Wat is impedantiecontrole en hoe voer je impedantiecontrole uit op printplaten?

Bij het ontwerp van moderne elektronische apparaten spelen printplaten (PCB's) een cruciale rol. De prestaties van PCB's hebben direct invloed op de stabiliteit, betrouwbaarheid en transmissie-efficiëntie van het gehele elektronische systeem. Impedantiecontrole is daarbij een belangrijk onderdeel van het PCB-ontwerp. Omdat moderne digitale circuits kortere signaaltransmissietijden en hogere kloksnelheden hebben, zijn PCB-sporen niet langer eenvoudige verbindingen, maar transmissielijnen. PCB-impedantiecontrole verwijst naar het regelen van de transmissiesnelheid en impedantieaanpassing van signalen op de PCB om de kwaliteit en stabiliteit van de signaaloverdracht te waarborgen.

In de praktijk is het noodzakelijk om de spoorimpedantie te controleren wanneer de digitale marginale snelheid hoger is dan 1 ns of de analoge frequentie hoger is dan 300 MHz. Een van de belangrijkste parameters van een printplaatspoor is de karakteristieke impedantie (dat wil zeggen de verhouding tussen spanning en stroom wanneer de golf door de signaaltransmissielijn wordt verzonden). De karakteristieke impedantie van draden op printplaten is een belangrijke indicator voor het printplaatontwerp. Vooral bij hoogfrequente printplaatontwerpen is het noodzakelijk om te overwegen of de karakteristieke impedantie van de draad overeenkomt met de vereiste karakteristieke impedantie van het apparaat of signaal. Dit omvat twee concepten: impedantiecontrole en impedantieaanpassing. Dit artikel richt zich op de kwesties van impedantiecontrole en stackontwerp.

Er worden diverse signalen verzonden via de geleiders van de printplaat. Om de transmissiesnelheid te verbeteren, moet de frequentie worden verhoogd. De impedantiewaarde van het circuit zelf varieert door factoren zoals etsen, laagdikte en draadbreedte, enz., wat signaalvervorming veroorzaakt. Daarom moet de impedantiewaarde van de geleiders op snelle printplaten binnen een bepaald bereik worden gehouden; dit wordt "impedantiecontrole" genoemd.

De impedantie van printplaatsporen wordt bepaald door hun inductieve en capacitieve inductantie, weerstand en geleidingscoëfficiënt. Factoren die de impedantie van printplaatbedrading beïnvloeden, zijn onder andere de breedte en dikte van de koperdraad, de diëlektrische constante en dikte van het medium, de dikte van de soldeerpad, het pad van de aardingsdraad en de bedrading eromheen. De impedantie van een printplaat ligt doorgaans tussen de 25 en 120 ohm.

In de praktijk bestaan ​​transmissielijnen op printplaten doorgaans uit een draadspoor, een of meer referentielagen en isolatiemateriaal. Het spoor en de laag vormen samen de regelimpedantie. Printplaten hebben vaak meerlaagse structuren en impedantieregeling kan op verschillende manieren worden gerealiseerd. Ongeacht de gebruikte methode wordt de impedantiewaarde echter bepaald door de fysieke structuur en de elektronische eigenschappen van het isolatiemateriaal.

Een microstrip is een draadstrip die verwijst naar een transmissielijn waarvan slechts één zijde een referentievlak heeft. De boven- en zijkanten zijn blootgesteld aan de lucht (of zijn gecoat) en bevinden zich op het oppervlak van een printplaat met isolatieconstante Er, waarbij de voedings- of aardingslaag als referentie dient. Zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

Opmerking: Bij de daadwerkelijke productie van printplaten brengt de fabriek meestal een laag groene inkt aan op het oppervlak van de printplaat. Daarom wordt bij daadwerkelijke impedantieberekeningen voor microstrip-oppervlaktelijnen meestal het model in de volgende afbeelding gebruikt.

Een stripline is een draadstrook die tussen twee referentievlakken is geplaatst, zoals weergegeven in de volgende afbeelding. De diëlektrische constanten van het diëlektricum, weergegeven door H1 en H2, kunnen verschillen.

De bovenstaande twee voorbeelden zijn slechts typische demonstraties van microstrip en striplines, die doorgaans worden gebruikt voor het leren kennen van embedded IoT-hardware en andere intelligente systemen. Er bestaan ​​veel specifieke typen microstrip en striplines, zoals gecoate microstrip, die gerelateerd zijn aan de specifieke stapelstructuur van printplaten.

De vergelijking voor het berekenen van de karakteristieke impedantie vereist complexe wiskundige berekeningen, meestal met behulp van veldoplossingsmethoden, waaronder randelementenanalyse. Met de gespecialiseerde impedantieberekeningssoftware SI9000 hoeven we daarom alleen de parameters van de karakteristieke impedantie te controleren:

De diëlektrische constante Er van de isolatielaag, de draadbreedte W1 en W2 (trapeziumvormig), de draaddikte T en de dikte van de isolatielaag H.

W – ontworpen lijnbreedte

A – etsverlies (zie bovenstaande tabel)

De reden voor het verschil in breedte tussen de boven- en onderkant van de lijn is dat tijdens het productieproces van printplaten corrosie optreedt van boven naar beneden, waardoor de gecorrodeerde lijn een trapeziumvorm krijgt.

Er bestaat een overeenkomstige relatie tussen de lijndikte T en de koperdikte van deze laag, als volgt:

* Vanwege de geringe invloed van de dikte van het soldeermasker op de impedantie wordt aangenomen dat deze een constante waarde van 0,5 mil heeft.

We kunnen de impedantie regelen door deze parameters aan te passen. Aan de hand van de onderste printplaat van Anwei leggen we de stappen van de impedantieregeling en het gebruik van de SI9000 uit:

De tweede laag is het aardvlak, de vijfde laag is het voedingsvlak en de resterende lagen zijn de signaallagen.

Uitleg: Het diëlektricum tussen de tussenlagen is FR-4, met een diëlektrische constante van 4,2; de bovenste en onderste lagen zijn onbedekte lagen die direct in contact komen met lucht, en de diëlektrische constante van lucht is 1.

PCB-ontwerpers kunnen de hiërarchische structuur van PCB's optimaal benutten voor impedantiecontrole. Door verschillende signaallagen op verschillende posities te plaatsen, kunnen de interlaagcapaciteit en -inductantie effectief worden geregeld. Over het algemeen worden materialen met een hoge impedantie gebruikt voor de binnenlaag en materialen met een lage impedantie voor de buitenlaag om reflectie en overspraak te minimaliseren.

Differentiële signaaltransmissielijnen bieden een betere storingsonderdrukking en een lager risico op overspraak. Differentiële signaaltransmissielijnen bestaan ​​uit een paar parallelle draden met tegengestelde spanningen maar gelijke afmetingen, wat zorgt voor een betere signaalintegriteit en storingsonderdrukking. De impedantie van differentiële signaaltransmissielijnen wordt doorgaans geregeld door de keuze van de afstand tussen de draden, de breedte en het aardvlak.

Geometrische parameters zoals de lijnbreedte, de afstand tussen de lijnen en de lay-out van de printplaat kunnen ook worden gebruikt om de impedantie te regelen. Bij gangbare microstrip-lijnen kunnen een dikkere lijnbreedte en een grotere afstand tussen de lijnen de impedantie verlagen. Bij coaxiale lijnen kunnen een kleinere binnendiameter en een grotere buitenradius de impedantie verhogen. De keuze van de bedradingsgeometrie vereist optimalisatie op basis van specifieke impedantie-eisen en signaalfrequentie.

De diëlektrische constante van PCB-materialen beïnvloedt ook de impedantie. Het kiezen van materialen met stabiele diëlektrische eigenschappen is een belangrijk onderdeel van impedantiebeheersing. In hoogfrequente en snelle toepassingen worden vaak materialen gebruikt zoals FR-4 (glasvezelversterkte printplaat), PTFE (polytetrafluorethyleen) en RF-laminaten (radiofrequentielaminaten).

Voordat een printplaat wordt ontworpen, kunnen simulatie- en ontwerptools ontwerpers helpen om de impedantie snel en nauwkeurig te controleren en te optimaliseren. Deze tools kunnen het gedrag van circuits, signaaloverdrachtsverliezen en elektromagnetische interacties simuleren om de optimale ontwerpparameters voor de printplaat te bepalen. Enkele veelgebruikte simulatietools zijn CST Studio Suite, HyperLynx en ADS.

Impedantiecontrole van printplaten speelt een cruciale rol in snelle digitale en analoge circuits. Door een doordacht hiërarchisch ontwerp, het gebruik van differentiële signaaloverdrachtslijnen, controle van de bedradingsgeometrie, de selectie van geschikte printplaatmaterialen en het gebruik van simulatie- en ontwerptools, kan nauwkeurige impedantiecontrole worden bereikt, waardoor de circuitprestaties en signaalintegriteit worden verbeterd.