पीसीबीवर प्रतिबाधा नियंत्रण म्हणजे काय आणि ते कसे करावे

आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांच्या डिझाइनमध्ये, PCBs महत्त्वाची भूमिका बजावतात. PCBs चे कार्यप्रदर्शन संपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक प्रणालीच्या स्थिरता, विश्वासार्हता आणि प्रसारण कार्यक्षमतेवर थेट परिणाम करते. त्यापैकी, प्रतिबाधा नियंत्रण हे PCB डिझाइनचा एक महत्त्वाचा भाग आहे. आधुनिक डिजिटल सर्किट्समध्ये सिग्नल ट्रान्समिशन वेळ कमी आणि घड्याळ दर जास्त असल्याने, PCB ट्रेस आता साधे कनेक्शन नाहीत, तर त्यानुसार ट्रान्समिशन लाईन्स आहेत. PCB प्रतिबाधा नियंत्रण म्हणजे सिग्नल ट्रान्समिशनची गुणवत्ता आणि स्थिरता सुनिश्चित करण्यासाठी PCB वरील सिग्नलच्या ट्रान्समिशन गती आणि प्रतिबाधा जुळणी नियंत्रित करणे.

व्यावहारिक परिस्थितीत, जेव्हा डिजिटल सीमांत वेग 1ns पेक्षा जास्त असतो किंवा अॅनालॉग वारंवारता 300MHz पेक्षा जास्त असते तेव्हा ट्रेस प्रतिबाधा नियंत्रित करणे आवश्यक असते. PCB ट्रेसच्या प्रमुख पॅरामीटर्सपैकी एक म्हणजे त्याचा वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा (म्हणजे सिग्नल ट्रान्समिशन लाईनवर लाट प्रसारित केली जाते तेव्हा व्होल्टेज आणि करंटचे गुणोत्तर). PCB वरील तारांचा वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा हा PCB डिझाइनचा एक महत्त्वाचा सूचक आहे. विशेषतः उच्च वारंवारता PCB डिझाइनमध्ये, वायरचा वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा डिव्हाइस किंवा सिग्नलच्या आवश्यक वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधाशी सुसंगत आहे की जुळतो हे विचारात घेणे आवश्यक आहे. यामध्ये 2 संकल्पनांचा समावेश आहे: प्रतिबाधा नियंत्रण आणि प्रतिबाधा जुळवणे. हा लेख प्रतिबाधा नियंत्रण आणि स्टॅक डिझाइनच्या मुद्द्यांवर लक्ष केंद्रित करतो.

पीसीबीच्या कंडक्टरमध्ये विविध सिग्नल प्रसारित केले जातात. त्याचा ट्रान्समिशन रेट सुधारण्यासाठी, त्याची वारंवारता वाढवावी लागते. सर्किटचे इम्पेडन्स व्हॅल्यू एचिंग, लेयर जाडी आणि वायर रुंदी इत्यादी घटकांमुळे बदलते, ज्यामुळे सिग्नल विकृती होते. म्हणून, हाय-स्पीड पीसीबीवरील कंडक्टरचे इम्पेडन्स व्हॅल्यू एका विशिष्ट श्रेणीत नियंत्रित केले पाहिजे, ज्याला "इम्पेडन्स कंट्रोल" म्हणतात.

पीसीबी ट्रेसचा प्रतिबाधा त्यांच्या प्रेरक आणि कॅपेसिटिव्ह प्रेरकता, प्रतिकार आणि चालकता गुणांकाद्वारे निश्चित केला जातो. पीसीबी वायरिंगच्या प्रतिबाधावर परिणाम करणारे घटक प्रामुख्याने तांब्याच्या तारेची रुंदी आणि जाडी, माध्यमाचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक आणि जाडी, सोल्डर पॅडची जाडी, ग्राउंड वायरचा मार्ग आणि वायरिंगभोवतीचे वायरिंग इत्यादींचा समावेश करतात. पीसीबी प्रतिबाधाची श्रेणी २५ ते १२० ओम आहे.

प्रत्यक्षात, PCB ट्रान्समिशन लाईन्समध्ये सामान्यतः वायर ट्रेस, एक किंवा अधिक संदर्भ थर आणि इन्सुलेशन मटेरियल असतात. ट्रेस आणि थर नियंत्रण प्रतिबाधा बनवतात. PCBs बहुतेकदा बहु-स्तरीय संरचनांचा अवलंब करतात आणि प्रतिबाधा नियंत्रण देखील विविध प्रकारे तयार केले जाऊ शकते. तथापि, वापरलेल्या पद्धतीची पर्वा न करता, प्रतिबाधा मूल्य त्याच्या भौतिक संरचनेद्वारे आणि इन्सुलेटिंग मटेरियलच्या इलेक्ट्रॉनिक गुणधर्मांद्वारे निश्चित केले जाईल:

मायक्रोस्ट्रिप ही वायरची एक पट्टी असते जी ट्रान्समिशन लाईनला संदर्भित करते ज्याच्या फक्त एका बाजूला संदर्भ समतल असते. वरचा भाग आणि बाजू हवेच्या संपर्कात असतात (किंवा लेपित असतात) आणि इन्सुलेशन स्थिरांक Er PCB च्या पृष्ठभागावर असतात, ज्यामध्ये पॉवर किंवा ग्राउंड लेयर संदर्भ म्हणून असतो. खालील आकृतीमध्ये दाखवल्याप्रमाणे:

टीप: प्रत्यक्ष पीसीबी उत्पादनात, पीसीबी कारखाना सामान्यतः पीसीबीच्या पृष्ठभागावर हिरव्या शाईचा थर लावतो. म्हणून, प्रत्यक्ष प्रतिबाधा गणनेमध्ये, खालील आकृतीमध्ये दर्शविलेले मॉडेल सामान्यतः पृष्ठभागाच्या मायक्रोस्ट्रिप रेषांसाठी वापरले जाते.

स्ट्रिपलाइन म्हणजे खालील आकृतीत दाखवल्याप्रमाणे, दोन संदर्भ समतलांमध्ये ठेवलेली वायरची पट्टी. H1 आणि H2 द्वारे दर्शविलेले डायलेक्ट्रिकचे डायलेक्ट्रिक स्थिरांक वेगवेगळे असू शकतात.

वरील २ प्रकरणे मायक्रोस्ट्रिप आणि स्ट्रिपलाइन्सचे फक्त एक सामान्य प्रात्यक्षिक आहेत, जे सहसा एम्बेडेड आयओटी इंटेलिजेंट हार्डवेअर आणि इतर सिस्टम्स शिकण्यासाठी वापरले जातात. कोटेड मायक्रोस्ट्रिप सारख्या अनेक विशिष्ट प्रकारच्या मायक्रोस्ट्रिप आणि स्ट्रिपलाइन्स आहेत, जे पीसीबीच्या विशिष्ट स्टॅकिंग स्ट्रक्चरशी संबंधित आहेत.

वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधा मोजण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या समीकरणासाठी जटिल गणितीय गणना आवश्यक असते, ज्यामध्ये सामान्यतः सीमा घटक विश्लेषणासह फील्ड सोल्यूशन पद्धती वापरल्या जातात. म्हणून, विशेष प्रतिबाधा गणना सॉफ्टवेअर SI9000 वापरून, आपल्याला फक्त वैशिष्ट्यपूर्ण प्रतिबाधाचे पॅरामीटर्स नियंत्रित करायचे आहेत:

इन्सुलेशन थराचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक Er, वायरिंग रुंदी W1 आणि W2 (ट्रॅपेझॉइडल), वायरिंग जाडी T आणि इन्सुलेशन थर जाडी H.

W – डिझाइन केलेली रेषेची रुंदी

अ – खोदकामाचा तोटा (वरील तक्ता पहा)

रेषेच्या वरच्या आणि खालच्या बाजूच्या रुंदीमध्ये विसंगती असण्याचे कारण म्हणजे PCBs च्या उत्पादन प्रक्रियेदरम्यान, वरपासून खालपर्यंत गंज होतो, ज्यामुळे गंजलेल्या रेषेचा आकार समलंब चौकोनसारखा होतो.

या थराच्या T रेषेची जाडी आणि तांब्याच्या जाडीमध्ये खालीलप्रमाणे एक समान संबंध आहे:

* सोल्डर मास्क जाडीचा प्रतिबाधेवर कमी प्रभाव असल्याने, ते ०.५ मिलि चे स्थिर मूल्य असल्याचे गृहीत धरले जाते.

हे पॅरामीटर्स नियंत्रित करून आपण प्रतिबाधा नियंत्रण साध्य करू शकतो. उदाहरण म्हणून Anwei च्या तळाशी असलेल्या PCB चा वापर करून, आपण प्रतिबाधा नियंत्रणाचे टप्पे आणि SI9000 चा वापर स्पष्ट करू:

दुसरा थर जमिनीचा समतल आहे, पाचवा थर पॉवर समतल आहे आणि उर्वरित थर सिग्नल स्तर आहेत.

स्पष्टीकरण: मध्यवर्ती थरांमधील डायलेक्ट्रिक FR-4 आहे, ज्याचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक 4.2 आहे; वरचे आणि खालचे थर हे उघडे थर आहेत जे हवेच्या थेट संपर्कात येतात आणि हवेचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक 1 आहे.

पीसीबी डिझायनर्स पीसीबीच्या श्रेणीबद्ध रचनेचा पूर्णपणे वापर करून प्रतिबाधा नियंत्रण साध्य करू शकतात. वेगवेगळ्या लेयर पोझिशन्समध्ये वेगवेगळे सिग्नल लेयर ठेवून, इंटरलेयर कॅपेसिटन्स आणि इंडक्टन्स प्रभावीपणे नियंत्रित केले जाऊ शकतात. सर्वसाधारणपणे, आतील थर उच्च प्रतिबाधा सामग्री वापरतो आणि बाह्य थर परावर्तन आणि क्रॉसस्टॉकचा प्रभाव कमी करण्यासाठी कमी प्रतिबाधा सामग्री वापरतो.

डिफरेंशियल सिग्नल ट्रान्समिशन लाईन्स चांगली अँटी-इंटरफेरन्स क्षमता आणि कमी क्रॉसटॉक जोखीम प्रदान करू शकतात. डिफरेंशियल सिग्नल ट्रान्समिशन लाईन्स ही विरुद्ध व्होल्टेज असलेल्या परंतु समान आकाराच्या समांतर तारांची जोडी आहे, जी चांगली सिग्नल अखंडता आणि अँटी-इंटरफेरन्स क्षमता प्रदान करू शकते. डिफरेंशियल सिग्नल ट्रान्समिशन लाईन्सचा प्रतिबाधा सामान्यतः रेषेतील अंतर, रुंदी आणि ग्राउंड प्लेनच्या निवडीद्वारे नियंत्रित केला जातो.

पीसीबी लाईन रुंदी, अंतर आणि लेआउट सारखे भौमितिक पॅरामीटर्स देखील प्रतिबाधा नियंत्रित करण्यासाठी वापरले जाऊ शकतात. सामान्य मायक्रोस्ट्रिप लाईन्ससाठी, जाड लाईन रुंदी आणि मोठे अंतर प्रतिबाधा कमी करू शकते. कोएक्सियल लाईन्ससाठी, लहान आतील लाईन व्यास आणि मोठे बाह्य लाईन त्रिज्या प्रतिबाधा वाढवू शकतात. वायरिंग भूमितीच्या निवडीसाठी विशिष्ट प्रतिबाधा आवश्यकता आणि सिग्नल फ्रिक्वेन्सीवर आधारित ऑप्टिमायझेशन आवश्यक आहे.

पीसीबी मटेरियलचा डायलेक्ट्रिक स्थिरांक देखील प्रतिबाधावर परिणाम करतो. स्थिर डायलेक्ट्रिक गुणधर्मांसह सामग्री निवडणे हा प्रतिबाधा नियंत्रणाचा एक भाग आहे. उच्च-फ्रिक्वेन्सी आणि हाय-स्पीड अनुप्रयोगांमध्ये, सामान्यतः वापरल्या जाणार्‍या सामग्रीमध्ये FR-4 (ग्लास फायबर रिइन्फोर्स्ड बोर्ड), PTFE (पॉलिटेट्राफ्लुरोइथिलीन) आणि RF (रेडिओ फ्रिक्वेन्सी) लॅमिनेट यांचा समावेश होतो.

पीसीबी डिझाइन करण्यापूर्वी, सिम्युलेशन आणि डिझाइन टूल्स वापरणे डिझाइनर्सना प्रतिबाधा जलद आणि अचूकपणे सत्यापित करण्यास आणि ऑप्टिमाइझ करण्यास मदत करू शकते. ही टूल्स सर्किट वर्तन, सिग्नल ट्रान्समिशन लॉसेस आणि इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक इंटरॅक्शनचे अनुकरण करून इष्टतम पीसीबी डिझाइन पॅरामीटर्स निश्चित करू शकतात. काही सामान्य सिम्युलेशन टूल्समध्ये सीएसटी स्टुडिओ सूट, हायपरलिंक्स आणि एडीएस यांचा समावेश आहे.

हाय-स्पीड डिजिटल आणि अॅनालॉग सर्किट्समध्ये पीसीबी इम्पेडन्स कंट्रोल महत्त्वाची भूमिका बजावते. वाजवी श्रेणीबद्ध डिझाइन, डिफरेंशियल सिग्नल ट्रान्समिशन लाईन्सचा वापर, वायरिंग भूमितीचे नियंत्रण, योग्य पीसीबी मटेरियलची निवड आणि सिम्युलेशन आणि डिझाइन टूल्सचा वापर याद्वारे अचूक इम्पेडन्स कंट्रोल साध्य करता येतो, ज्यामुळे सर्किट कामगिरी आणि सिग्नल अखंडता सुधारते.