Импедансты басқару дегеніміз не және баспа платаларында импедансты басқаруды қалай орындау керек

Қазіргі заманғы электронды құрылғыларды жобалауда ПХД шешуші рөл атқарады. ПХД өнімділігі бүкіл электрондық жүйенің тұрақтылығына, сенімділігіне және беру тиімділігіне тікелей әсер етеді. Олардың ішінде импедансты басқару ПХД дизайнының маңызды бөлігі болып табылады. Қазіргі заманғы сандық тізбектерде сигнал беру уақыты қысқа және тактілік жиілік жоғары болғандықтан, ПХД іздері енді қарапайым қосылымдар емес, сәйкесінше беру желілері болып табылады. ПХД импедансын басқару сигнал беру сапасы мен тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін ПХД-дағы сигналдардың беру жылдамдығын және импеданс сәйкестігін басқаруды білдіреді.

Практикалық жағдайларда, сандық шекті жылдамдық 1 нс-тен жоғары болғанда немесе аналогтық жиілік 300 МГц-тен асқанда іздік кедергіні басқару қажет. Бастапқы тақта ізінің негізгі параметрлерінің бірі - оның сипаттамалық кедергісі (яғни, сигнал беру желісі бойымен толқын берілген кездегі кернеудің ток күшіне қатынасы). Бастапқы тақталардағы сымдардың сипаттамалық кедергісі Бастапқы тақта дизайнының маңызды көрсеткіші болып табылады. Әсіресе жоғары жиілікті Бастапқы тақта дизайнында сымның сипаттамалық кедергісі құрылғының немесе сигналдың қажетті сипаттамалық кедергісіне сәйкес келетінін немесе сәйкес келетінін ескеру қажет. Бұл 2 тұжырымдаманы қамтиды: кедергіні басқару және кедергіні сәйкестендіру. Бұл мақалада кедергіні басқару және стек дизайны мәселелеріне назар аударылады.

Баспа платасының өткізгіштерінде әртүрлі сигналдар беріледі. Оның берілу жылдамдығын жақсарту үшін оның жиілігін арттыру қажет. Тізбектің кедергі мәні сигналдың бұрмалануына әкелетін ойық, қабат қалыңдығы және сым ені сияқты факторларға байланысты өзгереді. Сондықтан, жоғары жылдамдықты баспа платаларындағы өткізгіштердің кедергі мәні белгілі бір диапазонда басқарылуы керек, ол «импедансты басқару» деп аталады.

Бастапқы тақта іздерінің кедергісі олардың индуктивті және сыйымдылық индуктивтілігімен, кедергісімен және өткізгіштік коэффициентімен анықталады. Бастапқы тақта сымдарының кедергісіне әсер ететін факторларға негізінен мыс сымның ені мен қалыңдығы, диэлектрлік тұрақтысы және ортаның қалыңдығы, дәнекерлеу төсемінің қалыңдығы, жерге қосу сымының жолы және сымдардың айналасындағы сым және т.б. жатады. Бастапқы тақта кедергісінің диапазоны 25-тен 120 омға дейін.

Іс жүзінде, ПХД беру желілері әдетте сым ізінен, бір немесе бірнеше анықтамалық қабаттардан және оқшаулағыш материалдардан тұрады. Із бен қабат басқару кедергісін құрайды. ПХД көбінесе көп қабатты құрылымдарды қабылдайды, ал кедергіні басқаруды әртүрлі жолдармен де құруға болады. Дегенмен, қолданылатын әдіске қарамастан, кедергі мәні оның физикалық құрылымымен және оқшаулағыш материалдың электрондық қасиеттерімен анықталады:

Микрожолақ - бұл тек бір жағында тірек жазықтығы бар электр беру желісіне қатысты сым жолағы. Жоғарғы және бүйірлері ауаға ашық (немесе жабынды) және оқшаулау тұрақтысы Er PCB бетінде орналасқан, ал қуат немесе жер қабаты тірек ретінде қолданылады. Келесі суретте көрсетілгендей:

Ескерту: Нақты ПХД өндірісінде ПХД зауыты әдетте ПХД бетіне жасыл сия қабатын жағады. Сондықтан, нақты импеданс есептеулерінде келесі суретте көрсетілген модель әдетте беттік микрожолақты сызықтар үшін қолданылады.

Жолақ сызық - келесі суретте көрсетілгендей, 2 тірек жазықтықтарының арасына орналастырылған сым жолағы. H1 және H2 арқылы көрсетілген диэлектриктің диэлектрлік тұрақтылары әртүрлі болуы мүмкін.

Жоғарыда келтірілген 2 жағдай микрожолақтар мен жолақ сызықтарының типтік көрсетілімі болып табылады, олар әдетте ендірілген IoT интеллектуалды жабдықтарын және басқа жүйелерді үйрену үшін қолданылады. ПХД-ның нақты қабаттасу құрылымына байланысты жабыны бар микрожолақтар сияқты көптеген микрожолақтар мен жолақ сызықтарының нақты түрлері бар.

Сипаттамалық кедергіні есептеу үшін қолданылатын теңдеу күрделі математикалық есептеулерді қажет етеді, әдетте шекаралық элементтерді талдауды қоса алғанда, өрісті шешу әдістерін қолданады. Сондықтан, SI9000 мамандандырылған импеданс есептеу бағдарламалық жасақтамасын пайдалану арқылы бізге тек сипаттамалық кедергі параметрлерін басқару керек:

Оқшаулау қабатының диэлектрлік тұрақтысы Er, сымдардың ені W1 және W2 (трапеция), сымдардың қалыңдығы T және оқшаулау қабатының қалыңдығы H.

W – жобаланған сызық ені

A – ою шығыны (жоғарыдағы кестені қараңыз)

Желінің жоғарғы және төменгі енінің сәйкес келмеуінің себебі, ПХД өндіру процесінде коррозия жоғарыдан төменге қарай жүреді, нәтижесінде коррозияланған желінің трапеция тәрізді пішіні пайда болады.

Сызық қалыңдығы T мен осы қабаттың мыс қалыңдығы арасында келесідей сәйкес байланыс бар:

* Дәнекерлеу маскасының қалыңдығының кедергіге аз әсер етуіне байланысты, ол 0,5 миль тұрақты мән деп есептеледі.

Біз осы параметрлерді басқару арқылы импедансты басқаруға қол жеткізе аламыз. Anwei компаниясының төменгі баспа платасын мысал ретінде ала отырып, импедансты басқару қадамдарын және SI9000 қолдануды түсіндіреміз:

Екінші қабат - жерге қосу жазықтығы, бесінші қабат - қуат жазықтығы, ал қалған қабаттар - сигнал қабаттары.

Түсіндірме: Аралық қабаттар арасындағы диэлектрик FR-4 болып табылады, диэлектрлік тұрақтысы 4,2; Жоғарғы және төменгі қабаттар ауамен тікелей жанасатын жалаңаш қабаттар болып табылады, ал ауаның диэлектрлік тұрақтысы 1-ге тең.

Бастапқы тақта дизайнерлері импедансты басқаруға қол жеткізу үшін баспа тақталарының иерархиялық құрылымын толық пайдалана алады. Әр түрлі сигнал қабаттарын әртүрлі қабат позицияларына орналастыру арқылы қабатаралық сыйымдылық пен индуктивтілікті тиімді басқаруға болады. Жалпы алғанда, ішкі қабат шағылысу мен айқаспалы әсерді азайту үшін жоғары импеданс материалдарын, ал сыртқы қабат төмен импеданс материалдарын пайдаланады.

Дифференциалды сигнал беру желілері кедергілерге қарсы жақсырақ қабілеттілікті және айқас кедергі қаупін төмендете алады. Дифференциалды сигнал беру желілері - қарама-қарсы кернеулері бар, бірақ өлшемдері бірдей параллель сымдар жұбы, бұл сигнал тұтастығын және кедергілерге қарсы жақсырақ қабілетті қамтамасыз ете алады. Дифференциалды сигнал беру желілерінің кедергісі әдетте сызық аралығын, енін және жерге қосу жазықтығын таңдау арқылы басқарылады.

Кедергіні басқару үшін PCB желісінің ені, арақашықтығы және орналасуы сияқты геометриялық параметрлерді де пайдалануға болады. Жалпы микрожолақты желілер үшін қалыңырақ желі ені және үлкен арақашықтық кедергіні азайтуы мүмкін. Коаксиалды желілер үшін кішірек ішкі желі диаметрлері және үлкенірек сыртқы желі радиустары кедергіні арттыруы мүмкін. Сымдар геометриясын таңдау нақты кедергі талаптары мен сигнал жиілігіне негізделген оңтайландыруды қажет етеді.

ПХД материалдарының диэлектрлік тұрақтысы да импедансқа әсер етеді. Тұрақты диэлектрлік қасиеттері бар материалдарды таңдау импедансты басқарудың бір бөлігі болып табылады. Жоғары жиілікті және жоғары жылдамдықты қолданбаларда жиі қолданылатын материалдарға FR-4 (шыны талшықты арматураланған тақта), PTFE (политетрафторэтилен) және RF (радиожиілік) ламинаттары жатады.

Бастапқы платаны жобалау алдында модельдеу және жобалау құралдарын пайдалану дизайнерлерге кедергіні тез және дәл тексеруге және оңтайландыруға көмектеседі. Бұл құралдар оңтайлы Бастапқы платаны жобалау параметрлерін анықтау үшін тізбектің жұмысын, сигнал беру шығындарын және электромагниттік өзара әрекеттесуді модельдей алады. Кейбір кең таралған модельдеу құралдарына CST Studio Suite, HyperLynx және ADS жатады.

Бастапқы тақтаның импедансын басқару жоғары жылдамдықты сандық және аналогтық тізбектерде шешуші рөл атқарады. Ақылға қонымды иерархиялық дизайн, дифференциалды сигнал беру желілерін пайдалану, сым геометриясын басқару, тиісті баспа тақтасының материалдарын таңдау және модельдеу және жобалау құралдарын пайдалану арқылы дәл импедансты басқаруға қол жеткізуге болады, осылайша тізбектің өнімділігі мен сигналдың тұтастығын жақсартады.