Kas yra impedanso valdymas ir kaip atlikti impedanso valdymą spausdintinėse plokštėse?

Projektuojant šiuolaikinius elektroninius prietaisus, spausdintinės plokštės (PCB) vaidina lemiamą vaidmenį. PCB našumas tiesiogiai veikia visos elektroninės sistemos stabilumą, patikimumą ir perdavimo efektyvumą. Tarp jų impedanso valdymas yra svarbi PCB projektavimo dalis. Kadangi šiuolaikinės skaitmeninės grandinės turi trumpesnį signalo perdavimo laiką ir didesnį takto dažnį, PCB trasos nebėra paprastos jungtys, o atitinkamai perdavimo linijos. PCB impedanso valdymas reiškia signalų perdavimo greičio ir impedanso suderinimo PCB valdymą, siekiant užtikrinti signalo perdavimo kokybę ir stabilumą.

Praktinėse situacijose būtina valdyti signalo varžą, kai skaitmeninis ribinis greitis yra didesnis nei 1 ns arba analoginis dažnis viršija 300 MHz. Vienas iš pagrindinių spausdintinės plokštės (PCB) signalo varžos parametrų yra jos būdingoji varža (t. y. įtampos ir srovės santykis, kai banga perduodama signalo perdavimo linija). Laidų, esančių ant PCB, būdingoji varža yra svarbus PCB projektavimo rodiklis. Ypač projektuojant aukšto dažnio PCB, būtina atsižvelgti į tai, ar laido būdingoji varža atitinka arba atitinka reikiamą įrenginio ar signalo būdingąją varžą. Tai apima 2 sąvokas: varžos valdymą ir varžos suderinimą. Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama varžos valdymo ir stekų projektavimo klausimams.

PCB laidininkais perduodami įvairūs signalai. Norint pagerinti perdavimo greitį, reikia padidinti dažnį. Pačios grandinės impedanso vertė kinta dėl tokių veiksnių kaip ėsdinimas, sluoksnio storis ir laido plotis ir kt., todėl iškraipomi signalai. Todėl didelės spartos PCB laidininkų impedanso vertė turėtų būti kontroliuojama tam tikrame diapazone, kuris vadinamas „impedanso valdymu“.

PCB laidų varža nustatoma pagal jų indukcinį ir talpinį induktyvumą, varžą ir laidumo koeficientą. PCB laidų varžą daugiausia lemia vario laido plotis ir storis, terpės dielektrinė konstanta ir storis, litavimo vietos storis, įžeminimo laido kelias ir laidų išdėstymas aplink laidus ir kt. PCB varžos diapazonas yra nuo 25 iki 120 omų.

Praktiškai spausdintinių plokščių perdavimo linijos paprastai susideda iš laido takelio, vieno ar kelių etaloninių sluoksnių ir izoliacinių medžiagų. Trajektorija ir sluoksnis sudaro valdymo varžą. Spausdintos plokštės dažnai būna daugiasluoksnės, o varžos valdymas taip pat gali būti sukonstruotas įvairiais būdais. Tačiau, nepriklausomai nuo naudojamo metodo, varžos vertę nulems jos fizinė struktūra ir izoliacinės medžiagos elektroninės savybės:

Mikrojuostelė – tai vielos juostelė, žyminti perdavimo liniją, kurios tik viena pusė turi atskaitos plokštumą. Viršus ir šonai yra veikiami oro (arba yra padengti) ir yra ant izoliacijos konstantos Er spausdintinės plokštės paviršiaus, o atskaitos paviršius – maitinimo arba įžeminimo sluoksnis. Kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje:

Pastaba: Gaminant PCB, PCB gamykla paprastai padengia PCB paviršių žaliais dažais. Todėl atliekant faktinės varžos skaičiavimus, paviršinėms mikrobangų linijoms paprastai naudojamas paveikslėlyje parodytas modelis.

Juostinė linija yra vielos juostelė, esanti tarp dviejų atskaitos plokštumų, kaip parodyta toliau pateiktame paveikslėlyje. Dielektriko, vaizduojamo H1 ir H2, dielektrinės konstantos gali skirtis.

Šie 2 atvejai yra tik tipinė mikrojuostelių ir juostinių linijų demonstracija, paprastai naudojama įterptųjų daiktų interneto išmaniųjų įrenginių ir kitų sistemų mokymuisi. Yra daug specifinių mikrojuostelių ir juostinių linijų tipų, pavyzdžiui, dengtos mikrojuostelės, kurios yra susijusios su specifine spausdintinių plokščių sluoksniavimo struktūra.

Būdingosios varžos skaičiavimo lygtis reikalauja sudėtingų matematinių skaičiavimų, dažniausiai naudojant lauko sprendimo metodus, įskaitant ribinių elementų analizę. Todėl, naudojant specializuotą varžos skaičiavimo programinę įrangą SI9000, tereikia valdyti būdingosios varžos parametrus:

Izoliacijos sluoksnio dielektrinė konstanta Er, laidų plotis W1 ir W2 (trapecijos formos), laidų storis T ir izoliacijos sluoksnio storis H.

W – projektuojamas linijos plotis

A – ėsdinimo nuostoliai (žr. lentelę aukščiau)

Nevienodo pločio tarp linijos viršaus ir apačios priežastis yra ta, kad spausdintinių plokščių gamybos proceso metu korozija vyksta nuo viršaus iki apačios, todėl korozijos paveikta linija įgauna trapecijos formą.

Tarp linijos storio T ir šio sluoksnio vario storio yra atitinkamas ryšys:

* Kadangi litavimo kaukės storis nedaro didelės įtakos varžai, laikoma, kad ji yra pastovi 0,5 mil.

Impedanso valdymą galime pasiekti valdydami šiuos parametrus. Paimdami „Anwei“ apatinę spausdintinę plokštę kaip pavyzdį, paaiškinsime impedanso valdymo veiksmus ir SI9000 naudojimą:

Antrasis sluoksnis yra įžeminimo plokštuma, penktasis sluoksnis yra galios plokštuma, o likę sluoksniai yra signalo sluoksniai.

Paaiškinimas: Tarpinių sluoksnių dielektrikas yra FR-4, o jo dielektrinė konstanta yra 4,2; Viršutinis ir apatinis sluoksniai yra pliki sluoksniai, kurie tiesiogiai liečiasi su oru, o oro dielektrinė konstanta yra 1.

PCB projektuotojai gali visapusiškai išnaudoti hierarchinę PCB struktūrą, kad pasiektų impedanso valdymą. Skirtingus signalo sluoksnius išdėstant skirtingose ​​sluoksnių pozicijose, galima efektyviai valdyti tarpsluoksnio talpą ir induktyvumą. Apskritai vidiniam sluoksniui naudojamos didelės varžos medžiagos, o išoriniam – mažos varžos medžiagos, siekiant sumažinti atspindžių ir skersinių trukdžių poveikį.

Diferencinio signalo perdavimo linijos gali užtikrinti geresnes apsaugos nuo trukdžių savybes ir mažesnę kryžminio trikdymo riziką. Diferencinio signalo perdavimo linijos yra lygiagrečių laidų pora su priešingomis įtampomis, bet vienodo dydžio, kuri gali užtikrinti geresnį signalo vientisumą ir apsaugą nuo trukdžių. Diferencinio signalo perdavimo linijų varža paprastai kontroliuojama parenkant linijų atstumą, plotį ir įžeminimo plokštumą.

Geometriniai parametrai, tokie kaip spausdintinės plokštės linijų plotis, tarpai ir išdėstymas, taip pat gali būti naudojami varžai valdyti. Įprastoms mikrobangų linijoms storesnis linijų plotis ir didesni tarpai gali sumažinti varžą. Koaksialinėms linijoms mažesnis vidinis linijų skersmuo ir didesnis išorinis linijų spindulys gali padidinti varžą. Laidų geometrijos pasirinkimas reikalauja optimizavimo, atsižvelgiant į konkrečius varžos reikalavimus ir signalo dažnį.

PCB medžiagų dielektrinė konstanta taip pat turi įtakos varžai. Medžiagų, turinčių stabilias dielektrines savybes, pasirinkimas yra varžos valdymo dalis. Aukšto dažnio ir didelio greičio taikymuose dažniausiai naudojamos medžiagos yra FR-4 (stiklo pluoštu armuota plokštė), PTFE (politetrafluoretilenas) ir RF (radijo dažnio) laminatai.

Prieš pradedant spausdintinių plokščių projektavimą, modeliavimo ir projektavimo įrankių naudojimas gali padėti projektuotojams greitai ir tiksliai patikrinti bei optimizuoti varžą. Šie įrankiai gali imituoti grandinės elgseną, signalo perdavimo nuostolius ir elektromagnetinę sąveiką, siekiant nustatyti optimalius spausdintinių plokščių projektavimo parametrus. Kai kurie įprasti modeliavimo įrankiai yra „CST Studio Suite“, „HyperLynx“ ir ADS.

PCB impedanso valdymas vaidina lemiamą vaidmenį didelės spartos skaitmeninėse ir analoginėse grandinėse. Tikslus impedanso valdymas gali būti pasiektas naudojant pagrįstą hierarchinį projektavimą, diferencinių signalų perdavimo linijų naudojimą, laidų geometrijos valdymą, tinkamų PCB medžiagų parinkimą ir modeliavimo bei projektavimo įrankių naudojimą, taip pagerinant grandinės našumą ir signalo vientisumą.