Што е контрола на импеданса и како да се изврши контрола на импеданса на печатени плочи

Во дизајнот на современите електронски уреди, ПХБ играат клучна улога. Перформансите на ПХБ директно влијаат на стабилноста, сигурноста и ефикасноста на преносот на целиот електронски систем. Меѓу нив, контролата на импедансата е важен дел од дизајнот на ПХБ. Бидејќи современите дигитални кола имаат пократко време на пренос на сигнали и повисоки тактни стапки, трагите на ПХБ повеќе не се едноставни врски, туку преносни линии соодветно. Контролата на импедансата на ПХБ се однесува на контролирање на брзината на пренос и совпаѓањето на импедансата на сигналите на ПХБ за да се обезбеди квалитет и стабилност на преносот на сигналот.

Во практични ситуации, потребно е да се контролира импедансата на трагата кога дигиталната маргинална брзина е поголема од 1ns или аналогната фреквенција надминува 300MHz. Еден од клучните параметри на трагата на печатената плочка е нејзината карактеристична импеданса (т.е. односот на напонот и струјата кога бранот се пренесува по должината на преносната линија на сигналот). Карактеристичната импеданса на жиците на печатените плочки е важен индикатор за дизајнот на печатените плочки. Особено во дизајнот на печатените плочки со висока фреквенција, потребно е да се разгледа дали карактеристичната импеданса на жицата е во согласност со или се совпаѓа со потребната карактеристична импеданса на уредот или сигналот. Ова вклучува 2 концепти: контрола на импедансата и усогласување на импедансата. Оваа статија се фокусира на прашањата за контрола на импедансата и дизајн на стек.

Низ проводниците на ПХБ се пренесуваат различни сигнали. За да се подобри брзината на пренос, мора да се зголеми нејзината фреквенција. Вредноста на импедансата на самото коло варира поради фактори како што се гравирање, дебелина на слојот и ширина на жицата итн., предизвикувајќи дисторзија на сигналот. Затоа, вредноста на импедансата на проводниците на брзите ПХБ треба да се контролира во одреден опсег, што се нарекува „контрола на импедансата“.

Импедансата на трагите на ПХБ се одредува според нивната индуктивна и капацитивна индуктивност, отпор и коефициент на спроводливост. Факторите што влијаат на импедансата на жиците на ПХБ главно вклучуваат ширина и дебелина на бакарната жица, диелектричната константа и дебелината на медиумот, дебелината на лемната подлога, патеката на заземјувачката жица и жиците околу жиците итн. Опсегот на импедансата на ПХБ е од 25 до 120 оми.

Во пракса, преносните линии на ПХБ обично се состојат од трага на жица, еден или повеќе референтни слоеви и изолациски материјали. Трагата и слојот ја сочинуваат контролната импеданса. ПХБ често имаат повеќеслојни структури, а контролата на импедансата може да се конструира и на различни начини. Сепак, без оглед на употребениот метод, вредноста на импедансата ќе биде одредена од нејзината физичка структура и електронските својства на изолациониот материјал:

Микролета е жица што се однесува на далновод од кој само едната страна има референтна рамнина. Горниот дел и страните се изложени на воздух (или се обложени) и се наоѓаат на површината на PCB со константа на изолација Er, со слојот на моќност или земјата како референца. Како што е прикажано на следната слика:

Забелешка: Во вистинското производство на печатени плочки, фабриката за печатени плочки обично премачкува слој од зелено мастило на површината на печатената плочка. Затоа, во пресметките на вистинската импеданса, моделот прикажан на следната слика обично се користи за површински микролентни линии.

Стриплајн е лента од жица поставена помеѓу 2 референтни рамнини, како што е прикажано на следната слика. Диелектричните константи на диелектрикот претставен со H1 и H2 можат да бидат различни.

Горенаведените 2 случаи се само типична демонстрација на микроленти и ленти, кои обично се користат за учење на вграден IoT интелигентен хардвер и други системи. Постојат многу специфични видови на микроленти и ленти, како што се обложените микроленти, кои се поврзани со специфичната структура на редење на ПХБ.

Равенката што се користи за пресметување на карактеристичната импеданса бара сложени математички пресметки, обично со користење на методи за решавање на поле, вклучувајќи анализа на гранични елементи. Затоа, со користење на специјализиран софтвер за пресметка на импеданса SI9000, сè што треба да направиме е да ги контролираме параметрите на карактеристичната импеданса:

Диелектричната константа Er на изолациониот слој, ширината на жиците W1 и W2 (трапезоидна), дебелината на жиците T и дебелината на изолациониот слој H.

W – дизајнирана ширина на линијата

A – губење на жигосување (видете ја табелата погоре)

Причината за неконзистентната ширина помеѓу горниот и долниот дел од линијата е тоа што за време на процесот на производство на ПХБ, корозија се јавува од горе до долу, што резултира со трапезоиден облик на кородираната линија.

Постои соодветна врска помеѓу дебелината на линијата T и дебелината на бакарот на овој слој, како што следува:

* Поради малото влијание на дебелината на маската за лемење врз импедансата, се претпоставува дека е константна вредност од 0,5 мил.

Можеме да постигнеме контрола на импедансата со контролирање на овие параметри. Земајќи ја долната печатена плочка на Anwei како пример, ќе ги објасниме чекорите за контрола на импедансата и употребата на SI9000:

Вториот слој е заземјувачката рамнина, петтиот слој е енергетската рамнина, а преостанатите слоеви се сигналните слоеви.

Објаснување: Диелектрикот помеѓу средните слоеви е FR-4, со диелектрична константа од 4,2; горните и долните слоеви се голи слоеви кои доаѓаат во директен контакт со воздухот, а диелектричната константа на воздухот е 1.

Дизајнерите на печатени плочки (PCB) можат целосно да ја искористат хиерархиската структура на печатените плочки (PCB) за да постигнат контрола на импедансата. Со поставување на различни слоеви на сигнали во различни позиции на слоевите, меѓуслојната капацитивност и индуктивност можат ефикасно да се контролираат. Општо земено, внатрешниот слој користи материјали со висока импеданса, а надворешниот слој користи материјали со ниска импеданса за да се намали влијанието на рефлексијата и преслушувањето.

Диференцијалните преносни линии на сигнали можат да обезбедат подобра отпорност на пречки и помал ризик од преслушување. Диференцијалните преносни линии на сигнали се пар паралелни жици со спротивни напони, но еднакви големини, што може да обезбеди подобар интегритет на сигналот и отпорност на пречки. Импедансата на диференцијалните преносни линии на сигнали обично се контролира со избор на растојание меѓу линиите, ширина и заземјувачка рамнина.

Геометриските параметри како што се ширината на линијата на PCB, растојанието и распоредот, исто така, може да се користат за контрола на импедансата. За вообичаени микролентни линии, подебелата ширина на линијата и поголемото растојание можат да ја намалат импедансата. За коаксијални линии, помалите внатрешни дијаметри на линијата и поголемите надворешни радиуси на линијата можат да ја зголемат импедансата. Изборот на геометријата на ожичување бара оптимизација врз основа на специфичните барања за импеданса и фреквенцијата на сигналот.

Диелектричната константа на PCB материјалите, исто така, влијае на импедансата. Изборот на материјали со стабилни диелектрични својства е дел од контролата на импедансата. Во апликации со висока фреквенција и голема брзина, најчесто користените материјали вклучуваат FR-4 (плоча зајакната со стаклени влакна), PTFE (политетрафлуороетилен) и RF (радиофреквентни) ламинати.

Пред дизајнирањето на печатени плочки (PCB), користењето алатки за симулација и дизајн може да им помогне на дизајнерите брзо и прецизно да ја потврдат и оптимизираат импедансата. Овие алатки можат да симулираат однесување на колото, загуби во преносот на сигналот и електромагнетни интеракции за да ги одредат оптималните параметри за дизајн на печатени плочки. Некои вообичаени алатки за симулација вклучуваат CST Studio Suite, HyperLynx и ADS.

Контролата на импедансата на PCB игра клучна улога во брзите дигитални и аналогни кола. Преку разумен хиерархиски дизајн, употреба на диференцијални преносни линии на сигнали, контрола на геометријата на жиците, избор на соодветни материјали за PCB и употреба на алатки за симулација и дизајн, може да се постигне прецизна контрола на импедансата, со што се подобруваат перформансите на колото и интегритетот на сигналот.