Vad är impedanskontroll och hur man utför impedanskontroll på kretskort

I designen av moderna elektroniska enheter spelar kretskort en avgörande roll. Kretskortens prestanda påverkar direkt stabiliteten, tillförlitligheten och överföringseffektiviteten hos hela det elektroniska systemet. Bland dessa är impedanskontroll en viktig del av kretskortsdesignen. Eftersom moderna digitala kretsar har kortare signalöverföringstider och högre klockfrekvenser är kretskortsspår inte längre enkla anslutningar, utan motsvarande överföringslinjer. Kretskortsimpedanskontroll avser att styra överföringshastigheten och impedansmatchningen av signaler på kretskortet för att säkerställa kvaliteten och stabiliteten i signalöverföringen.

I praktiska situationer är det nödvändigt att kontrollera spårimpedansen när den digitala marginalhastigheten är högre än 1 ns eller den analoga frekvensen överstiger 300 MHz. En av nyckelparametrarna för PCB-spår är dess karakteristiska impedans (dvs. förhållandet mellan spänning och ström när vågen överförs längs signalöverföringsledningen). Den karakteristiska impedansen hos trådar på kretskort är en viktig indikator på kretskortsdesign. Speciellt vid högfrekvent kretskortsdesign är det nödvändigt att beakta om trådens karakteristiska impedans överensstämmer med eller matchar den erforderliga karakteristiska impedansen för enheten eller signalen. Detta involverar två koncept: impedanskontroll och impedansmatchning. Denna artikel fokuserar på frågorna om impedanskontroll och stackdesign.

Olika signaler överförs i ledarna på kretskortet. För att förbättra dess överföringshastighet måste dess frekvens ökas. Impedansvärdet för själva kretsen varierar på grund av faktorer som etsning, lagertjocklek och trådbredd etc., vilket orsakar signalförvrängning. Därför bör impedansvärdet för ledarna på höghastighetskretskort kontrolleras inom ett visst område, vilket kallas "impedanskontroll".

Impedansen hos kretskortsspår bestäms av deras induktiva och kapacitiva induktans, resistans och konduktivitetskoefficient. Faktorer som påverkar impedansen hos kretskortskablage inkluderar huvudsakligen koppartrådens bredd och tjocklek, mediets dielektriska konstant och tjocklek, lödplattans tjocklek, jordledningens bana och kablarna runt kablarna, etc. Intervallet för kretskortsimpedans är 25 till 120 ohm.

I praktiken består kretskortsöverföringsledningar vanligtvis av en trådspår, ett eller flera referenslager och isoleringsmaterial. Spåret och lagret utgör styrimpedansen. Kretskort använder ofta flerskiktsstrukturer, och impedansstyrning kan också konstrueras på olika sätt. Oavsett vilken metod som används kommer impedansvärdet dock att bestämmas av dess fysiska struktur och isoleringsmaterialets elektroniska egenskaper:

En mikrostrip är en trådremsa som refererar till en överföringsledning där endast en sida har ett referensplan. Toppen och sidorna är exponerade för luft (eller är belagda) och är placerade på ytan av ett kretskort med isolationskonstant Er, med effekt- eller jordlagret som referens. Som visas i följande figur:

Obs: Vid faktisk kretskortstillverkning applicerar kretskortsfabriken vanligtvis ett lager grönt bläck på kretskortets yta. Därför används modellen som visas i följande figur vanligtvis för ytliga mikrostripledningar vid faktiska impedansberäkningar.

En stripline är en trådremsa placerad mellan två referensplan, som visas i följande figur. De dielektriska konstanterna för dielektrikumet som representeras av H1 och H2 kan vara olika.

Ovanstående två fall är bara en typisk demonstration av mikrostrip och striplines, vanligtvis används för inlärning av inbäddad IoT-intelligent hårdvara och andra system. Det finns många specifika typer av mikrostrip och striplines, såsom belagda mikrostrip, som är relaterade till den specifika staplingsstrukturen hos kretskort.

Ekvationen som används för att beräkna karakteristisk impedans kräver komplexa matematiska beräkningar, vanligtvis med hjälp av fältlösningsmetoder, inklusive randelementanalys. Därför, med hjälp av den specialiserade impedansberäkningsprogramvaran SI9000, behöver vi bara kontrollera parametrarna för karakteristisk impedans:

Isoleringsskiktets dielektriska konstant Er, ledningsbredden W1 och W2 (trapetsformad), ledningstjockleken T och isoleringsskiktets tjocklek H.

W – designad linjebredd

A – etsningsförlust (se tabellen ovan)

Anledningen till den inkonsekventa bredden mellan linjens topp och botten är att under tillverkningsprocessen av kretskort sker korrosion från topp till botten, vilket resulterar i en trapetsformad form på den korroderade linjen.

Det finns ett motsvarande förhållande mellan linjetjockleken T och koppartjockleken på detta lager, enligt följande:

* På grund av den lilla inverkan som lödmaskens tjocklek har på impedansen antas det vara ett konstant värde på 0,5 mil.

Vi kan uppnå impedanskontroll genom att kontrollera dessa parametrar. Med Anweis bottenkretskort som exempel kommer vi att förklara stegen för impedanskontroll och användningen av SI9000:

Det andra lagret är jordplanet, det femte lagret är effektplanet och de återstående lagren är signallagren.

Förklaring: Dielektriciteten mellan mellanlagren är FR-4, med en dielektricitetskonstant på 4,2; De övre och nedre lagren är bara lager som kommer i direkt kontakt med luft, och luftens dielektriska konstant är 1.

Kretskortskonstruktörer kan fullt ut utnyttja den hierarkiska strukturen hos kretskort för att uppnå impedanskontroll. Genom att placera olika signallager i olika lagerpositioner kan mellanlagerkapacitans och induktans kontrolleras effektivt. Generellt sett använder det inre lagret högimpedansmaterial och det yttre lagret lågimpedansmaterial för att minska effekten av reflektion och överhörning.

Differentiell signalöverföringsledningar kan ge bättre anti-interferensförmåga och lägre risk för överhörning. Differentiell signalöverföringsledningar är ett par parallella ledningar med motsatta spänningar men lika stora, vilket kan ge bättre signalintegritet och anti-interferensförmåga. Impedansen hos differentiell signalöverföringsledningar styrs vanligtvis genom val av linjeavstånd, bredd och jordplan.

Geometriska parametrar som kretskortslinjebredd, avstånd och layout kan också användas för att styra impedansen. För vanliga mikrostripledningar kan tjockare linjebredd och större avstånd minska impedansen. För koaxiella ledningar kan mindre innerledningsdiametrar och större yttre ledningsradier öka impedansen. Valet av ledningsgeometri kräver optimering baserat på specifika impedanskrav och signalfrekvens.

Den dielektriska konstanten hos kretskortsmaterial påverkar också impedansen. Att välja material med stabila dielektriska egenskaper är en del av impedanskontrollen. I högfrekventa och höghastighetstillämpningar inkluderar vanligt förekommande material FR-4 (glasfiberförstärkt kretskort), PTFE (polytetrafluoretylen) och RF (radiofrekvens) laminat.

Innan kretskortsdesign kan simulerings- och designverktyg hjälpa konstruktörer att snabbt och noggrant verifiera och optimera impedans. Dessa verktyg kan simulera kretsbeteende, signalförluster och elektromagnetiska interaktioner för att bestämma optimala kretskortsdesignparametrar. Några vanliga simuleringsverktyg inkluderar CST Studio Suite, HyperLynx och ADS.

Impedanskontroll av kretskort spelar en avgörande roll i digitala och analoga höghastighetskretsar. Genom rimlig hierarkisk design, användning av differentiella signalöverföringsledningar, kontroll av ledningsgeometri, val av lämpliga kretskortsmaterial och användning av simulerings- och designverktyg kan exakt impedanskontroll uppnås, vilket förbättrar kretsprestanda och signalintegritet.