מהי בקרת עכבה וכיצד לבצע בקרת עכבה על מעגלים מודפסים (PCB)

בתכנון של מכשירים אלקטרוניים מודרניים, למעגלים מודפסים (PCBs) תפקיד מכריע. ביצועי המעגלים המודפסים משפיעים ישירות על היציבות, האמינות ויעילות ההעברה של המערכת האלקטרונית כולה. ביניהם, בקרת עכבה היא חלק חשוב בתכנון המעגלים המודפסים. מכיוון שלמעגלים דיגיטליים מודרניים יש זמני שידור אותות קצרים יותר וקצבי שעון גבוהים יותר, עקבות המעגלים המודפסים (PCBs) כבר אינן חיבורים פשוטים, אלא קווי תמסורת בהתאם. בקרת עכבה של המעגלים המודפסים (PCBs) מתייחסת לשליטה על מהירות השידור והתאמת העכבה של אותות על גבי המעגל המודפס (PCB) כדי להבטיח את איכות ויציבות שידור האותות.

במצבים מעשיים, יש צורך לשלוט בעכבת העקיבה כאשר המהירות השולית הדיגיטלית גבוהה מ-1 ננו-שנייה או שהתדר האנלוגי עולה על 300 מגה-הרץ. אחד הפרמטרים המרכזיים של עקבת המעגל המודפס הוא העכבה האופיינית שלה (כלומר, היחס בין מתח לזרם כאשר הגל מועבר לאורך קו העברת האות). העכבה האופיינית של חוטים על גבי מעגלים מודפסים היא אינדיקטור חשוב לתכנון מעגל מודפס. במיוחד בתכנון מעגל מודפס בתדר גבוה, יש צורך לשקול האם העכבה האופיינית של החוט עולה בקנה אחד עם העכבה האופיינית הנדרשת של המכשיר או האות. זה כרוך בשני מושגים: בקרת עכבה והתאמת עכבה. מאמר זה מתמקד בנושאים של בקרת עכבה ותכנון מחסנית.

ישנם אותות שונים המועברים במוליכים של המעגל המודפס (PCB). על מנת לשפר את קצב ההעברה שלו, יש להגדיל את התדר שלו. ערך העכבה של המעגל עצמו משתנה עקב גורמים כמו איכול, עובי השכבה ורוחב החוט וכו', מה שגורם לעיוות אות. לכן, ערך העכבה של המוליכים על מעגלים מודפסים במהירות גבוהה צריך להיות מבוקר בטווח מסוים, הנקרא "בקרת עכבה".

עכבת חיווט המעגל המודפס נקבעת על ידי ההשראות האינדוקטיבית והקיבולית שלהם, ההתנגדות ומקדם המוליכות. הגורמים המשפיעים על עכבת חיווט המעגל המודפס כוללים בעיקר את רוחב ועובי חוט הנחושת, הקבוע הדיאלקטרי ועובי התווך, עובי משטח ההלחמה, מסלול חוט ההארקה והחיווט סביב החיווט וכו'. טווח עכבת המעגל המודפס הוא 25 עד 120 אוהם.

בפועל, קווי תמסורת של מעגלים מודפסים מורכבים בדרך כלל ממסלול חוט, שכבת ייחוס אחת או יותר, וחומרי בידוד. המסלול והשכבה מהווים את עכבת הבקרה. מעגלים מודפסים מאמצים לעתים קרובות מבנים רב-שכבתיים, ובקרת עכבה יכולה להיבנות גם בדרכים שונות. עם זאת, ללא קשר לשיטה בה נעשה שימוש, ערך העכבה ייקבע על ידי המבנה הפיזי שלו והתכונות האלקטרוניות של חומר הבידוד:

מיקרוסטריפ הוא רצועת חוט המתייחסת לקו תמסורת שרק צד אחד שלו בעל מישור ייחוס. החלק העליון והצדדים חשופים לאוויר (או מצופים) וממוקמים על פני השטח של PCB בעל קבוע הבידוד Er, כאשר שכבת ההספק או שכבת הארקה משמשת כייחוס. כפי שמוצג באיור הבא:

הערה: בייצור PCB בפועל, מפעל ה-PCB בדרך כלל מצפה שכבה של דיו ירוק על פני ה-PCB. לכן, בחישובי עכבה בפועל, המודל המוצג באיור הבא משמש בדרך כלל עבור קווי מיקרוסטריפ על פני השטח.

רצועת חוט היא רצועת חוט הממוקמת בין שני מישורי ייחוס, כפי שמוצג באיור הבא. הקבועים הדיאלקטריים של החומר הדיאלקטרי המיוצגים על ידי H1 ו-H2 יכולים להיות שונים.

שני המקרים הנ"ל הם רק הדגמה אופיינית של מיקרוסטריפ וקווי סטריפ, המשמשים בדרך כלל ללמידה של חומרה חכמה משובצת של האינטרנט של הדברים ומערכות אחרות. ישנם סוגים רבים וספציפיים של מיקרוסטריפ וקווי סטריפ, כגון מיקרוסטריפ מצופה, הקשורים למבנה הערימה הספציפי של מעגלים מודפסים (PCBs).

המשוואה המשמשת לחישוב עכבה אופיינית דורשת חישובים מתמטיים מורכבים, בדרך כלל באמצעות שיטות פתרון שדות, כולל ניתוח אלמנטי גבול. לכן, באמצעות תוכנת חישוב עכבה ייעודית SI9000, כל שעלינו לעשות הוא לשלוט בפרמטרים של עכבה אופיינית:

הקבוע הדיאלקטרי Er של שכבת הבידוד, רוחב החיווט W1 ו-W2 (טרפז), עובי החיווט T ועובי שכבת הבידוד H.

W – רוחב קו מעוצב

א – אובדן איכול (ראה טבלה לעיל)

הסיבה לרוחב הלא עקבי בין החלק העליון לתחתית הקו היא שבמהלך תהליך הייצור של מעגלים מודפסים (PCBs), מתרחשת קורוזיה מלמעלה למטה, וכתוצאה מכך נוצרת צורה טרפזית של הקו שעבר קורוזיה.

ישנו קשר מקביל בין עובי הקו T לעובי הנחושת של שכבה זו, כדלקמן:

* עקב ההשפעה הקטנה של עובי מסכת ההלחמה על העכבה, ההנחה היא שמדובר בערך קבוע של 0.5 מיל.

אנו יכולים להשיג בקרת עכבה על ידי שליטה בפרמטרים אלה. ניקח לדוגמה את המעגל המודפס התחתון של Anwei, ונסביר את שלבי בקרת העכבה ואת השימוש ב-SI9000:

השכבה השנייה היא מישור הקרקע, השכבה החמישית היא מישור ההספק, והשכבות הנותרות הן שכבות האות.

הסבר: הקבוע הדיאלקטרי בין השכבות הביניים הוא FR-4, עם קבוע דיאלקטרי של 4.2; השכבות העליונות והתחתונות הן שכבות חשופות שבאות במגע ישיר עם אוויר, והקבוע הדיאלקטרי של האוויר הוא 1.

מתכנני מעגלים מודפסים (PCBs) יכולים לנצל באופן מלא את המבנה ההיררכי של מעגלים מודפסים (PCBs) כדי להשיג בקרת עכבה. על ידי הצבת שכבות אות שונות במיקומי שכבה שונים, ניתן לשלוט ביעילות בקיבול ובהשראות הבין-שכבתיות. באופן כללי, השכבה הפנימית משתמשת בחומרים בעלי עכבה גבוהה והשכבה החיצונית משתמשת בחומרים בעלי עכבה נמוכה כדי להפחית את השפעת ההחזרה והעברה.

קווי תמסורת אותות דיפרנציאליים יכולים לספק יכולת טובה יותר נגד הפרעות וסיכון נמוך יותר של ערבוב דיבור. קווי תמסורת אותות דיפרנציאליים הם זוג חוטים מקבילים בעלי מתחים מנוגדים אך בגדלים שווים, שיכולים לספק שלמות אות טובה יותר ויכולת נגד הפרעות. העכבה של קווי תמסורת אותות דיפרנציאליים נשלטת בדרך כלל על ידי בחירת מרווח הקווים, הרוחב ומישור הארקה.

פרמטרים גיאומטריים כגון רוחב קווי המעגל המודפס, מרווחים ופריסה יכולים לשמש גם הם לשליטה בעכבה. עבור קווי מיקרוסטריפ נפוצים, רוחב קו עבה יותר ומרווחים גדולים יותר יכולים להפחית את העכבה. עבור קווים קואקסיאליים, קוטר פנימי קטן יותר של הקו ורדיוסים חיצוניים גדולים יותר יכולים להגדיל את העכבה. בחירת גיאומטריית החיווט דורשת אופטימיזציה המבוססת על דרישות עכבה ספציפיות ותדר האות.

הקבוע הדיאלקטרי של חומרי PCB משפיע גם הוא על העכבה. בחירת חומרים בעלי תכונות דיאלקטריות יציבות היא חלק מבקרת העכבה. ביישומים בתדר גבוה ובמהירות גבוהה, חומרים נפוצים כוללים FR-4 (לוח מחוזק בסיבי זכוכית), PTFE (פוליטטראפלואורואתילן) ולמינציות RF (תדר רדיו).

לפני תכנון PCB, שימוש בכלי סימולציה ותכנון יכול לעזור למתכננים לאמת ולמטב את העכבה במהירות ובדייקנות. כלים אלה יכולים לדמות התנהגות מעגל, הפסדי העברת אותות ואינטראקציות אלקטרומגנטיות כדי לקבוע את פרמטרי תכנון ה-PCB האופטימליים. כמה כלי סימולציה נפוצים כוללים את CST Studio Suite, HyperLynx ו-ADS.

בקרת עכבת PCB ממלאת תפקיד מכריע במעגלים דיגיטליים ואנלוגיים במהירות גבוהה. באמצעות תכנון היררכי סביר, שימוש בקווי תמסורת אותות דיפרנציאליים, שליטה בגיאומטריית החיווט, בחירת חומרי PCB מתאימים ושימוש בכלי סימולציה ותכנון, ניתן להשיג בקרת עכבה מדויקת, ובכך לשפר את ביצועי המעגל ואת שלמות האות.