Kaj je nadzor impedance in kako izvajati nadzor impedance na tiskanih vezjih

Pri načrtovanju sodobnih elektronskih naprav imajo tiskana vezja ključno vlogo. Zmogljivost tiskanih vezij neposredno vpliva na stabilnost, zanesljivost in učinkovitost prenosa celotnega elektronskega sistema. Med njimi je pomemben del načrtovanja tiskanih vezij nadzor impedance. Ker imajo sodobna digitalna vezja krajše čase prenosa signalov in višje taktne frekvence, sledi tiskanih vezij niso več preproste povezave, temveč prenosne linije. Nadzor impedance tiskanih vezij se nanaša na nadzor hitrosti prenosa in ujemanja impedance signalov na tiskanem vezju, da se zagotovi kakovost in stabilnost prenosa signala.

V praktičnih situacijah je potrebno nadzorovati impedanco sledi, ko je digitalna mejna hitrost višja od 1 ns ali ko analogna frekvenca preseže 300 MHz. Eden ključnih parametrov sledi tiskanega vezja je njena karakteristična impedanca (tj. razmerje med napetostjo in tokom, ko se val prenaša po signalni prenosni liniji). Karakteristična impedanca žic na tiskanih vezjih je pomemben kazalnik zasnove tiskanih vezjev. Zlasti pri zasnovi visokofrekvenčnih tiskanih vezjev je treba upoštevati, ali je karakteristična impedanca žice skladna z zahtevano karakteristično impedanco naprave ali signala oziroma se ujema z njo. To vključuje dva koncepta: nadzor impedance in ujemanje impedance. Ta članek se osredotoča na vprašanja nadzora impedance in zasnove sklada.

V vodnikih tiskanega vezja se prenašajo različni signali. Za izboljšanje hitrosti prenosa je treba povečati njegovo frekvenco. Vrednost impedance samega vezja se spreminja zaradi dejavnikov, kot so jedkanje, debelina plasti in širina žice itd., kar povzroča popačenje signala. Zato je treba vrednost impedance vodnikov na visokohitrostnih tiskanih vezjih nadzorovati v določenem območju, kar imenujemo "nadzor impedance".

Impedanco sledi tiskanega vezja določa njihova induktivna in kapacitivna induktivnost, upornost in koeficient prevodnosti. Dejavniki, ki vplivajo na impedanco ožičenja tiskanega vezja, vključujejo predvsem širino in debelino bakrene žice, dielektrično konstanto in debelino medija, debelino spajkalne blazinice, pot ozemljitvene žice in ožičenje okoli ožičenja itd. Območje impedance tiskanega vezja je od 25 do 120 ohmov.

V praksi so daljnovodi s tiskanimi vezji običajno sestavljeni iz žice, ene ali več referenčnih plasti in izolacijskih materialov. Sled in plast tvorita krmilno impedanco. Tiskana vezja pogosto uporabljajo večplastne strukture, krmiljenje impedance pa je mogoče izvesti tudi na različne načine. Vendar pa bo ne glede na uporabljeno metodo vrednost impedance določena z njeno fizično strukturo in elektronskimi lastnostmi izolacijskega materiala:

Mikrotrakasti trak je trak žice, ki se nanaša na daljnovod, pri katerem ima samo ena stran referenčno ravnino. Zgornji in stranski deli so izpostavljeni zraku (ali prevlečeni) in se nahajajo na površini izolacijske konstante Er PCB, pri čemer je napajalna ali ozemljitvena plast referenčna. Kot je prikazano na naslednji sliki:

Opomba: Pri dejanski proizvodnji tiskanih vezij tovarna tiskanih vezij običajno nanese plast zelenega črnila na površino tiskanega vezja. Zato se pri dejanskih izračunih impedance za površinske mikrotrakaste linije običajno uporablja model, prikazan na naslednji sliki.

Trakasta linija je trak žice, nameščen med dvema referenčnima ravninama, kot je prikazano na naslednji sliki. Dielektrični konstanti dielektrika, ki ju predstavljata H1 in H2, sta lahko različni.

Zgornja dva primera sta le tipična demonstracija mikrotrakastih in trakastih vodov, ki se običajno uporabljajo za učenje vgrajene inteligentne strojne opreme IoT in drugih sistemov. Obstaja veliko specifičnih vrst mikrotrakastih in trakastih vodov, kot je prevlečen mikrotrak, ki so povezani s specifično strukturo zlaganja tiskanih vezij.

Enačba, ki se uporablja za izračun karakteristične impedance, zahteva kompleksne matematične izračune, običajno z uporabo metod reševanja polj, vključno z analizo robnih elementov. Zato moramo z uporabo specializirane programske opreme za izračun impedance SI9000 le nadzorovati parametre karakteristične impedance:

Dielektrična konstanta Er izolacijske plasti, širina ožičenja W1 in W2 (trapezoidno), debelina ožičenja T in debelina izolacijske plasti H.

Š – načrtovana širina črte

A – izguba zaradi jedkanja (glej zgornjo tabelo)

Razlog za neskladno širino med zgornjim in spodnjim delom črte je, da med proizvodnim procesom tiskanih vezij pride do korozije od vrha do dna, kar povzroči trapezoidno obliko korodirane črte.

Med debelino črte T in debelino bakra te plasti obstaja ustrezna povezava, kot sledi:

* Zaradi majhnega vpliva debeline spajkalne maske na impedanco se predpostavlja, da je konstantna vrednost 0,5 mil.

Z nadzorom teh parametrov lahko dosežemo nadzor impedance. Na primeru spodnje tiskane vezja podjetja Anwei bomo razložili korake nadzora impedance in uporabo SI9000:

Druga plast je ozemljitvena ravnina, peta plast je napajalna ravnina, preostale plasti pa so signalne plasti.

Razlaga: Dielektrik med vmesnima slojema je FR-4 z dielektrično konstanto 4,2; Zgornji in spodnji sloj sta goli plasti, ki prideta v neposreden stik z zrakom, dielektrična konstanta zraka pa je 1.

Oblikovalci tiskanih vezij lahko v celoti izkoristijo hierarhično strukturo tiskanih vezij za doseganje nadzora impedance. Z namestitvijo različnih signalnih plasti na različne položaje plasti je mogoče učinkovito nadzorovati medplastno kapacitivnost in induktivnost. Na splošno velja, da notranja plast uporablja materiale z visoko impedanco, zunanja plast pa materiale z nizko impedanco za zmanjšanje vpliva odboja in presluha.

Diferencialni signalni daljnovodi lahko zagotovijo boljšo sposobnost preprečevanja motenj in manjše tveganje presluha. Diferencialni signalni daljnovodi so par vzporednih žic z nasprotnima napetostma, vendar enakih velikosti, kar lahko zagotovi boljšo integriteto signala in sposobnost preprečevanja motenj. Impedanco diferencialnih signalnih daljnovodov običajno nadziramo z izbiro razmika med linijami, širine in ozemljitvene ravnine.

Za nadzor impedance se lahko uporabijo tudi geometrijski parametri, kot so širina, razmik in postavitev tiskanega vezja. Pri običajnih mikrotrakastih linijah lahko debelejša širina linije in večji razmik zmanjšata impedanco. Pri koaksialnih linijah lahko manjši notranji premeri linij in večji zunanji polmeri linij povečajo impedanco. Izbira geometrije ožičenja zahteva optimizacijo glede na specifične zahteve glede impedance in frekvenco signala.

Dielektrična konstanta materialov tiskanih vezij vpliva tudi na impedanco. Izbira materialov s stabilnimi dielektričnimi lastnostmi je del nadzora impedance. V visokofrekvenčnih in visokohitrostnih aplikacijah se pogosto uporabljajo materiali, kot so FR-4 (plošča, ojačana s steklenimi vlakni), PTFE (politetrafluoroetilen) in RF (radiofrekvenčni) laminati.

Pred načrtovanjem tiskanih vezij lahko uporaba orodij za simulacijo in načrtovanje pomaga oblikovalcem hitro in natančno preveriti ter optimizirati impedanco. Ta orodja lahko simulirajo obnašanje vezij, izgube pri prenosu signala in elektromagnetne interakcije, da določijo optimalne parametre načrtovanja tiskanih vezij. Nekatera pogosta orodja za simulacijo vključujejo CST Studio Suite, HyperLynx in ADS.

Nadzor impedance tiskanih vezij igra ključno vlogo v visokohitrostnih digitalnih in analognih vezjih. Z razumno hierarhično zasnovo, uporabo diferencialnih signalnih prenosnih vodov, nadzorom geometrije ožičenja, izbiro ustreznih materialov tiskanih vezij ter uporabo orodij za simulacijo in načrtovanje je mogoče doseči natančen nadzor impedance, s čimer se izboljšata delovanje vezja in integriteta signala.