Czym jest kontrola impedancji i jak ją przeprowadzać na płytkach PCB

W projektowaniu nowoczesnych urządzeń elektronicznych płytki PCB odgrywają kluczową rolę. Wydajność płytek PCB bezpośrednio wpływa na stabilność, niezawodność i wydajność transmisji całego systemu elektronicznego. Jednym z nich jest kontrola impedancji, która stanowi istotny element projektowania płytek PCB. Ponieważ nowoczesne układy cyfrowe charakteryzują się krótszym czasem transmisji sygnału i wyższą częstotliwością taktowania, ścieżki PCB nie są już prostymi połączeniami, lecz liniami transmisyjnymi. Kontrola impedancji PCB polega na kontrolowaniu prędkości transmisji i dopasowania impedancji sygnałów na płytce PCB w celu zapewnienia jakości i stabilności transmisji sygnału.

W praktyce konieczne jest kontrolowanie impedancji ścieżki, gdy cyfrowa prędkość graniczna jest większa niż 1 ns lub częstotliwość analogowa przekracza 300 MHz. Jednym z kluczowych parametrów ścieżki PCB jest jej impedancja charakterystyczna (tj. stosunek napięcia do natężenia prądu podczas transmisji sygnału linią transmisyjną). Impedancja charakterystyczna przewodów na płytkach PCB jest ważnym wskaźnikiem projektu PCB. Szczególnie w projektach PCB o wysokiej częstotliwości należy rozważyć, czy impedancja charakterystyczna przewodu jest zgodna z wymaganą impedancją charakterystyczną urządzenia lub sygnału. Obejmuje to 2 koncepcje: kontrolę impedancji i dopasowanie impedancji. Niniejszy artykuł koncentruje się na zagadnieniach kontroli impedancji i projektowania stosu.

W przewodnikach płytki PCB przesyłane są różne sygnały. Aby zwiększyć szybkość transmisji, konieczne jest zwiększenie częstotliwości. Wartość impedancji samego obwodu zmienia się ze względu na czynniki takie jak trawienie, grubość warstwy i szerokość drutu itp., co powoduje zniekształcenia sygnału. Dlatego wartość impedancji przewodników na szybkich płytkach PCB powinna być kontrolowana w określonym zakresie, co nazywa się „kontrolą impedancji”.

Impedancja ścieżek PCB jest określana przez ich indukcyjność indukcyjną i pojemnościową, rezystancję oraz współczynnik przewodnictwa. Czynniki wpływające na impedancję okablowania PCB to głównie szerokość i grubość przewodu miedzianego, stała dielektryczna i grubość medium, grubość pola lutowniczego, przebieg przewodu uziemiającego oraz okablowanie wokół niego itp. Zakres impedancji PCB wynosi od 25 do 120 omów.

W praktyce linie transmisyjne PCB zazwyczaj składają się ze ścieżki przewodu, jednej lub kilku warstw odniesienia oraz materiałów izolacyjnych. Ścieżka i warstwa stanowią impedancję sterującą. Płytki PCB często wykorzystują struktury wielowarstwowe, a sterowanie impedancją można również realizować na różne sposoby. Jednak niezależnie od zastosowanej metody, wartość impedancji będzie zależeć od jej struktury fizycznej i właściwości elektronicznych materiału izolacyjnego:

Mikropasek to pasek drutu, który odnosi się do linii transmisyjnej, z którego tylko jedna strona ma płaszczyznę odniesienia. Górna i boki są wystawione na działanie powietrza (lub powlekane) i znajdują się na powierzchni płytki PCB o stałej izolacji Er, z warstwą zasilania lub uziemienia jako punktem odniesienia. Jak pokazano na poniższym rysunku:

Uwaga: Podczas rzeczywistej produkcji płytek PCB, fabryka zazwyczaj nakłada warstwę zielonego tuszu na powierzchnię płytki. Dlatego w rzeczywistych obliczeniach impedancji, model przedstawiony na poniższym rysunku jest zazwyczaj używany dla powierzchniowych linii mikropaskowych.

Linia paskowa to pasek drutu umieszczony między dwiema płaszczyznami odniesienia, jak pokazano na poniższym rysunku. Stałe dielektryczne dielektryków reprezentowanych przez H1 i H2 mogą być różne.

Powyższe dwa przypadki to tylko typowa demonstracja mikrolinii paskowych i mikrolinii paskowych, zazwyczaj wykorzystywanych do nauki obsługi inteligentnego sprzętu IoT i innych systemów. Istnieje wiele specyficznych typów mikrolinii paskowych i mikrolinii paskowych, takich jak mikrolinii powlekanych, które są powiązane ze specyficzną strukturą stosu płytek PCB.

Równanie używane do obliczania impedancji charakterystycznej wymaga skomplikowanych obliczeń matematycznych, zazwyczaj z wykorzystaniem metod rozwiązywania pól, w tym analizy elementów brzegowych. Dlatego korzystając ze specjalistycznego oprogramowania do obliczania impedancji SI9000, wystarczy kontrolować parametry impedancji charakterystycznej:

Stała dielektryczna Er warstwy izolacyjnej, szerokość przewodów W1 i W2 (trapezowa), grubość przewodów T oraz grubość warstwy izolacyjnej H.

W – zaprojektowana szerokość linii

A – strata trawienia (patrz tabela powyżej)

Powodem nierównej szerokości górnej i dolnej krawędzi linii jest fakt, że w procesie produkcji płytek PCB korozja zachodzi od góry do dołu, co powoduje, że skorodowana linia ma kształt trapezu.

Istnieje odpowiednia zależność pomiędzy grubością linii T a grubością miedzi tej warstwy, która przedstawia się następująco:

* Ze względu na niewielki wpływ grubości maski lutowniczej na impedancję przyjmuje się, że jest to stała wartość 0,5 mil.

Możemy osiągnąć kontrolę impedancji, kontrolując te parametry. Biorąc za przykład dolną płytkę PCB Anwei, wyjaśnimy kroki kontroli impedancji i zastosowania SI9000:

Druga warstwa to warstwa uziemienia, piąta warstwa to warstwa zasilania, a pozostałe warstwy to warstwy sygnałowe.

Wyjaśnienie: Dielektrykiem pomiędzy warstwami pośrednimi jest FR-4 o stałej dielektrycznej wynoszącej 4,2; warstwy górna i dolna to warstwy gołe, które mają bezpośredni kontakt z powietrzem, a stała dielektryczna powietrza wynosi 1.

Projektanci PCB mogą w pełni wykorzystać hierarchiczną strukturę PCB, aby uzyskać kontrolę impedancji. Umieszczając różne warstwy sygnałowe w różnych pozycjach, można skutecznie kontrolować pojemność i indukcyjność międzywarstwową. Ogólnie rzecz biorąc, warstwa wewnętrzna wykorzystuje materiały o wysokiej impedancji, a warstwa zewnętrzna o niskiej impedancji, aby zmniejszyć wpływ odbić i przesłuchów.

Linie transmisji sygnału różnicowego zapewniają lepszą odporność na zakłócenia i mniejsze ryzyko przesłuchów. Linie transmisji sygnału różnicowego to para równoległych przewodów o przeciwnych napięciach, ale jednakowych przekrojach, co zapewnia lepszą integralność sygnału i odporność na zakłócenia. Impedancja linii transmisji sygnału różnicowego jest zazwyczaj kontrolowana poprzez dobór odstępu między liniami, szerokości i płaszczyzny uziemienia.

Parametry geometryczne, takie jak szerokość linii PCB, odstępy i układ, mogą również służyć do sterowania impedancją. W przypadku typowych linii mikropaskowych, grubsza szerokość linii i większe odstępy mogą zmniejszyć impedancję. W przypadku linii koncentrycznych, mniejsze średnice wewnętrzne linii i większe promienie zewnętrzne linii mogą zwiększyć impedancję. Wybór geometrii okablowania wymaga optymalizacji w oparciu o konkretne wymagania dotyczące impedancji i częstotliwości sygnału.

Stała dielektryczna materiałów PCB również wpływa na impedancję. Wybór materiałów o stabilnych właściwościach dielektrycznych jest elementem kontroli impedancji. W zastosowaniach wymagających wysokiej częstotliwości i dużej szybkości, powszechnie stosowane materiały to FR-4 (płyta wzmocniona włóknem szklanym), PTFE (politetrafluoroetylen) oraz laminaty RF (częstotliwości radiowe).

Przed rozpoczęciem projektowania PCB, wykorzystanie narzędzi symulacyjnych i projektowych może pomóc projektantom szybko i precyzyjnie zweryfikować oraz zoptymalizować impedancję. Narzędzia te umożliwiają symulację zachowania obwodu, strat transmisji sygnału i oddziaływań elektromagnetycznych, co pozwala określić optymalne parametry projektu PCB. Do popularnych narzędzi symulacyjnych należą CST Studio Suite, HyperLynx i ADS.

Kontrola impedancji PCB odgrywa kluczową rolę w szybkich układach cyfrowych i analogowych. Dzięki rozsądnej hierarchicznej konstrukcji, zastosowaniu różnicowych linii transmisyjnych, kontroli geometrii okablowania, doborowi odpowiednich materiałów PCB oraz narzędziom do symulacji i projektowania, można osiągnąć precyzyjną kontrolę impedancji, poprawiając tym samym wydajność układu i integralność sygnału.