Čo je to regulácia impedancie a ako ju vykonávať na doskách plošných spojov

Pri návrhu moderných elektronických zariadení zohrávajú dosky plošných spojov kľúčovú úlohu. Výkon dosiek plošných spojov priamo ovplyvňuje stabilitu, spoľahlivosť a účinnosť prenosu celého elektronického systému. Dôležitou súčasťou návrhu dosiek plošných spojov je riadenie impedancie. Keďže moderné digitálne obvody majú kratšie časy prenosu signálu a vyššie taktovacie frekvencie, stopy dosiek plošných spojov už nie sú jednoduché spojenia, ale prenosové vedenia. Riadenie impedancie dosiek plošných spojov sa vzťahuje na riadenie prenosovej rýchlosti a impedančného prispôsobenia signálov na doske plošných spojov, aby sa zabezpečila kvalita a stabilita prenosu signálu.

V praktických situáciách je potrebné riadiť impedanciu stopy, keď je digitálna hraničná rýchlosť vyššia ako 1 ns alebo analógová frekvencia presiahne 300 MHz. Jedným z kľúčových parametrov stopy na doske plošných spojov je jej charakteristická impedancia (t. j. pomer napätia k prúdu, keď sa vlna prenáša pozdĺž prenosového vedenia signálu). Charakteristická impedancia vodičov na doskách plošných spojov je dôležitým ukazovateľom návrhu dosiek plošných spojov. Najmä pri návrhu vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov je potrebné zvážiť, či je charakteristická impedancia vodiča konzistentná alebo zodpovedá požadovanej charakteristickej impedancii zariadenia alebo signálu. To zahŕňa 2 koncepty: riadenie impedancie a prispôsobenie impedancie. Tento článok sa zameriava na problematiku riadenia impedancie a návrhu vrstiev.

V vodičoch dosky plošných spojov sa prenášajú rôzne signály. Aby sa zlepšila prenosová rýchlosť, je potrebné zvýšiť jej frekvenciu. Hodnota impedancie samotného obvodu sa mení v dôsledku faktorov, ako je leptanie, hrúbka vrstvy a šírka vodiča atď., čo spôsobuje skreslenie signálu. Preto by sa hodnota impedancie vodičov na vysokorýchlostných doskách plošných spojov mala regulovať v určitom rozsahu, ktorý sa nazýva „regulácia impedancie“.

Impedancia vodičov PCB je určená ich indukčnou a kapacitnou indukčnosťou, odporom a koeficientom vodivosti. Medzi faktory, ktoré ovplyvňujú impedanciu vodičov PCB, patrí najmä šírka a hrúbka medeného drôtu, dielektrická konštanta a hrúbka média, hrúbka spájkovacej plošky, dráha uzemňovacieho drôtu a vodiče okolo vodičov atď. Rozsah impedancie PCB je 25 až 120 ohmov.

V praxi sa prenosové vedenia na doskách plošných spojov (PCB) zvyčajne skladajú z vodičovej stopy, jednej alebo viacerých referenčných vrstiev a izolačných materiálov. Stopa a vrstva tvoria riadiacu impedanciu. Dosky plošných spojov často používajú viacvrstvové štruktúry a riadenie impedancie môže byť tiež konštruované rôznymi spôsobmi. Avšak bez ohľadu na použitú metódu bude hodnota impedancie určená jej fyzikálnou štruktúrou a elektronickými vlastnosťami izolačného materiálu:

Mikropáskový drôt je pásik drôtu, ktorý označuje prenosové vedenie, pričom iba jedna strana má referenčnú rovinu. Vrchná a bočné strany sú vystavené vzduchu (alebo sú potiahnuté) a sú umiestnené na povrchu dosky plošných spojov s izolačnou konštantou Er, pričom referenčnou rovinou je napájacia alebo uzemňovacia vrstva. Ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:

Poznámka: Pri skutočnej výrobe dosiek plošných spojov (PCB) továreň na výrobu DPS zvyčajne nanáša na povrch dosky plošných spojov vrstvu zeleného atramentu. Preto sa pri skutočných výpočtoch impedancie pre povrchové mikropáskové vedenia zvyčajne používa model znázornený na nasledujúcom obrázku.

Páskové vedenie je pásik drôtu umiestnený medzi dvoma referenčnými rovinami, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku. Dielektrické konštanty dielektrika predstavované H1 a H2 sa môžu líšiť.

Vyššie uvedené 2 prípady sú len typickou ukážkou mikropáskových a páskových vedení, ktoré sa zvyčajne používajú na učenie inteligentného hardvéru vstavaného internetu vecí a iných systémov. Existuje mnoho špecifických typov mikropáskových a páskových vedení, ako napríklad potiahnuté mikropáskové vedenie, ktoré súvisia so špecifickou štruktúrou stohovania dosiek plošných spojov.

Rovnica použitá na výpočet charakteristickej impedancie vyžaduje zložité matematické výpočty, zvyčajne s použitím metód riešenia poľa vrátane analýzy okrajových prvkov. Preto pomocou špecializovaného softvéru na výpočet impedancie SI9000 stačí riadiť parametre charakteristickej impedancie:

Dielektrická konštanta Er izolačnej vrstvy, šírka vodiča W1 a W2 (lichobežníkový tvar), hrúbka vodiča T a hrúbka izolačnej vrstvy H.

W – navrhnutá šírka čiary

A – strata leptaním (pozri tabuľku vyššie)

Dôvodom nekonzistentnej šírky medzi hornou a dolnou časťou čiary je to, že počas výrobného procesu dosiek plošných spojov dochádza ku korózii zhora nadol, čo má za následok lichobežníkový tvar skorodovanej čiary.

Medzi hrúbkou čiary T a hrúbkou medi tejto vrstvy existuje zodpovedajúci vzťah takto:

* Vzhľadom na malý vplyv hrúbky spájkovacej masky na impedanciu sa predpokladá, že ide o konštantnú hodnotu 0,5 mil.

Riadenie impedancie môžeme dosiahnuť riadením týchto parametrov. Na príklade spodnej dosky plošných spojov od spoločnosti Anwei si vysvetlíme kroky riadenia impedancie a použitie SI9000:

Druhá vrstva je uzemňovacia rovina, piata vrstva je napájacia rovina a zvyšné vrstvy sú signálové vrstvy.

Vysvetlenie: Dielektrikum medzi medzivrstvami je FR-4 s dielektrickou konštantou 4,2; Vrchná a spodná vrstva sú holé vrstvy, ktoré prichádzajú do priameho kontaktu so vzduchom a dielektrická konštanta vzduchu je 1.

Návrhári dosiek plošných spojov môžu plne využiť hierarchickú štruktúru dosiek plošných spojov na dosiahnutie kontroly impedancie. Umiestnením rôznych signálových vrstiev do rôznych pozícií vrstiev je možné efektívne kontrolovať kapacitu a indukčnosť medzi vrstvami. Vo všeobecnosti sa vo vnútornej vrstve používajú materiály s vysokou impedanciou a vo vonkajšej vrstve sa používajú materiály s nízkou impedanciou, aby sa znížil vplyv odrazov a presluchov.

Diferenciálne signálové prenosové vedenia môžu poskytnúť lepšiu schopnosť odrušiť a nižšie riziko presluchov. Diferenciálne signálové prenosové vedenia sú dvojica paralelných vodičov s opačným napätím, ale rovnakými rozmermi, čo môže zabezpečiť lepšiu integritu signálu a schopnosť odrušiť. Impedancia diferenciálnych signálových prenosových vedení sa zvyčajne riadi výberom rozstupu vedení, šírky a uzemňovacej roviny.

Geometrické parametre, ako je šírka, rozstup a rozloženie čiary plošných spojov, možno použiť aj na riadenie impedancie. Pri bežných mikropáskových vedeniach môže hrubšia šírka čiary a väčšie rozstupy znížiť impedanciu. Pri koaxiálnych vedeniach môžu menšie vnútorné priemery čiar a väčšie vonkajšie polomery čiar zvýšiť impedanciu. Výber geometrie zapojenia si vyžaduje optimalizáciu na základe špecifických požiadaviek na impedanciu a frekvencie signálu.

Dielektrická konštanta materiálov dosiek plošných spojov ovplyvňuje aj impedanciu. Výber materiálov so stabilnými dielektrickými vlastnosťami je súčasťou riadenia impedancie. Vo vysokofrekvenčných a vysokorýchlostných aplikáciách sa medzi bežne používané materiály radia FR-4 (doska vystužená sklenenými vláknami), PTFE (polytetrafluóretylén) a RF (vysokofrekvenčné) lamináty.

Pred návrhom dosky plošných spojov môžu simulačné a návrhové nástroje pomôcť návrhárom rýchlo a presne overiť a optimalizovať impedanciu. Tieto nástroje dokážu simulovať správanie obvodu, straty prenosu signálu a elektromagnetické interakcie s cieľom určiť optimálne parametre návrhu dosky plošných spojov. Medzi bežné simulačné nástroje patria CST Studio Suite, HyperLynx a ADS.

Riadenie impedancie dosiek plošných spojov (PCB) zohráva kľúčovú úlohu vo vysokorýchlostných digitálnych a analógových obvodoch. Vďaka rozumnému hierarchickému návrhu, použitiu diferenciálnych signálových prenosových vedení, riadeniu geometrie zapojenia, výberu vhodných materiálov dosiek plošných spojov a použitiu simulačných a návrhových nástrojov je možné dosiahnuť presné riadenie impedancie, čím sa zlepší výkon obvodu a integrita signálu.