Ce este controlul impedanței și cum se efectuează controlul impedanței pe PCB-uri

În proiectarea dispozitivelor electronice moderne, plăcile de circuite imprimate (PCB) joacă un rol crucial. Performanța PCB-urilor afectează direct stabilitatea, fiabilitatea și eficiența transmisiei întregului sistem electronic. Printre acestea, controlul impedanței este o parte importantă a proiectării PCB-urilor. Deoarece circuitele digitale moderne au timpi de transmisie a semnalului mai scurți și rate de ceas mai mari, traseele PCB nu mai sunt simple conexiuni, ci linii de transmisie corespunzătoare. Controlul impedanței PCB se referă la controlul vitezei de transmisie și al adaptării impedanței semnalelor pe PCB pentru a asigura calitatea și stabilitatea transmisiei semnalului.

În situații practice, este necesar să se controleze impedanța traseului atunci când viteza marginală digitală este mai mare de 1ns sau frecvența analogică depășește 300MHz. Unul dintre parametrii cheie ai traseului PCB este impedanța sa caracteristică (adică raportul dintre tensiune și curent atunci când unda este transmisă de-a lungul liniei de transmisie a semnalului). Impedanța caracteristică a firelor de pe PCB este un indicator important al proiectării PCB. În special în proiectarea PCB de înaltă frecvență, este necesar să se ia în considerare dacă impedanța caracteristică a firului este consistentă cu sau corespunde impedanței caracteristice necesare a dispozitivului sau semnalului. Aceasta implică două concepte: controlul impedanței și adaptarea impedanței. Acest articol se concentrează pe problemele de control al impedanței și proiectarea stivei.

Există diverse semnale transmise în conductorii PCB-ului. Pentru a îmbunătăți rata de transmisie, frecvența acestuia trebuie crescută. Valoarea impedanței circuitului în sine variază din cauza unor factori precum gravarea, grosimea stratului și lățimea firului etc., provocând distorsiuni ale semnalului. Prin urmare, valoarea impedanței conductorilor de pe PCB-urile de mare viteză trebuie controlată într-un anumit interval, care se numește „control al impedanței”.

Impedanța traseelor ​​PCB este determinată de inductanța lor inductivă și capacitivă, rezistență și coeficientul de conductivitate. Factorii care afectează impedanța cablajului PCB includ în principal lățimea și grosimea firului de cupru, constanta dielectrică și grosimea mediului, grosimea pad-ului de lipire, traseul firului de împământare și cablajul din jurul cablurilor etc. Intervalul de impedanță PCB este de la 25 la 120 ohmi.

În practică, liniile de transmisie de pe PCB constau de obicei dintr-o urmă de fir, unul sau mai multe straturi de referință și materiale izolatoare. Urma și stratul constituie impedanța de control. PCB-urile adoptă adesea structuri multistrat, iar controlul impedanței poate fi, de asemenea, construit în diverse moduri. Cu toate acestea, indiferent de metoda utilizată, valoarea impedanței va fi determinată de structura sa fizică și de proprietățile electronice ale materialului izolator:

O microstrip este o bandă de sârmă ce se referă la o linie de transmisie cu o singură latură având un plan de referință. Partea superioară și lateralele sunt expuse la aer (sau sunt acoperite) și sunt situate pe suprafața unui PCB cu izolație constantă Er, având stratul de alimentare sau de împământare ca referință. După cum se arată în figura următoare:

Notă: În producția reală de PCB-uri, fabrica de PCB aplică de obicei un strat de cerneală verde pe suprafața PCB-ului. Prin urmare, în calculele reale de impedanță, modelul prezentat în figura următoare este de obicei utilizat pentru liniile microstrip de suprafață.

O bandă tip bandă este o bandă de sârmă plasată între 2 plane de referință, așa cum se arată în figura următoare. Constantele dielectrice ale dielectricului reprezentat de H1 și H2 pot fi diferite.

Cele 2 cazuri de mai sus sunt doar o demonstrație tipică a microstrip-urilor și stripline-urilor, utilizate de obicei pentru învățarea hardware-ului inteligent IoT încorporat și a altor sisteme. Există multe tipuri specifice de microstrip-uri și stripline-uri, cum ar fi microstrip-urile acoperite, care sunt legate de structura specifică de stivuire a PCB-urilor.

Ecuația utilizată pentru calcularea impedanței caracteristice necesită calcule matematice complexe, de obicei folosind metode de rezolvare a câmpurilor, inclusiv analiza elementelor la limită. Prin urmare, utilizând software-ul specializat de calcul al impedanței SI9000, tot ce trebuie să facem este să controlăm parametrii impedanței caracteristice:

Constanta dielectrică Er a stratului de izolație, lățimea cablurilor W1 și W2 (trapezoidală), grosimea cablurilor T și grosimea stratului de izolație H.

W – lățimea proiectată a liniei

A – pierdere prin gravare (vezi tabelul de mai sus)

Motivul lățimii inconsistente dintre partea superioară și inferioară a liniei este că, în timpul procesului de fabricație a PCB-urilor, coroziunea are loc de sus în jos, rezultând o formă trapezoidală a liniei corodate.

Există o relație corespunzătoare între grosimea liniei T și grosimea cuprului acestui strat, după cum urmează:

Datorită influenței mici a grosimii măștii de lipire asupra impedanței, se presupune că aceasta are o valoare constantă de 0,5 mil.

Putem realiza controlul impedanței prin controlul acestor parametri. Luând ca exemplu PCB-ul inferior al Anwei, vom explica pașii controlului impedanței și utilizarea SI9000:

Al doilea strat este planul de masă, al cincilea strat este planul de putere, iar straturile rămase sunt straturile de semnal.

Explicație: Dielectricul dintre straturile intermediare este FR-4, cu o constantă dielectrică de 4,2; Straturile superior și inferior sunt straturi goale care intră în contact direct cu aerul, iar constanta dielectrică a aerului este 1.

Proiectanții de PCB pot utiliza pe deplin structura ierarhică a PCB-urilor pentru a realiza controlul impedanței. Prin plasarea diferitelor straturi de semnal în poziții diferite ale straturilor, capacitatea și inductanța interstrat pot fi controlate eficient. În general, stratul interior utilizează materiale cu impedanță ridicată, iar stratul exterior utilizează materiale cu impedanță scăzută pentru a reduce impactul reflexiei și al diafoniei.

Liniile de transmisie a semnalului diferențial pot oferi o capacitate anti-interferență mai bună și un risc mai mic de diafonie. Liniile de transmisie a semnalului diferențial sunt o pereche de fire paralele cu tensiuni opuse, dar dimensiuni egale, care pot oferi o integritate mai bună a semnalului și o capacitate anti-interferență. Impedanța liniilor de transmisie a semnalului diferențial este de obicei controlată prin selectarea distanței dintre linii, a lățimii și a planului de masă.

Parametrii geometrici precum lățimea, spațierea și amplasarea liniilor PCB pot fi, de asemenea, utilizați pentru a controla impedanța. Pentru liniile microstrip comune, o lățime mai groasă a liniei și o spațiere mai mare pot reduce impedanța. Pentru liniile coaxiale, diametrele interioare mai mici ale liniei și razele exterioare mai mari ale liniei pot crește impedanța. Selectarea geometriei cablajului necesită optimizare bazată pe cerințe specifice de impedanță și frecvența semnalului.

Constanta dielectrică a materialelor PCB afectează, de asemenea, impedanța. Alegerea materialelor cu proprietăți dielectrice stabile face parte din controlul impedanței. În aplicațiile de înaltă frecvență și viteză mare, materialele utilizate în mod obișnuit includ FR-4 (placă armată cu fibră de sticlă), PTFE (politetrafluoroetilenă) și laminate RF (radiofrecvență).

Înainte de proiectarea PCB-urilor, utilizarea instrumentelor de simulare și proiectare poate ajuta proiectanții să verifice și să optimizeze rapid și precis impedanța. Aceste instrumente pot simula comportamentul circuitelor, pierderile de transmisie a semnalelor și interacțiunile electromagnetice pentru a determina parametrii optimi de proiectare a PCB-urilor. Printre instrumentele de simulare comune se numără CST Studio Suite, HyperLynx și ADS.

Controlul impedanței PCB joacă un rol crucial în circuitele digitale și analogice de mare viteză. Prin proiectarea ierarhică rezonabilă, utilizarea liniilor de transmisie a semnalului diferențial, controlul geometriei cablajului, selectarea materialelor PCB adecvate și utilizarea instrumentelor de simulare și proiectare, se poate obține un control precis al impedanței, îmbunătățind astfel performanța circuitului și integritatea semnalului.