Çfarë është kontrolli i impedancës dhe si kryhet kontrolli i impedancës në PCB-të

Në projektimin e pajisjeve moderne elektronike, PCB-të luajnë një rol vendimtar. Performanca e PCB-ve ndikon drejtpërdrejt në stabilitetin, besueshmërinë dhe efikasitetin e transmetimit të të gjithë sistemit elektronik. Midis tyre, kontrolli i impedancës është një pjesë e rëndësishme e projektimit të PCB-ve. Meqenëse qarqet dixhitale moderne kanë kohë më të shkurtra transmetimi të sinjalit dhe shpejtësi më të larta të orës, gjurmët e PCB-ve nuk janë më lidhje të thjeshta, por linja transmetimi përkatësisht. Kontrolli i impedancës së PCB-së i referohet kontrollit të shpejtësisë së transmetimit dhe përputhjes së impedancës së sinjaleve në PCB për të siguruar cilësinë dhe stabilitetin e transmetimit të sinjalit.

Në situata praktike, është e nevojshme të kontrollohet impedanca e gjurmës kur shpejtësia kufitare dixhitale është më e lartë se 1ns ose frekuenca analoge tejkalon 300MHz. Një nga parametrat kryesorë të gjurmës së PCB është impedanca e saj karakteristike (domethënë raporti i tensionit me rrymën kur vala transmetohet përgjatë linjës së transmetimit të sinjalit). Impedanca karakteristike e telave në PCB është një tregues i rëndësishëm i projektimit të PCB-së. Sidomos në projektimin e PCB-së me frekuencë të lartë, është e nevojshme të merret në konsideratë nëse impedanca karakteristike e telit është në përputhje me ose përputhet me impedancën karakteristike të kërkuar të pajisjes ose sinjalit. Kjo përfshin 2 koncepte: kontrollin e impedancës dhe përputhjen e impedancës. Ky artikull përqendrohet në çështjet e kontrollit të impedancës dhe projektimit të pirgut.

Në përçuesit e PCB-së transmetohen sinjale të ndryshme. Për të përmirësuar shkallën e transmetimit të saj, frekuenca e saj duhet të rritet. Vlera e impedancës së vetë qarkut ndryshon për shkak të faktorëve të tillë si gdhendja, trashësia e shtresës dhe gjerësia e telit, etj., duke shkaktuar shtrembërim të sinjalit. Prandaj, vlera e impedancës së përçuesve në PCB-të me shpejtësi të lartë duhet të kontrollohet brenda një diapazoni të caktuar, i cili quhet "kontroll i impedancës".

Impedanca e gjurmëve të PCB-së përcaktohet nga induktiviteti i tyre induktiv dhe kapacitiv, rezistenca dhe koeficienti i përçueshmërisë. Faktorët që ndikojnë në impedancën e instalimeve elektrike të PCB-së përfshijnë kryesisht gjerësinë dhe trashësinë e telit të bakrit, konstanten dielektrike dhe trashësinë e mjedisit, trashësinë e jastëkut të saldimit, rrugën e telit të tokëzimit dhe instalimet elektrike rreth instalimeve elektrike, etj. Diapazoni i impedancës së PCB-së është 25 deri në 120 ohm.

Në praktikë, linjat e transmetimit të PCB-ve zakonisht përbëhen nga një gjurmë teli, një ose më shumë shtresa reference dhe materiale izoluese. Gjurma dhe shtresa përbëjnë impedancën e kontrollit. PCB-të shpesh përdorin struktura me shumë shtresa dhe kontrolli i impedancës mund të ndërtohet gjithashtu në mënyra të ndryshme. Megjithatë, pavarësisht nga metoda e përdorur, vlera e impedancës do të përcaktohet nga struktura e saj fizike dhe vetitë elektronike të materialit izolues:

Një mikroshirit është një shirit teli që i referohet një linje transmetimi vetëm me njërën anë që ka një plan referimi. Pjesa e sipërme dhe anët janë të ekspozuara ndaj ajrit (ose janë të veshura) dhe janë të vendosura në sipërfaqen e një PCB me konstante izolimi Er, me shtresën e energjisë ose të tokës si referencë. Siç tregohet në figurën e mëposhtme:

Shënim: Në prodhimin aktual të PCB-ve, fabrika e PCB-ve zakonisht vesh një shtresë boje të gjelbër në sipërfaqen e PCB-së. Prandaj, në llogaritjet e impedancës aktuale, modeli i treguar në figurën e mëposhtme përdoret zakonisht për linjat sipërfaqësore të mikroshiritave.

Një shirit teli është një shirit teli i vendosur midis 2 planeve të referencës, siç tregohet në figurën e mëposhtme. Konstantet dielektrike të dielektrikut të përfaqësuar nga H1 dhe H2 mund të jenë të ndryshme.

Dy rastet e mësipërme janë vetëm një demonstrim tipik i mikroshiritave dhe stripline-ve, të cilat zakonisht përdoren për të mësuar harduerin inteligjent të IoT-së së integruar dhe sistemeve të tjera. Ekzistojnë shumë lloje specifike të mikroshiritave dhe stripline-ve, të tilla si mikroshiritat e veshur, të cilat lidhen me strukturën specifike të grumbullimit të PCB-ve.

Ekuacioni i përdorur për të llogaritur impedancën karakteristike kërkon llogaritje komplekse matematikore, zakonisht duke përdorur metoda të zgjidhjes së fushës, duke përfshirë analizën e elementeve kufitare. Prandaj, duke përdorur programin e specializuar për llogaritjen e impedancës SI9000, e tëra çfarë duhet të bëjmë është të kontrollojmë parametrat e impedancës karakteristike:

Konstanta dielektrike Er e shtresës izoluese, gjerësia e instalimeve elektrike W1 dhe W2 (trapezoidale), trashësia e instalimeve elektrike T dhe trashësia e shtresës izoluese H.

W – gjerësia e projektuar e vijës

A – humbja e gdhendjes (shih tabelën më sipër)

Arsyeja për gjerësinë e paqëndrueshme midis pjesës së sipërme dhe të poshtme të linjës është se gjatë procesit të prodhimit të PCB-ve, korrozioni ndodh nga lart poshtë, duke rezultuar në një formë trapezoidale të linjës së korroduar.

Ekziston një marrëdhënie përkatëse midis trashësisë së vijës T dhe trashësisë së bakrit të kësaj shtrese, si më poshtë:

* Për shkak të ndikimit të vogël të trashësisë së maskës së saldimit në impedancë, supozohet të jetë një vlerë konstante prej 0.5 mil.

Ne mund të arrijmë kontrollin e impedancës duke kontrolluar këto parametra. Duke marrë si shembull PCB-në e poshtme të Anwei-t, do të shpjegojmë hapat e kontrollit të impedancës dhe përdorimin e SI9000:

Shtresa e dytë është rrafshi i tokëzimit, shtresa e pestë është rrafshi i fuqisë dhe shtresat e mbetura janë shtresat e sinjalit.

Shpjegim: Dielektrik midis shtresave të ndërmjetme është FR-4, me një konstante dielektrike prej 4.2; Shtresat e sipërme dhe të poshtme janë shtresa të zhveshura që vijnë në kontakt të drejtpërdrejtë me ajrin, dhe konstanta dielektrike e ajrit është 1.

Projektuesit e PCB-ve mund ta shfrytëzojnë plotësisht strukturën hierarkike të PCB-ve për të arritur kontrollin e impedancës. Duke vendosur shtresa të ndryshme sinjali në pozicione të ndryshme shtresash, kapaciteti dhe induktanca ndërmjet shtresave mund të kontrollohen në mënyrë efektive. Në përgjithësi, shtresa e brendshme përdor materiale me impedancë të lartë dhe shtresa e jashtme përdor materiale me impedancë të ulët për të zvogëluar ndikimin e reflektimit dhe bisedës së kryqëzuar.

Linjat e transmetimit të sinjalit diferencial mund të ofrojnë aftësi më të mirë kundër ndërhyrjes dhe rrezik më të ulët të bisedave të kryqëzuara. Linjat e transmetimit të sinjalit diferencial janë një palë telash paralelë me tensione të kundërta, por me madhësi të barabarta, të cilat mund të ofrojnë integritet më të mirë të sinjalit dhe aftësi kundër ndërhyrjes. Impedanca e linjave të transmetimit të sinjalit diferencial zakonisht kontrollohet nga përzgjedhja e hapësirës midis linjave, gjerësisë dhe planit të tokëzimit.

Parametrat gjeometrikë si gjerësia e linjës PCB, hapësira dhe paraqitja mund të përdoren gjithashtu për të kontrolluar impedancën. Për linjat e zakonshme me mikrostrip, gjerësia më e trashë e linjës dhe hapësira më e madhe mund të zvogëlojnë impedancën. Për linjat koaksiale, diametrat më të vegjël të linjës së brendshme dhe rrezet më të mëdha të linjës së jashtme mund të rrisin impedancën. Përzgjedhja e gjeometrisë së instalimeve elektrike kërkon optimizim bazuar në kërkesat specifike të impedancës dhe frekuencën e sinjalit.

Konstanta dielektrike e materialeve PCB ndikon gjithashtu në impedancë. Zgjedhja e materialeve me veti dielektrike të qëndrueshme është pjesë e kontrollit të impedancës. Në aplikimet me frekuencë të lartë dhe shpejtësi të lartë, materialet e përdorura zakonisht përfshijnë FR-4 (pllakë të përforcuar me fibra qelqi), PTFE (politetrafluoroetilen) dhe laminat RF (frekuencë radioje).

Përpara projektimit të PCB-së, përdorimi i mjeteve të simulimit dhe projektimit mund t'i ndihmojë projektuesit të verifikojnë dhe optimizojnë shpejt dhe me saktësi impedancën. Këto mjete mund të simulojnë sjelljen e qarkut, humbjet e transmetimit të sinjalit dhe ndërveprimet elektromagnetike për të përcaktuar parametrat optimalë të projektimit të PCB-së. Disa mjete të zakonshme simulimi përfshijnë CST Studio Suite, HyperLynx dhe ADS.

Kontrolli i impedancës së PCB-së luan një rol vendimtar në qarqet dixhitale dhe analoge me shpejtësi të lartë. Nëpërmjet dizajnit hierarkik të arsyeshëm, përdorimit të linjave të transmetimit të sinjalit diferencial, kontrollit të gjeometrisë së instalimeve elektrike, përzgjedhjes së materialeve të përshtatshme të PCB-së dhe përdorimit të mjeteve të simulimit dhe projektimit, mund të arrihet kontroll i saktë i impedancës, duke përmirësuar kështu performancën e qarkut dhe integritetin e sinjalit.