Что такое управление импедансом и как выполнять управление импедансом на печатных платах?

В проектировании современных электронных устройств печатные платы играют решающую роль. Характеристики печатных плат напрямую влияют на стабильность, надежность и эффективность передачи всей электронной системы. Среди них контроль импеданса является важной частью проектирования печатных плат. Поскольку современные цифровые схемы имеют более короткое время передачи сигнала и более высокие тактовые частоты, трассы на печатной плате представляют собой уже не просто соединения, а, соответственно, линии передачи. Контроль импеданса на печатной плате подразумевает управление скоростью передачи и согласованием импеданса сигналов на плате для обеспечения качества и стабильности передачи сигнала.

В практических ситуациях необходимо контролировать импеданс дорожек, когда цифровая погрешность превышает 1 нс или аналоговая частота превышает 300 МГц. Одним из ключевых параметров дорожек печатных плат является их характеристический импеданс (т.е. отношение напряжения к току при передаче сигнала по линии передачи). Характеристический импеданс проводников на печатных платах является важным показателем при проектировании печатных плат. Особенно при проектировании высокочастотных печатных плат необходимо учитывать, соответствует ли характеристический импеданс проводника требуемому характеристическому импедансу устройства или сигнала. Это включает в себя два понятия: контроль импеданса и согласование импеданса. В данной статье рассматриваются вопросы контроля импеданса и проектирования многослойной структуры.

По проводникам печатной платы передаются различные сигналы. Для повышения скорости передачи необходимо увеличить частоту. Значение импеданса самой цепи изменяется из-за таких факторов, как травление, толщина слоев и ширина проводников и т. д., что приводит к искажению сигнала. Поэтому значение импеданса проводников на высокоскоростных печатных платах должно контролироваться в определенном диапазоне, что называется «контролем импеданса».

Импеданс дорожек печатной платы определяется их индуктивностью и емкостной индуктивностью, сопротивлением и коэффициентом проводимости. Факторы, влияющие на импеданс проводников печатной платы, включают в себя в основном ширину и толщину медного провода, диэлектрическую постоянную и толщину среды, толщину контактной площадки, траекторию заземляющего провода, а также расположение проводников вокруг них и т. д. Диапазон импеданса печатной платы составляет от 25 до 120 Ом.

На практике линии передачи на печатных платах обычно состоят из проволочной дорожки, одного или нескольких опорных слоев и изоляционных материалов. Дорожка и слой образуют управляющее сопротивление. Печатные платы часто имеют многослойную структуру, и управление сопротивлением может осуществляться различными способами. Однако, независимо от используемого метода, значение сопротивления будет определяться его физической структурой и электронными свойствами изоляционного материала.

Микрополосковая линия — это полоска проволоки, представляющая собой линию передачи, у которой только одна сторона имеет опорную плоскость. Верхняя и боковые стороны открыты для воздуха (или покрыты защитным слоем) и расположены на поверхности печатной платы с изоляцией с постоянной Er, при этом в качестве опорной плоскости используется слой питания или заземления. Как показано на следующем рисунке:

Примечание: В реальном производстве печатных плат завод обычно наносит на их поверхность слой зеленой краски. Поэтому при расчетах импеданса для поверхностных микрополосковых линий обычно используется модель, показанная на следующем рисунке.

Полосковая линия — это полоска проволоки, расположенная между двумя опорными плоскостями, как показано на следующем рисунке. Диэлектрические постоянные диэлектрика, обозначенные H1 и H2, могут быть различными.

Приведенные выше два примера являются лишь типичной демонстрацией микрополосковых и полосковых линий, обычно используемых для обучения встроенного интеллектуального оборудования IoT и других систем. Существует множество специфических типов микрополосковых и полосковых линий, таких как микрополосковые линии с покрытием, которые зависят от конкретной структуры укладки печатных плат.

Уравнение, используемое для расчета характеристического импеданса, требует сложных математических вычислений, обычно с использованием методов решения задач в полевых условиях, включая анализ методом граничных элементов. Поэтому, используя специализированное программное обеспечение для расчета импеданса SI9000, нам остается лишь контролировать параметры характеристического импеданса:

Диэлектрическая постоянная Er изоляционного слоя, ширина проводников W1 и W2 (трапецеидальная), толщина проводников T и толщина изоляционного слоя H.

W – расчетная ширина линии

А – потери от травления (см. таблицу выше)

Причиной непостоянной ширины верхней и нижней частей линии является то, что в процессе производства печатных плат коррозия происходит сверху вниз, в результате чего корродированная линия приобретает трапециевидную форму.

Между толщиной линии T и толщиной медного слоя существует соответствующая зависимость, а именно:

* Ввиду незначительного влияния толщины защитной пленки на импеданс, она принимается за постоянное значение 0,5 мил.

Мы можем добиться контроля импеданса, управляя этими параметрами. На примере нижней печатной платы Anwei мы объясним этапы контроля импеданса и использование SI9000:

Второй слой — это заземляющая плоскость, пятый слой — плоскость питания, а остальные слои — это сигнальные слои.

Пояснение: Диэлектриком между промежуточными слоями является FR-4 с диэлектрической постоянной 4,2; верхний и нижний слои представляют собой непокрытые слои, находящиеся в непосредственном контакте с воздухом, диэлектрическая постоянная воздуха которых равна 1.

Разработчики печатных плат могут в полной мере использовать иерархическую структуру печатных плат для управления импедансом. Размещая различные сигнальные слои в разных положениях, можно эффективно контролировать межслойную емкость и индуктивность. Как правило, во внутреннем слое используются материалы с высоким импедансом, а во внешнем — материалы с низким импедансом, чтобы уменьшить влияние отражений и перекрестных помех.

Дифференциальные линии передачи сигнала обеспечивают лучшую помехоустойчивость и меньший риск перекрестных помех. Дифференциальные линии передачи сигнала представляют собой пару параллельных проводов с противоположными напряжениями, но одинаковыми сечениями, что обеспечивает лучшую целостность сигнала и помехоустойчивость. Импеданс дифференциальных линий передачи сигнала обычно регулируется выбором расстояния между проводниками, ширины и заземляющей плоскости.

Геометрические параметры, такие как ширина линий на печатной плате, расстояние между ними и расположение элементов, также могут использоваться для управления импедансом. Для распространенных микрополосковых линий увеличение толщины линий и расстояния между ними может снизить импеданс. Для коаксиальных линий уменьшение внутреннего диаметра линий и увеличение внешнего радиуса линий могут увеличить импеданс. Выбор геометрии проводки требует оптимизации на основе конкретных требований к импедансу и частоте сигнала.

Диэлектрическая постоянная материалов печатных плат также влияет на импеданс. Выбор материалов со стабильными диэлектрическими свойствами является частью управления импедансом. В высокочастотных и высокоскоростных приложениях обычно используются такие материалы, как FR-4 (плакаты, армированные стекловолокном), PTFE (политетрафторэтилен) и радиочастотные ламинаты.

Перед проектированием печатной платы использование инструментов моделирования и проектирования может помочь разработчикам быстро и точно проверить и оптимизировать импеданс. Эти инструменты могут моделировать поведение схемы, потери при передаче сигнала и электромагнитные взаимодействия для определения оптимальных параметров проектирования печатной платы. К числу распространенных инструментов моделирования относятся CST Studio Suite, HyperLynx и ADS.

Контроль импеданса печатной платы играет решающую роль в высокоскоростных цифровых и аналоговых схемах. Благодаря разумной иерархической конструкции, использованию дифференциальных линий передачи сигнала, контролю геометрии проводников, выбору соответствующих материалов для печатной платы, а также применению инструментов моделирования и проектирования, можно добиться точного контроля импеданса, тем самым улучшая характеристики схемы и целостность сигнала.