Hva er impedanskontroll og hvordan utfører man impedanskontroll på PCB-er

I design av moderne elektroniske enheter spiller PCB-er en avgjørende rolle. Ytelsen til PCB-er påvirker direkte stabiliteten, påliteligheten og overføringseffektiviteten til hele det elektroniske systemet. Blant annet er impedanskontroll en viktig del av PCB-design. Siden moderne digitale kretser har kortere signaloverføringstider og høyere klokkefrekvenser, er PCB-spor ikke lenger enkle forbindelser, men tilsvarende overføringslinjer. PCB-impedanskontroll refererer til å kontrollere overføringshastigheten og impedanstilpasningen av signaler på PCB-et for å sikre kvaliteten og stabiliteten til signaloverføringen.

I praktiske situasjoner er det nødvendig å kontrollere sporimpedansen når den digitale grensehastigheten er høyere enn 1 ns eller den analoge frekvensen overstiger 300 MHz. En av nøkkelparametrene til PCB-spor er dens karakteristiske impedans (dvs. forholdet mellom spenning og strøm når bølgen overføres langs signaloverføringslinjen). Den karakteristiske impedansen til ledninger på PCB-er er en viktig indikator på PCB-design. Spesielt i høyfrekvent PCB-design er det nødvendig å vurdere om den karakteristiske impedansen til ledningen er i samsvar med eller samsvarer med den nødvendige karakteristiske impedansen til enheten eller signalet. Dette involverer to konsepter: impedanskontroll og impedanstilpasning. Denne artikkelen fokuserer på problemstillinger rundt impedanskontroll og stakkdesign.

Det overføres forskjellige signaler i lederne på kretskortet. For å forbedre overføringshastigheten må frekvensen økes. Impedansverdien til selve kretsen varierer på grunn av faktorer som etsing, lagtykkelse og ledningsbredde, osv., noe som forårsaker signalforvrengning. Derfor bør impedansverdien til ledere på høyhastighets-kretskort kontrolleres innenfor et visst område, som kalles "impedanskontroll".

Impedansen til PCB-sporene bestemmes av deres induktive og kapasitive induktans, motstand og konduktivitetskoeffisient. Faktorene som påvirker impedansen til PCB-kablingen inkluderer hovedsakelig bredden og tykkelsen på kobbertråden, den dielektriske konstanten og tykkelsen på mediet, tykkelsen på loddeputen, jordledningens bane og ledningene rundt ledningene, osv. Impedansområdet for PCB er 25 til 120 ohm.

I praksis består PCB-overføringslinjer vanligvis av en ledningsbane, ett eller flere referanselag og isolasjonsmaterialer. Banen og laget utgjør kontrollimpedansen. PCB-er bruker ofte flerlagsstrukturer, og impedanskontroll kan også konstrueres på forskjellige måter. Uansett hvilken metode som brukes, vil impedansverdien imidlertid bli bestemt av dens fysiske struktur og de elektroniske egenskapene til isolasjonsmaterialet:

En mikrostrip er en ledningsstripe som refererer til en transmisjonslinje der bare én side har et referanseplan. Toppen og sidene er eksponert for luft (eller er belagt) og er plassert på overflaten av et isolasjonskonstant Er-kretskort, med effekt- eller jordlaget som referanse. Som vist i følgende figur:

Merk: I faktisk PCB-produksjon påfører PCB-fabrikken vanligvis et lag med grønt blekk på overflaten av PCB-en. Derfor brukes modellen vist i figuren nedenfor vanligvis for overflatemikrostriplinjer i faktiske impedansberegninger.

En stripline er en strimmel av tråd plassert mellom to referanseplan, som vist i figuren nedenfor. De dielektriske konstantene til dielektrikumet representert ved H1 og H2 kan være forskjellige.

De to tilfellene ovenfor er bare en typisk demonstrasjon av mikrostrip og striplinjer, vanligvis brukt til læring av innebygd IoT-intelligent maskinvare og andre systemer. Det finnes mange spesifikke typer mikrostrip og striplinjer, for eksempel belagte mikrostrip, som er relatert til den spesifikke stablingsstrukturen til PCB-er.

Ligningen som brukes til å beregne karakteristisk impedans krever komplekse matematiske beregninger, vanligvis ved bruk av feltløsningsmetoder, inkludert grenseelementanalyse. Derfor, med den spesialiserte impedansberegningsprogramvaren SI9000, trenger vi bare å kontrollere parametrene til karakteristisk impedans:

Den dielektriske konstanten Er for isolasjonslaget, ledningsbredden W1 og W2 (trapesformet), ledningstykkelsen T og isolasjonslagets tykkelse H.

W – designet linjebredde

A – etseskadetap (se tabellen ovenfor)

Årsaken til den inkonsistente bredden mellom toppen og bunnen av linjen er at under produksjonsprosessen av PCB-er oppstår korrosjon fra topp til bunn, noe som resulterer i en trapesformet form på den korroderte linjen.

Det er et tilsvarende forhold mellom linjetykkelsen T og kobbertykkelsen på dette laget, som følger:

* På grunn av den lille påvirkningen loddemasketykkelsen har på impedansen, antas det å være en konstant verdi på 0,5 mil.

Vi kan oppnå impedanskontroll ved å kontrollere disse parameterne. Med Anweis bunnkretskort som eksempel, vil vi forklare trinnene for impedanskontroll og bruken av SI9000:

Det andre laget er jordplanet, det femte laget er effektplanet, og de resterende lagene er signallagene.

Forklaring: Dielektrikumet mellom mellomlagene er FR-4, med en dielektrisk konstant på 4,2; Topp- og bunnlagene er bare lag som kommer i direkte kontakt med luft, og luftens dielektriske konstant er 1.

PCB-designere kan utnytte den hierarkiske strukturen til PCB-er fullt ut for å oppnå impedanskontroll. Ved å plassere forskjellige signallag i forskjellige lagposisjoner kan mellomlagskapasitans og induktans kontrolleres effektivt. Generelt sett bruker det indre laget høyimpedansmaterialer og det ytre laget bruker lavimpedansmaterialer for å redusere effekten av refleksjon og krysstale.

Differensielle signaloverføringslinjer kan gi bedre anti-interferensevne og lavere krysstalerisiko. Differensielle signaloverføringslinjer er et par parallelle ledninger med motsatt spenning, men like store, noe som kan gi bedre signalintegritet og anti-interferensevne. Impedansen til differensielle signaloverføringslinjer styres vanligvis av valg av linjeavstand, bredde og jordplan.

Geometriske parametere som linjebredde, avstand og layout på PCB-ledninger kan også brukes til å kontrollere impedansen. For vanlige mikrostripledninger kan tykkere linjebredde og større avstand redusere impedansen. For koaksiale ledninger kan mindre indre linjediametre og større ytre linjeradiuser øke impedansen. Valg av ledningsgeometri krever optimalisering basert på spesifikke impedanskrav og signalfrekvens.

Den dielektriske konstanten til PCB-materialer påvirker også impedansen. Å velge materialer med stabile dielektriske egenskaper er en del av impedanskontrollen. I høyfrekvente og høyhastighetsapplikasjoner inkluderer vanlige materialer FR-4 (glassfiberforsterket plate), PTFE (polytetrafluoretylen) og RF (radiofrekvens) laminater.

Før PCB-design kan bruk av simulerings- og designverktøy hjelpe designere med å raskt og nøyaktig verifisere og optimalisere impedans. Disse verktøyene kan simulere kretsoppførsel, signaloverføringstap og elektromagnetiske interaksjoner for å bestemme de optimale PCB-designparametrene. Noen vanlige simuleringsverktøy inkluderer CST Studio Suite, HyperLynx og ADS.

PCB-impedanskontroll spiller en avgjørende rolle i høyhastighets digitale og analoge kretser. Gjennom rimelig hierarkisk design, bruk av differensielle signaloverføringslinjer, kontroll av ledningsgeometri, valg av passende PCB-materialer og bruk av simulerings- og designverktøy, kan presis impedanskontroll oppnås, og dermed forbedre kretsytelsen og signalintegriteten.