Kas ir impedances kontrole un kā veikt impedances kontroli uz PCB platēm?

Mūsdienu elektronisko ierīču projektēšanā PCB ir izšķiroša nozīme. PCB veiktspēja tieši ietekmē visas elektroniskās sistēmas stabilitāti, uzticamību un pārraides efektivitāti. Starp tām impedances kontrole ir svarīga PCB dizaina sastāvdaļa. Tā kā mūsdienu digitālajām shēmām ir īsāks signāla pārraides laiks un augstāks pulksteņa ātrums, PCB līnijas vairs nav vienkārši savienojumi, bet gan attiecīgi pārraides līnijas. PCB impedances kontrole attiecas uz signālu pārraides ātruma un impedances saskaņošanas kontroli uz PCB, lai nodrošinātu signāla pārraides kvalitāti un stabilitāti.

Praktiskās situācijās ir nepieciešams kontrolēt trases impedanci, ja digitālais robežātrums ir lielāks par 1 ns vai analogā frekvence pārsniedz 300 MHz. Viens no galvenajiem PCB trases parametriem ir tās raksturīgā impedance (t. i., sprieguma un strāvas attiecība, kad vilnis tiek pārraidīts pa signāla pārraides līniju). PCB vadu raksturīgā impedance ir svarīgs PCB dizaina rādītājs. Īpaši augstfrekvences PCB dizainā ir jāapsver, vai vada raksturīgā impedance atbilst vai atbilst nepieciešamajai ierīces vai signāla raksturīgajai impedancei. Tas ietver divus jēdzienus: impedances kontroli un impedances saskaņošanu. Šajā rakstā uzmanība pievērsta impedances kontroles un steka dizaina jautājumiem.

PCB vadītājos tiek pārraidīti dažādi signāli. Lai uzlabotu pārraides ātrumu, ir jāpalielina frekvence. Pašas ķēdes impedances vērtība mainās tādu faktoru dēļ kā kodināšana, slāņa biezums un vada platums utt., izraisot signāla kropļojumus. Tāpēc ātrgaitas PCB vadītāju impedances vērtība ir jākontrolē noteiktā diapazonā, ko sauc par "impedances kontroli".

PCB vadu impedanci nosaka to induktīvā un kapacitatīvā induktivitāte, pretestība un vadītspējas koeficients. Faktori, kas ietekmē PCB vadu impedanci, galvenokārt ietver vara stieples platumu un biezumu, barotnes dielektrisko konstanti un biezumu, lodēšanas paliktņa biezumu, zemējuma vada ceļu un vadu ap vadu utt. PCB pretestības diapazons ir no 25 līdz 120 omiem.

Praksē PCB pārvades līnijas parasti sastāv no stieples sliedes, viena vai vairākiem atskaites slāņiem un izolācijas materiāliem. Sliede un slānis veido vadības impedanci. PCB bieži izmanto daudzslāņu struktūras, un arī impedances vadību var konstruēt dažādos veidos. Tomēr neatkarīgi no izmantotās metodes impedances vērtību noteiks tās fizikālā struktūra un izolācijas materiāla elektroniskās īpašības:

Mikrostripa ir stieples strēmele, kas apzīmē pārvades līniju, kurai tikai vienai pusei ir atskaites plakne. Augšdaļa un malas ir pakļautas gaisam (vai ir pārklātas) un atrodas uz izolācijas konstantes Er PCB virsmas, un jaudas vai zemējuma slānis ir atskaites punkts. Kā parādīts šajā attēlā:

Piezīme: Faktiskajā PCB ražošanā PCB rūpnīcā PCB virsma parasti tiek pārklāta ar zaļas tintes slāni. Tāpēc faktiskās impedances aprēķinos virsmas mikrostripas līnijām parasti tiek izmantots nākamajā attēlā redzamais modelis.

Stripline ir stieples sloksne, kas novietota starp divām atskaites plaknēm, kā parādīts nākamajā attēlā. Ar H1 un H2 attēlotā dielektriķa dielektriskās konstantes var būt atšķirīgas.

Iepriekš minētie divi gadījumi ir tikai tipisks mikrostripas un slokšņlīniju demonstrācijas piemērs, ko parasti izmanto iegultās lietu interneta (IoT) intelektuālās aparatūras un citu sistēmu apguvei. Pastāv daudzi specifiski mikrostripas un slokšņlīniju veidi, piemēram, pārklātas mikrostripas, kas ir saistīti ar PCB specifisko sakraušanas struktūru.

Vienādojums, ko izmanto raksturīgās impedances aprēķināšanai, prasa sarežģītus matemātiskus aprēķinus, parasti izmantojot lauka risināšanas metodes, tostarp robeželementu analīzi. Tāpēc, izmantojot specializētu impedances aprēķināšanas programmatūru SI9000, viss, kas mums jādara, ir jākontrolē raksturīgās impedances parametri:

Izolācijas slāņa dielektriskā konstante Er, vadu platums W1 un W2 (trapecveida), vadu biezums T un izolācijas slāņa biezums H.

W – projektētais līnijas platums

A – kodināšanas zudums (skatīt tabulu iepriekš)

Nevienmērīgā platuma iemesls starp līnijas augšējo un apakšējo daļu ir tāds, ka PCB ražošanas procesā korozija notiek no augšas uz leju, kā rezultātā korodējušajai līnijai ir trapecveida forma.

Pastāv atbilstoša sakarība starp līnijas biezumu T un šī slāņa vara biezumu, kā norādīts tālāk:

* Tā kā lodēšanas maskas biezums nedaudz ietekmē impedanci, tiek pieņemts, ka tā ir nemainīga vērtība 0,5 mil.

Impedances kontroli var panākt, kontrolējot šos parametrus. Ņemot par piemēru Anwei apakšējo PCB plati, mēs izskaidrosim impedances kontroles soļus un SI9000 izmantošanu:

Otrais slānis ir iezemējuma plakne, piektais slānis ir barošanas plakne, bet pārējie slāņi ir signāla slāņi.

Paskaidrojums: Starpslāņu dielektriķis ir FR-4, ar dielektrisko konstanti 4,2; Augšējais un apakšējais slānis ir kaili slāņi, kas nonāk tiešā saskarē ar gaisu, un gaisa dielektriskā konstante ir 1.

PCB konstruktori var pilnībā izmantot PCB hierarhisko struktūru, lai panāktu impedances kontroli. Novietojot dažādus signāla slāņus dažādās slāņu pozīcijās, var efektīvi kontrolēt starpslāņu kapacitāti un induktivitāti. Vispārīgi runājot, iekšējais slānis izmanto augstas impedances materiālus, bet ārējais slānis - zemas impedances materiālus, lai samazinātu atstarošanās un šķērsrunas ietekmi.

Diferenciālā signāla pārraides līnijas var nodrošināt labāku traucējumu novēršanu un zemāku šķērsrunu risku. Diferenciālā signāla pārraides līnijas ir paralēlu vadu pāris ar pretējiem spriegumiem, bet vienādiem izmēriem, kas var nodrošināt labāku signāla integritāti un traucējumu novēršanu. Diferenciālā signāla pārraides līniju impedanci parasti kontrolē, izvēloties līniju atstarpi, platumu un iezemējuma plakni.

Ģeometriskos parametrus, piemēram, PCB līnijas platumu, atstarpi un izkārtojumu, var izmantot arī impedances kontrolei. Parastajām mikrolentu līnijām biezāks līnijas platums un lielāks atstarpe var samazināt impedanci. Koaksiālajām līnijām mazāks iekšējais līnijas diametrs un lielāks ārējais līnijas rādiuss var palielināt impedanci. Vadu ģeometrijas izvēlei nepieciešama optimizācija, pamatojoties uz konkrētām impedances prasībām un signāla frekvenci.

PCB materiālu dielektriskā konstante ietekmē arī impedanci. Materiālu izvēle ar stabilām dielektriskām īpašībām ir daļa no impedances kontroles. Augstas frekvences un ātrgaitas lietojumprogrammās visbiežāk izmantotie materiāli ir FR-4 (stikla šķiedras pastiprināta plāksne), PTFE (politetrafluoretilēns) un RF (radiofrekvences) lamināti.

Pirms PCB projektēšanas simulācijas un projektēšanas rīku izmantošana var palīdzēt dizaineriem ātri un precīzi pārbaudīt un optimizēt impedanci. Šie rīki var simulēt ķēdes darbību, signāla pārraides zudumus un elektromagnētisko mijiedarbību, lai noteiktu optimālos PCB projektēšanas parametrus. Daži izplatīti simulācijas rīki ir CST Studio Suite, HyperLynx un ADS.

PCB impedances kontrolei ir izšķiroša nozīme ātrgaitas digitālajās un analogajās shēmās. Izmantojot saprātīgu hierarhisku dizainu, diferenciālo signālu pārraides līniju izmantošanu, vadu ģeometrijas kontroli, atbilstošu PCB materiālu izvēli un simulācijas un projektēšanas rīku izmantošanu, var panākt precīzu impedances kontroli, tādējādi uzlabojot shēmas veiktspēju un signāla integritāti.