01 समानिक समानी
ఇంపెడెన్స్ కంట్రోల్ అంటే ఏమిటి మరియు PCBలపై ఇంపెడెన్స్ కంట్రోల్ను ఎలా నిర్వహించాలి
2020-04-08
ఆధునిక ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల రూపకల్పనలో, PCBలు కీలక పాత్ర పోషిస్తాయి. PCBల పనితీరు మొత్తం ఎలక్ట్రానిక్ వ్యవస్థ యొక్క స్థిరత్వం, విశ్వసనీయత మరియు ప్రసార సామర్థ్యాన్ని నేరుగా ప్రభావితం చేస్తుంది. వాటిలో, ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణ PCB డిజైన్లో ఒక ముఖ్యమైన భాగం. ఆధునిక డిజిటల్ సర్క్యూట్లు తక్కువ సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ సమయాలు మరియు అధిక క్లాక్ రేట్లను కలిగి ఉన్నందున, PCB ట్రేస్లు ఇకపై సాధారణ కనెక్షన్లు కావు, కానీ తదనుగుణంగా ట్రాన్స్మిషన్ లైన్లు. PCB ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణ అంటే సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ నాణ్యత మరియు స్థిరత్వాన్ని నిర్ధారించడానికి PCBలోని సిగ్నల్ల ప్రసార వేగం మరియు ఇంపెడెన్స్ సరిపోలికను నియంత్రించడాన్ని సూచిస్తుంది.
ఆచరణాత్మక పరిస్థితులలో, డిజిటల్ మార్జినల్ వేగం 1ns కంటే ఎక్కువగా ఉన్నప్పుడు లేదా అనలాగ్ ఫ్రీక్వెన్సీ 300MHz దాటినప్పుడు ట్రేస్ ఇంపెడెన్స్ను నియంత్రించడం అవసరం. PCB ట్రేస్ యొక్క ముఖ్య పారామితులలో ఒకటి దాని లక్షణ ఇంపెడెన్స్ (అంటే సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ లైన్ వెంట తరంగం ప్రసారం చేయబడినప్పుడు వోల్టేజ్ మరియు కరెంట్ నిష్పత్తి). PCBలపై వైర్ల యొక్క లక్షణ ఇంపెడెన్స్ PCB డిజైన్ యొక్క ముఖ్యమైన సూచిక. ముఖ్యంగా అధిక ఫ్రీక్వెన్సీ PCB డిజైన్లో, వైర్ యొక్క లక్షణ ఇంపెడెన్స్ పరికరం లేదా సిగ్నల్ యొక్క అవసరమైన లక్షణ ఇంపెడెన్స్తో స్థిరంగా ఉందా లేదా సరిపోతుందో లేదో పరిగణించడం అవసరం. ఇందులో 2 భావనలు ఉంటాయి: ఇంపెడెన్స్ కంట్రోల్ మరియు ఇంపెడెన్స్ మ్యాచింగ్. ఈ వ్యాసం ఇంపెడెన్స్ కంట్రోల్ మరియు స్టాక్ డిజైన్ సమస్యలపై దృష్టి పెడుతుంది.
ఇంపెడెన్స్ కంట్రోల్
PCB యొక్క కండక్టర్లలో వివిధ సంకేతాలు ప్రసారం చేయబడతాయి. దాని ప్రసార రేటును మెరుగుపరచడానికి, దాని ఫ్రీక్వెన్సీని పెంచాలి. ఎచింగ్, లేయర్ మందం మరియు వైర్ వెడల్పు మొదలైన అంశాల కారణంగా సర్క్యూట్ యొక్క ఇంపెడెన్స్ విలువ మారుతుంది, ఇది సిగ్నల్ వక్రీకరణకు కారణమవుతుంది. అందువల్ల, హై-స్పీడ్ PCBలపై కండక్టర్ల ఇంపెడెన్స్ విలువను ఒక నిర్దిష్ట పరిధిలో నియంత్రించాలి, దీనిని "ఇంపెడెన్స్ కంట్రోల్" అంటారు.
PCB ట్రేస్ల ఇంపెడెన్స్ వాటి ఇండక్టివ్ మరియు కెపాసిటివ్ ఇండక్టెన్స్, రెసిస్టెన్స్ మరియు కండక్టివిటీ కోఎఫీషియంట్ ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది. PCB వైరింగ్ యొక్క ఇంపెడెన్స్ను ప్రభావితం చేసే కారకాలలో ప్రధానంగా రాగి తీగ యొక్క వెడల్పు మరియు మందం, మాధ్యమం యొక్క డైఎలెక్ట్రిక్ స్థిరాంకం మరియు మందం, సోల్డర్ ప్యాడ్ యొక్క మందం, గ్రౌండ్ వైర్ యొక్క మార్గం మరియు వైరింగ్ చుట్టూ ఉన్న వైరింగ్ మొదలైనవి ఉంటాయి. PCB ఇంపెడెన్స్ పరిధి 25 నుండి 120 ఓంలు.
ఆచరణలో, PCB ట్రాన్స్మిషన్ లైన్లు సాధారణంగా వైర్ ట్రేస్, ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ రిఫరెన్స్ లేయర్లు మరియు ఇన్సులేషన్ మెటీరియల్లను కలిగి ఉంటాయి. ట్రేస్ మరియు లేయర్ నియంత్రణ ఇంపెడెన్స్ను ఏర్పరుస్తాయి. PCBలు తరచుగా బహుళ-పొర నిర్మాణాలను అవలంబిస్తాయి మరియు ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణను కూడా వివిధ మార్గాల్లో నిర్మించవచ్చు. అయితే, ఉపయోగించిన పద్ధతితో సంబంధం లేకుండా, ఇంపెడెన్స్ విలువ దాని భౌతిక నిర్మాణం మరియు ఇన్సులేటింగ్ పదార్థం యొక్క ఎలక్ట్రానిక్ లక్షణాల ద్వారా నిర్ణయించబడుతుంది:
సిగ్నల్ జాడల వెడల్పు మరియు మందం
ట్రేస్ యొక్క రెండు వైపులా కోర్ లేదా ముందే నింపిన పదార్థం యొక్క ఎత్తు
ట్రేస్ మరియు బోర్డు పొరల ఆకృతీకరణ
కోర్ మరియు ముందే నింపిన పదార్థాల ఇన్సులేషన్ స్థిరాంకం
PCB ట్రాన్స్మిషన్ లైన్లలో 2 ప్రధాన రూపాలు ఉన్నాయి: మైక్రోస్ట్రిప్ మరియు స్ట్రిప్లైన్.
మైక్రోస్ట్రిప్ అనేది వైర్ స్ట్రిప్, ఇది ఒక వైపు మాత్రమే రిఫరెన్స్ ప్లేన్ కలిగి ఉన్న ట్రాన్స్మిషన్ లైన్ను సూచిస్తుంది. పైభాగం మరియు భుజాలు గాలికి గురవుతాయి (లేదా పూత పూయబడి ఉంటాయి) మరియు పవర్ లేదా గ్రౌండ్ లేయర్ రిఫరెన్స్గా ఉండే ఇన్సులేషన్ స్థిరాంకం Er PCB ఉపరితలంపై ఉంటాయి. కింది చిత్రంలో చూపిన విధంగా:
గమనిక: వాస్తవ PCB తయారీలో, PCB ఫ్యాక్టరీ సాధారణంగా PCB ఉపరితలంపై ఆకుపచ్చ సిరా పొరను పూస్తుంది. అందువల్ల, వాస్తవ ఇంపెడెన్స్ గణనలలో, కింది చిత్రంలో చూపిన నమూనా సాధారణంగా ఉపరితల మైక్రోస్ట్రిప్ లైన్ల కోసం ఉపయోగించబడుతుంది.
కింది చిత్రంలో చూపిన విధంగా, 2 రిఫరెన్స్ ప్లేన్ల మధ్య ఉంచబడిన వైర్ స్ట్రిప్ను స్ట్రిప్లైన్ అంటారు. H1 మరియు H2 ద్వారా సూచించబడిన డైఎలెక్ట్రిక్ యొక్క డైఎలెక్ట్రిక్ స్థిరాంకాలు భిన్నంగా ఉండవచ్చు.
పైన పేర్కొన్న 2 కేసులు మైక్రోస్ట్రిప్ మరియు స్ట్రిప్లైన్ల యొక్క సాధారణ ప్రదర్శన మాత్రమే, సాధారణంగా ఎంబెడెడ్ IoT ఇంటెలిజెంట్ హార్డ్వేర్ మరియు ఇతర సిస్టమ్ల అభ్యాసానికి ఉపయోగిస్తారు. PCBల యొక్క నిర్దిష్ట స్టాకింగ్ నిర్మాణానికి సంబంధించిన కోటెడ్ మైక్రోస్ట్రిప్ వంటి అనేక నిర్దిష్ట రకాల మైక్రోస్ట్రిప్ మరియు స్ట్రిప్లైన్లు ఉన్నాయి.
లక్షణ అవరోధాన్ని లెక్కించడానికి ఉపయోగించే సమీకరణానికి సంక్లిష్టమైన గణిత గణనలు అవసరం, సాధారణంగా సరిహద్దు మూలక విశ్లేషణతో సహా క్షేత్ర పరిష్కార పద్ధతులను ఉపయోగిస్తారు. అందువల్ల, ప్రత్యేకమైన అవరోధ గణన సాఫ్ట్వేర్ SI9000ని ఉపయోగించడంతో, మనం చేయాల్సిందల్లా లక్షణ అవరోధం యొక్క పారామితులను నియంత్రించడం:
ఇన్సులేషన్ పొర యొక్క డైఎలెక్ట్రిక్ స్థిరాంకం Er, వైరింగ్ వెడల్పు W1 మరియు W2 (ట్రాపెజోయిడల్), వైరింగ్ మందం T, మరియు ఇన్సులేషన్ పొర మందం H.
W1 మరియు W2 లకు వివరణ:
ఇక్కడ, W=W1, W1=W2
W - రూపొందించిన లైన్ వెడల్పు
A – ఎట్చ్ నష్టం (పై పట్టిక చూడండి)
PCBల తయారీ ప్రక్రియలో పై నుండి క్రిందికి తుప్పు పట్టడం వలన లైన్ యొక్క పై మరియు దిగువ వెడల్పు అస్థిరంగా ఉండటానికి కారణం, తుప్పు పట్టిన లైన్ యొక్క ట్రెపెజోయిడల్ ఆకారం ఏర్పడుతుంది.
రేఖ మందం T మరియు ఈ పొర యొక్క రాగి మందం మధ్య సంబంధిత సంబంధం ఉంది, ఈ క్రింది విధంగా:
| రాగి మందం | ||
| బేస్ కాపర్ థక్ | లోపలి పొర కోసం | బయటి పొర కోసం |
| హెచ్ ఓజెడ్ | 0.6 మి.లీ. | 1.8మి.లీ. |
| 1 ఓజ్ | 1.2మి.లీ. | 2.5 మిలియన్లు |
| 2 ఓజెడ్ | 2.4 మి.లీ. | 3.6 మిలియన్లు |
సోల్డర్ మాస్క్ మందం:
* ఇంపెడెన్స్పై టంకము మాస్క్ మందం యొక్క తక్కువ ప్రభావం కారణంగా, ఇది 0.5 మిలియన్ల స్థిరమైన విలువగా భావించబడుతుంది.
ఈ పారామితులను నియంత్రించడం ద్వారా మనం ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణను సాధించవచ్చు. అన్వీ యొక్క దిగువ PCBని ఉదాహరణగా తీసుకుంటే, ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణ దశలను మరియు SI9000 వాడకాన్ని మేము వివరిస్తాము:
దిగువ PCB యొక్క స్టాకింగ్ క్రింది చిత్రంలో చూపబడింది:
రెండవ పొర గ్రౌండ్ ప్లేన్, ఐదవ పొర పవర్ ప్లేన్, మరియు మిగిలిన పొరలు సిగ్నల్ లేయర్లు.
ప్రతి పొర యొక్క మందం క్రింది పట్టికలో చూపబడింది:
| లేయర్ పేరు | రకం | మెటీరియల్ | ఆలోచనాత్మకత | తరగతి |
| ఉపరితలం | ఎయిర్ | |||
| టాప్ | కండక్టర్ | రాగి | 0.5 ఓజ్ | రూటింగ్ |
| విద్యుద్వాహకము | ఎఫ్ఆర్-4 | 3.800మి.లీ. | ||
| L2-ఇన్నర్ | కండక్టర్ | రాగి | 1 ఓజ్ | విమానం |
| విద్యుద్వాహకము | ఎఫ్ఆర్-4 | 5.910మి.లీ. | ||
| L3-ఇన్నర్ | కండక్టర్ | రాగి | 1 ఓజ్ | రూటింగ్ |
| విద్యుద్వాహకము | ఎఫ్ఆర్-4 | 33.ఓ8మిల్ | ||
| L4-ఇన్నర్ | కండక్టర్ | రాగి | 1 ఓజ్ | రూటింగ్ |
| విద్యుద్వాహకము | ఎఫ్ఆర్-4 | 5.910మి.లీ. | ||
| L5-ఇన్నర్ | కండక్టర్ | రాగి | 1 ఓజ్ | విమానం |
| విద్యుద్వాహకము | ఎఫ్ఆర్-4 | 3.800మి.లీ. | ||
| దిగువన | కండక్టర్ | రాగి | 0.5 ఓజ్ | రూటింగ్ |
| ఉపరితలం | ఎయిర్ |
వివరణ: ఇంటర్మీడియట్ పొరల మధ్య విద్యుద్వాహకము FR-4, విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం 4.2; ఎగువ మరియు దిగువ పొరలు గాలితో ప్రత్యక్ష సంబంధంలోకి వచ్చే బేర్ పొరలు మరియు గాలి యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం 1.
ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణను సాధించడానికి, ఈ క్రింది కొన్ని సాధారణ పద్ధతులు ఉన్నాయి:
1. PCB క్రమానుగత రూపకల్పన ఆధారంగా:
PCB డిజైనర్లు PCBల క్రమానుగత నిర్మాణాన్ని పూర్తిగా ఉపయోగించుకుని ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణను సాధించగలరు. వేర్వేరు సిగ్నల్ లేయర్లను వేర్వేరు లేయర్ స్థానాల్లో ఉంచడం ద్వారా, ఇంటర్లేయర్ కెపాసిటెన్స్ మరియు ఇండక్టెన్స్ను సమర్థవంతంగా నియంత్రించవచ్చు. సాధారణంగా చెప్పాలంటే, లోపలి పొర అధిక ఇంపెడెన్స్ పదార్థాలను ఉపయోగిస్తుంది మరియు బయటి పొర ప్రతిబింబం మరియు క్రాస్స్టాక్ ప్రభావాన్ని తగ్గించడానికి తక్కువ ఇంపెడెన్స్ పదార్థాలను ఉపయోగిస్తుంది.
2. అవకలన సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ లైన్లను ఉపయోగించండి:
డిఫరెన్షియల్ సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ లైన్లు మెరుగైన యాంటీ-ఇంటర్ఫరెన్స్ సామర్థ్యాన్ని మరియు తక్కువ క్రాస్స్టాక్ ప్రమాదాన్ని అందించగలవు. డిఫరెన్షియల్ సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ లైన్లు వ్యతిరేక వోల్టేజ్లు కానీ సమాన పరిమాణాలు కలిగిన సమాంతర వైర్ల జత, ఇవి మెరుగైన సిగ్నల్ సమగ్రత మరియు యాంటీ-ఇంటర్ఫరెన్స్ సామర్థ్యాన్ని అందించగలవు. డిఫరెన్షియల్ సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ లైన్ల ఇంపెడెన్స్ సాధారణంగా లైన్ స్పేసింగ్, వెడల్పు మరియు గ్రౌండ్ ప్లేన్ ఎంపిక ద్వారా నియంత్రించబడుతుంది.
3. నియంత్రణ వైరింగ్ జ్యామితి:
PCB లైన్ వెడల్పు, అంతరం మరియు లేఅవుట్ వంటి రేఖాగణిత పారామితులను కూడా ఇంపెడెన్స్ను నియంత్రించడానికి ఉపయోగించవచ్చు. సాధారణ మైక్రోస్ట్రిప్ లైన్ల కోసం, మందమైన లైన్ వెడల్పు మరియు పెద్ద అంతరం ఇంపెడెన్స్ను తగ్గించగలవు. కోక్సియల్ లైన్ల కోసం, చిన్న లోపలి లైన్ వ్యాసాలు మరియు పెద్ద బాహ్య లైన్ రేడియాలు ఇంపెడెన్స్ను పెంచుతాయి. వైరింగ్ జ్యామితి ఎంపికకు నిర్దిష్ట ఇంపెడెన్స్ అవసరాలు మరియు సిగ్నల్ ఫ్రీక్వెన్సీ ఆధారంగా ఆప్టిమైజేషన్ అవసరం.
4. PCB పదార్థాల ఎంపిక:
PCB పదార్థాల యొక్క విద్యుద్వాహక స్థిరాంకం కూడా విద్యుత్ నిరోధకతను ప్రభావితం చేస్తుంది. స్థిరమైన విద్యుద్వాహక లక్షణాలతో కూడిన పదార్థాలను ఎంచుకోవడం విద్యుత్ నిరోధకత నియంత్రణలో భాగం. అధిక-ఫ్రీక్వెన్సీ మరియు అధిక-వేగ అనువర్తనాల్లో, సాధారణంగా ఉపయోగించే పదార్థాలలో FR-4 (గ్లాస్ ఫైబర్ రీన్ఫోర్స్డ్ బోర్డ్), PTFE (పాలిటెట్రాఫ్లోరోఎథిలిన్) మరియు RF (రేడియో ఫ్రీక్వెన్సీ) లామినేట్లు ఉంటాయి.
5. సిమ్యులేషన్ మరియు డిజైన్ సాధనాలను ఉపయోగించండి:
PCB డిజైన్ చేయడానికి ముందు, సిమ్యులేషన్ మరియు డిజైన్ సాధనాలను ఉపయోగించడం వల్ల డిజైనర్లు త్వరగా మరియు ఖచ్చితంగా ఇంపెడెన్స్ను ధృవీకరించడానికి మరియు ఆప్టిమైజ్ చేయడానికి సహాయపడుతుంది. ఈ సాధనాలు సర్క్యూట్ ప్రవర్తన, సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ నష్టాలు మరియు విద్యుదయస్కాంత పరస్పర చర్యలను అనుకరించగలవు, ఇవి సరైన PCB డిజైన్ పారామితులను నిర్ణయించగలవు. కొన్ని సాధారణ అనుకరణ సాధనాలలో CST స్టూడియో సూట్, హైపర్లింక్స్ మరియు ADS ఉన్నాయి.
హై-స్పీడ్ డిజిటల్ మరియు అనలాగ్ సర్క్యూట్లలో PCB ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణ కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. సహేతుకమైన క్రమానుగత రూపకల్పన, అవకలన సిగ్నల్ ట్రాన్స్మిషన్ లైన్ల వాడకం, వైరింగ్ జ్యామితి నియంత్రణ, తగిన PCB పదార్థాల ఎంపిక మరియు అనుకరణ మరియు డిజైన్ సాధనాల వాడకం ద్వారా, ఖచ్చితమైన ఇంపెడెన్స్ నియంత్రణను సాధించవచ్చు, తద్వారా సర్క్యూట్ పనితీరు మరియు సిగ్నల్ సమగ్రతను మెరుగుపరుస్తుంది.
