Шта је контрола импедансе и како се изврши контрола импедансе на штампаним плочама

У дизајну модерних електронских уређаја, штампане плоче (PCB) играју кључну улогу. Перформансе PCB плоча директно утичу на стабилност, поузданост и ефикасност преноса целог електронског система. Међу њима, контрола импедансе је важан део дизајна PCB плоча. Пошто модерна дигитална кола имају краће време преноса сигнала и веће брзине такта, трагови на PCB плочама више нису једноставне везе, већ су, сходно томе, преносне линије. Контрола импедансе PCB плоча односи се на контролу брзине преноса и усклађивања импедансе сигнала на PCB плочама како би се осигурао квалитет и стабилност преноса сигнала.

У практичним ситуацијама, неопходно је контролисати импедансу трага када је дигитална гранична брзина већа од 1ns или аналогна фреквенција прелази 300MHz. Један од кључних параметара трага на штампаној плочи је његова карактеристична импеданса (тј. однос напона и струје када се талас преноси дуж линије за пренос сигнала). Карактеристична импеданса жица на штампаним плочама је важан индикатор дизајна штампаних плоча. Посебно код дизајна штампаних плоча високих фреквенција, потребно је размотрити да ли је карактеристична импеданса жице у складу са или се подудара са потребном карактеристичном импедансом уређаја или сигнала. Ово укључује 2 концепта: контролу импедансе и подударање импедансе. Овај чланак се фокусира на питања контроле импедансе и дизајна стека.

У проводницима штампане плоче се преносе различити сигнали. Да би се побољшала брзина преноса, мора се повећати фреквенција. Вредност импедансе самог кола варира због фактора као што су нагризање, дебљина слоја и ширина жице итд., што узрокује изобличење сигнала. Стога, вредност импедансе проводника на брзим штампаним плочама треба контролисати у одређеном опсегу, што се назива „контрола импедансе“.

Импеданса трагова штампане плоче одређена је њиховом индуктивном и капацитивном индуктивношћу, отпорношћу и коефицијентом проводљивости. Фактори који утичу на импедансу ожичења штампане плоче углавном укључују ширину и дебљину бакарне жице, диелектричну константу и дебљину медијума, дебљину лемне површине, путању жице за уземљење и ожичење око ожичења итд. Распон импедансе штампане плоче је од 25 до 120 ома.

У пракси, преносне линије са штампаним плочама (PCB) се обично састоје од жичног трага, једног или више референтних слојева и изолационих материјала. Траг и слој чине контролну импедансу. Штампане плоче често усвајају вишеслојне структуре, а контрола импедансе се такође може конструисати на различите начине. Међутим, без обзира на коришћену методу, вредност импедансе ће бити одређена њеном физичком структуром и електронским својствима изолационог материјала:

Микротрака је трака жице која се односи на далековод код којег само једна страна има референтну раван. Горња и бочне стране су изложене ваздуху (или су обложене) и налазе се на површини штампане плоче са изолационом константом Er, при чему слој за напајање или уземљење служи као референца. Као што је приказано на следећој слици:

Напомена: У стварној производњи штампаних плоча (PCB), фабрика штампаних плоча обично премаже површину штампане плоче слојем зелене боје. Стога се у стварним прорачунима импедансе, модел приказан на следећој слици обично користи за површинске микротракасте линије.

Тракаста линија је трака жице постављена између 2 референтне равни, као што је приказано на следећој слици. Диелектричне константе диелектрика представљене са H1 и H2 могу бити различите.

Горе наведена два случаја су само типична демонстрација микротракастих и стрипових линија, које се обично користе за учење уграђеног интелигентног хардвера за Интернет ствари и других система. Постоји много специфичних врста микротракастих и стрипових линија, као што је обложена микротрака, које су повезане са специфичном структуром слагања штампаних плоча.

Једначина која се користи за израчунавање карактеристичне импедансе захтева сложене математичке прорачуне, обично коришћењем метода решавања поља, укључујући анализу граничних елемената. Стога, коришћењем специјализованог софтвера за израчунавање импедансе SI9000, све што треба да урадимо јесте да контролишемо параметре карактеристичне импедансе:

Диелектрична константа Er изолационог слоја, ширина ожичења W1 и W2 (трапезоидно), дебљина ожичења T и дебљина изолационог слоја H.

W – пројектована ширина линије

А – губитак од нагризања (видети горњу табелу)

Разлог за недоследну ширину између врха и дна линије је тај што током процеса производње штампаних плоча, корозија се јавља од врха до дна, што резултира трапезоидним обликом кородиране линије.

Постоји одговарајућа веза између дебљине линије Т и дебљине бакра овог слоја, као што следи:

* Због малог утицаја дебљине лемне маске на импедансу, претпоставља се да је то константна вредност од 0,5 мил.

Контролом ових параметара можемо постићи контролу импедансе. Узимајући доњу штампану плочу компаније Anwei као пример, објаснићемо кораке контроле импедансе и употребу SI9000:

Други слој је уземљива раван, пети слој је раван напајања, а преостали слојеви су сигнални слојеви.

Објашњење: Диелектрик између међуслојева је FR-4, са диелектричном константом од 4,2; Горњи и доњи слој су голи слојеви који долазе у директан контакт са ваздухом, а диелектрична константа ваздуха је 1.

Дизајнери штампаних плоча могу у потпуности искористити хијерархијску структуру штампаних плоча како би постигли контролу импедансе. Постављањем различитих слојева сигнала на различите позиције слојева, међуслојна капацитивност и индуктивност могу се ефикасно контролисати. Генерално говорећи, унутрашњи слој користи материјале високе импедансе, а спољашњи слој користи материјале ниске импедансе како би се смањио утицај рефлексије и преслушавања.

Диференцијалне линије за пренос сигнала могу пружити бољу способност против сметњи и мањи ризик од преслушавања. Диференцијалне линије за пренос сигнала су пар паралелних жица са супротним напонима, али једнаких величина, што може пружити бољи интегритет сигнала и способност против сметњи. Импеданса диференцијалних линија за пренос сигнала се обично контролише избором размака између линија, ширине и уземљења.

Геометријски параметри као што су ширина, размак и распоред линије штампане плоче такође се могу користити за контролу импедансе. Код уобичајених микротракастих линија, дебља ширина линије и већи размак могу смањити импедансу. Код коаксијалних линија, мањи унутрашњи пречници линије и већи спољашњи радијуси линије могу повећати импедансу. Избор геометрије ожичења захтева оптимизацију на основу специфичних захтева за импедансом и фреквенције сигнала.

Диелектрична константа ПЦБ материјала такође утиче на импедансу. Избор материјала са стабилним диелектричним својствима је део контроле импедансе. У високофреквентним и брзим применама, уобичајено коришћени материјали укључују FR-4 (плочу ојачану стакленим влакнима), PTFE (политетрафлуороетилен) и RF (радиофреквентне) ламинате.

Пре пројектовања штампаних плоча (PCB), коришћење алата за симулацију и пројектовање може помоћи пројектантима да брзо и прецизно провере и оптимизују импедансу. Ови алати могу симулирати понашање кола, губитке преноса сигнала и електромагнетне интеракције како би одредили оптималне параметре пројектовања штампаних плоча. Неки уобичајени алати за симулацију укључују CST Studio Suite, HyperLynx и ADS.

Контрола импедансе штампаних плоча (PCB) игра кључну улогу у брзим дигиталним и аналогним колима. Прецизна контрола импедансе може се постићи разумним хијерархијским дизајном, употребом диференцијалних линија за пренос сигнала, контролом геометрије ожичења, избором одговарајућих материјала за PCB плоче и употребом алата за симулацију и дизајн, чиме се побољшавају перформансе кола и интегритет сигнала.