore di impedenza del circuito stesso varia a causa di fattori come l'incisione, lo spessore dello strato e la larghezza del filo, ecc., causando distorsioni del segnale. Pertanto, il valore di impedenza dei conduttori sui PCB ad alta velocità deve essere controllato entro un certo intervallo, chiamato "controllo dell'impedenza".

L'impedenza delle tracce del PCB è determinata dalla loro induttanza induttiva e capacitiva, dalla resistenza e dal coefficiente di conduttività. I ​​fattori che influenzano l'impedenza del cablaggio del PCB includono principalmente la larghezza e lo spessore del filo di rame, la costante dielettrica e lo spessore del mezzo, lo spessore della piazzola di saldatura, il percorso del filo di terra e il cablaggio attorno al cablaggio, ecc. L'intervallo di impedenza del PCB è compreso tra 25 e 120 ohm.

In pratica, le linee di trasmissione PCB sono tipicamente costituite da una traccia di filo, uno o più strati di riferimento e materiali isolanti. La traccia e lo strato costituiscono l'impedenza di controllo. I PCB adottano spesso strutture multistrato e anche il controllo dell'impedenza può essere realizzato in vari modi. Tuttavia, indipendentemente dal metodo utilizzato, il valore dell'impedenza sarà determinato dalla sua struttura fisica e dalle proprietà elettroniche del materiale isolante:

Una microstriscia è una striscia di filo che si riferisce a una linea di trasmissione con un solo lato dotato di un piano di riferimento. La parte superiore e i lati sono esposti all'aria (o rivestiti) e si trovano sulla superficie di un PCB con isolamento costante Er, con lo strato di alimentazione o di massa come riferimento. Come mostrato nella figura seguente:

Nota: nella produzione effettiva di PCB, lo stabilimento di produzione solitamente ricopre la superficie del PCB con uno strato di inchiostro verde. Pertanto, nei calcoli di impedenza reali, per le linee di microstriscia superficiali viene solitamente utilizzato il modello mostrato nella figura seguente.

Una stripline è una striscia di filo posta tra due piani di riferimento, come mostrato nella figura seguente. Le costanti dielettriche del dielettrico rappresentate da H1 e H2 possono essere diverse.

I due casi sopra riportati sono solo una tipica dimostrazione di microstrip e stripline, solitamente utilizzati per l'apprendimento di hardware intelligente IoT embedded e altri sistemi. Esistono molti tipi specifici di microstrip e stripline, come la microstrip rivestita, che sono correlati alla specifica struttura di impilamento dei PCB.

L'equazione utilizzata per calcolare l'impedenza caratteristica richiede calcoli matematici complessi, solitamente basati su metodi di risoluzione di campo, inclusa l'analisi degli elementi al contorno. Pertanto, utilizzando il software specializzato per il calcolo dell'impedenza SI9000, tutto ciò che dobbiamo fare è controllare i parametri dell'impedenza caratteristica:

La costante dielettrica Er dello strato isolante, la larghezza del cablaggio W1 e W2 (trapezoidale), lo spessore del cablaggio T e lo spessore dello strato isolante H.

W – larghezza della linea progettata

A – perdita di incisione (vedi tabella sopra)

Il motivo della larghezza non uniforme tra la parte superiore e quella inferiore della linea è che durante il processo di produzione dei PCB la corrosione avviene dall'alto verso il basso, dando luogo a una forma trapezoidale della linea corrosa.

Esiste una relazione corrispondente tra lo spessore della linea T e lo spessore del rame di questo strato, come segue:

* Poiché lo spessore della maschera di saldatura ha una piccola influenza sull'impedenza, si presume che sia un valore costante di 0,5 mil.

Possiamo ottenere il controllo dell'impedenza controllando questi parametri. Prendendo come esempio il PCB inferiore di Anwei, spiegheremo i passaggi del controllo dell'impedenza e l'uso di SI9000:

Il secondo strato è il piano di massa, il quinto strato è il piano di potenza e gli strati rimanenti sono gli strati del segnale.

Spiegazione: Il dielettrico tra gli strati intermedi è FR-4, con una costante dielettrica di 4,2; gli strati superiore e inferiore sono strati nudi che entrano in contatto diretto con l'aria e la costante dielettrica dell'aria è 1.

I progettisti di PCB possono sfruttare appieno la struttura gerarchica dei PCB per ottenere il controllo dell'impedenza. Posizionando diversi strati di segnale in posizioni diverse, è possibile controllare efficacemente la capacità e l'induttanza interstrato. In generale, lo strato interno utilizza materiali ad alta impedenza e lo strato esterno materiali a bassa impedenza per ridurre l'impatto di riflessioni e diafonia.

Le linee di trasmissione del segnale differenziale possono offrire una migliore capacità anti-interferenza e un rischio di diafonia inferiore. Le linee di trasmissione del segnale differenziale sono costituite da una coppia di fili paralleli con tensioni opposte ma di uguale sezione, che possono fornire una migliore integrità del segnale e una migliore capacità anti-interferenza. L'impedenza delle linee di trasmissione del segnale differenziale è solitamente controllata dalla selezione della spaziatura tra le linee, della larghezza e del piano di massa.

Anche parametri geometrici come la larghezza, la spaziatura e il layout delle linee del PCB possono essere utilizzati per controllare l'impedenza. Per le linee microstrip più comuni, una larghezza di linea più spessa e una spaziatura maggiore possono ridurre l'impedenza. Per le linee coassiali, diametri interni più piccoli e raggi esterni più grandi possono aumentare l'impedenza. La selezione della geometria del cablaggio richiede un'ottimizzazione in base ai requisiti specifici di impedenza e alla frequenza del segnale.

Anche la costante dielettrica dei materiali per PCB influisce sull'impedenza. La scelta di materiali con proprietà dielettriche stabili è parte integrante del controllo dell'impedenza. Nelle applicazioni ad alta frequenza e ad alta velocità, i materiali comunemente utilizzati includono FR-4 (pannello rinforzato con fibra di vetro), PTFE (politetrafluoroetilene) e laminati RF (radiofrequenza).

Prima della progettazione del PCB, l'utilizzo di strumenti di simulazione e progettazione può aiutare i progettisti a verificare e ottimizzare l'impedenza in modo rapido e accurato. Questi strumenti possono simulare il comportamento del circuito, le perdite di trasmissione del segnale e le interazioni elettromagnetiche per determinare i parametri ottimali di progettazione del PCB. Alcuni strumenti di simulazione comuni includono CST Studio Suite, HyperLynx e ADS.

Il controllo dell'impedenza del PCB svolge un ruolo cruciale nei circuiti digitali e analogici ad alta velocità. Attraverso una progettazione gerarchica razionale, l'uso di linee di trasmissione del segnale differenziali, il controllo della geometria del cablaggio, la selezione di materiali PCB appropriati e l'impiego di strumenti di simulazione e progettazione, è possibile ottenere un controllo preciso dell'impedenza, migliorando così le prestazioni del circuito e l'integrità del segnale.