การควบคุมอิมพีแดนซ์คืออะไร และจะทำการควบคุมอิมพีแดนซ์บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ได้อย่างไร

ในการออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ แผงวงจรพิมพ์ (PCB) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง ประสิทธิภาพของ PCB ส่งผลโดยตรงต่อความเสถียร ความน่าเชื่อถือ และประสิทธิภาพการส่งสัญญาณของระบบอิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด ในบรรดาองค์ประกอบต่างๆ การควบคุมอิมพีแดนซ์เป็นส่วนสำคัญของการออกแบบ PCB เนื่องจากวงจรดิจิทัลสมัยใหม่มีเวลาส่งสัญญาณที่สั้นลงและอัตราความถี่สัญญาณนาฬิกาที่สูงขึ้น เส้นทางบน PCB จึงไม่ใช่แค่การเชื่อมต่อธรรมดาอีกต่อไป แต่เป็นสายส่งสัญญาณที่สำคัญ การควบคุมอิมพีแดนซ์ของ PCB หมายถึงการควบคุมความเร็วในการส่งและค่าอิมพีแดนซ์ที่เหมาะสมของสัญญาณบน PCB เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพและความเสถียรของการส่งสัญญาณ

ในสถานการณ์จริง จำเป็นต้องควบคุมอิมพีแดนซ์ของลายวงจรเมื่อความเร็วขอบดิจิทัลสูงกว่า 1 นาโนวินาที หรือความถี่อนาล็อกเกิน 300 เมกะเฮิร์ตซ์ พารามิเตอร์สำคัญอย่างหนึ่งของลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์คืออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ (กล่าวคือ อัตราส่วนของแรงดันต่อกระแสเมื่อคลื่นส่งผ่านไปตามสายส่งสัญญาณ) อิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายไฟบนแผ่นวงจรพิมพ์เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญในการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ความถี่สูง จำเป็นต้องพิจารณาว่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของสายไฟสอดคล้องหรือตรงกับอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะที่ต้องการของอุปกรณ์หรือสัญญาณหรือไม่ ซึ่งเกี่ยวข้องกับ 2 แนวคิด ได้แก่ การควบคุมอิมพีแดนซ์และการจับคู่อิมพีแดนซ์ บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ประเด็นของการควบคุมอิมพีแดนซ์และการออกแบบโครงสร้าง

มีสัญญาณต่างๆ มากมายที่ส่งผ่านในตัวนำของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อเพิ่มอัตราการส่งสัญญาณ ความถี่ของสัญญาณจะต้องเพิ่มขึ้น ค่าความต้านทานของวงจรเองจะเปลี่ยนแปลงไปตามปัจจัยต่างๆ เช่น การกัดลายวงจร ความหนาของชั้น และความกว้างของสายไฟ เป็นต้น ซึ่งทำให้เกิดการบิดเบือนของสัญญาณ ดังนั้น ค่าความต้านทานของตัวนำบนแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูงจึงควรถูกควบคุมให้อยู่ในช่วงที่กำหนด ซึ่งเรียกว่า "การควบคุมความต้านทาน"

ค่าความต้านทานของลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ถูกกำหนดโดยค่าความเหนี่ยวนำและค่าความจุ ความต้านทาน และสัมประสิทธิ์การนำไฟฟ้า ปัจจัยที่ส่งผลต่อค่าความต้านทานของลายวงจรบน PCB ส่วนใหญ่ได้แก่ ความกว้างและความหนาของลวดทองแดง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกและความหนาของตัวกลาง ความหนาของแผ่นบัดกรี เส้นทางของสายดิน และการเดินสายไฟโดยรอบ เป็นต้น ช่วงค่าความต้านทานของ PCB อยู่ระหว่าง 25 ถึง 120 โอห์ม

ในทางปฏิบัติ สายส่งสัญญาณบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) โดยทั่วไปประกอบด้วยลายวงจรไฟฟ้า ชั้นอ้างอิงหนึ่งชั้นหรือมากกว่า และวัสดุฉนวน ลายวงจรและชั้นอ้างอิงเหล่านี้ประกอบกันเป็นค่าความต้านทานควบคุม PCB มักใช้โครงสร้างหลายชั้น และการควบคุมความต้านทานก็สามารถสร้างได้หลายวิธี อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะใช้วิธีใด ค่าความต้านทานจะถูกกำหนดโดยโครงสร้างทางกายภาพและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุฉนวน

ไมโครสตริปคือแถบลวดที่หมายถึงสายส่งสัญญาณที่มีด้านเดียวเป็นระนาบอ้างอิง ด้านบนและด้านข้างสัมผัสกับอากาศ (หรือเคลือบไว้) และอยู่บนพื้นผิวของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ที่มีค่าคงที่ฉนวน Er โดยใช้ชั้นพลังงานหรือชั้นกราวด์เป็นชั้นอ้างอิง ดังแสดงในรูปต่อไปนี้:

หมายเหตุ: ในกระบวนการผลิต PCB จริง โรงงาน PCB มักจะเคลือบหมึกสีเขียวลงบนพื้นผิวของ PCB ดังนั้น ในการคำนวณอิมพีแดนซ์จริง จึงมักใช้แบบจำลองที่แสดงในรูปต่อไปนี้สำหรับสายไมโครสตริปบนพื้นผิว

สายนำไฟฟ้าแบบแถบ (Stripline) คือแถบลวดที่วางอยู่ระหว่างระนาบอ้างอิง 2 ระนาบ ดังแสดงในรูปต่อไปนี้ ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุไดอิเล็กตริกที่แสดงด้วย H1 และ H2 อาจแตกต่างกันได้

ตัวอย่าง 2 กรณีข้างต้นเป็นเพียงการสาธิตทั่วไปของไมโครสตริปและสไตรป์ไลน์ ซึ่งมักใช้ในการเรียนรู้เกี่ยวกับฮาร์ดแวร์อัจฉริยะ IoT แบบฝังตัวและระบบอื่นๆ ไมโครสตริปและสไตรป์ไลน์มีหลายประเภทเฉพาะ เช่น ไมโครสตริปเคลือบ ซึ่งเกี่ยวข้องกับโครงสร้างการเรียงซ้อนของ PCB ที่เฉพาะเจาะจง

สมการที่ใช้ในการคำนวณค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะนั้นต้องอาศัยการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน โดยปกติจะใช้วิธีการแก้ปัญหาภาคสนาม รวมถึงการวิเคราะห์องค์ประกอบขอบเขต ดังนั้น ด้วยการใช้ซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์เฉพาะทาง SI9000 สิ่งที่เราต้องทำก็คือควบคุมพารามิเตอร์ของค่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะเท่านั้น:

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก Er ของชั้นฉนวน ความกว้างของสายไฟ W1 และ W2 (รูปสี่เหลี่ยมคางหมู) ความหนาของสายไฟ T และความหนาของชั้นฉนวน H

W – ความกว้างของเส้นที่ออกแบบไว้

A – การสูญเสียจากการกัดเซาะ (ดูตารางด้านบน)

สาเหตุที่ความกว้างของเส้นบนและล่างไม่สม่ำเสมอเกิดจากกระบวนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ที่เกิดการกัดกร่อนจากบนลงล่าง ทำให้เส้นที่ถูกกัดกร่อนมีรูปร่างคล้ายสี่เหลี่ยมคางหมู

มีความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันระหว่างความหนาของเส้น T และความหนาของทองแดงในชั้นนี้ ดังนี้:

* เนื่องจากความหนาของชั้นเคลือบป้องกันการบัดกรีมีผลต่อค่าความต้านทานน้อยมาก จึงถือว่ามีค่าคงที่ที่ 0.5 มิลลิเมตร

เราสามารถควบคุมค่าอิมพีแดนซ์ได้โดยการควบคุมพารามิเตอร์เหล่านี้ โดยยกตัวอย่างแผงวงจรพิมพ์ด้านล่างของ Anwei เราจะอธิบายขั้นตอนการควบคุมอิมพีแดนซ์และการใช้งาน SI9000:

ชั้นที่สองคือชั้นกราวด์ ชั้นที่ห้าคือชั้นพลังงาน และชั้นที่เหลือคือชั้นสัญญาณ

คำอธิบาย: ฉนวนระหว่างชั้นกลางคือ FR-4 ซึ่งมีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเท่ากับ 4.2 ส่วนชั้นบนและล่างเป็นชั้นเปลือยที่สัมผัสกับอากาศโดยตรง และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของอากาศคือ 1

นักออกแบบ PCB สามารถใช้ประโยชน์จากโครงสร้างแบบลำดับชั้นของ PCB ได้อย่างเต็มที่เพื่อควบคุมค่าความต้านทาน โดยการวางชั้นสัญญาณต่างๆ ไว้ในตำแหน่งชั้นที่ต่างกัน สามารถควบคุมค่าความจุและความเหนี่ยวนำระหว่างชั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยทั่วไปแล้ว ชั้นในจะใช้วัสดุที่มีความต้านทานสูง และชั้นนอกจะใช้วัสดุที่มีความต้านทานต่ำ เพื่อลดผลกระทบจากการสะท้อนและการรบกวนข้ามช่องสัญญาณ

สายส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลให้ความสามารถในการต้านทานการรบกวนได้ดีกว่าและลดความเสี่ยงของการครอสทอล์ก สายส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลประกอบด้วยสายไฟคู่ขนานที่มีแรงดันตรงข้ามกันแต่มีขนาดเท่ากัน ซึ่งสามารถให้ความสมบูรณ์ของสัญญาณและความสามารถในการต้านทานการรบกวนได้ดีกว่า ความต้านทานของสายส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียลโดยทั่วไปจะถูกควบคุมโดยการเลือกระยะห่างระหว่างสาย ความกว้าง และระนาบกราวด์

พารามิเตอร์ทางเรขาคณิต เช่น ความกว้างของเส้นบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ระยะห่าง และรูปแบบการจัดวาง สามารถนำมาใช้ควบคุมค่าความต้านทานได้เช่นกัน สำหรับสายไมโครสตริปทั่วไป ความกว้างของเส้นที่หนาขึ้นและระยะห่างที่มากขึ้นสามารถลดค่าความต้านทานได้ สำหรับสายโคแอกเซียล เส้นผ่านศูนย์กลางภายในของเส้นที่เล็กลงและรัศมีภายนอกที่ใหญ่ขึ้นสามารถเพิ่มค่าความต้านทานได้ การเลือกรูปทรงเรขาคณิตของสายไฟจำเป็นต้องมีการปรับให้เหมาะสมตามข้อกำหนดความต้านทานและความถี่ของสัญญาณที่เฉพาะเจาะจง

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ PCB ก็มีผลต่ออิมพีแดนซ์เช่นกัน การเลือกวัสดุที่มีคุณสมบัติไดอิเล็กทริกที่เสถียรเป็นส่วนหนึ่งของการควบคุมอิมพีแดนซ์ ในการใช้งานความถี่สูงและความเร็วสูง วัสดุที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ FR-4 (แผ่นใยแก้วเสริมแรง), PTFE (โพลีเตตระฟลูออโรเอทิลีน) และลามิเนต RF (คลื่นความถี่วิทยุ)

ก่อนการออกแบบ PCB การใช้เครื่องมือจำลองและออกแบบจะช่วยให้นักออกแบบตรวจสอบและปรับค่าอิมพีแดนซ์ได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำ เครื่องมือเหล่านี้สามารถจำลองพฤติกรรมของวงจร การสูญเสียการส่งสัญญาณ และปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อกำหนดพารามิเตอร์การออกแบบ PCB ที่เหมาะสมที่สุด เครื่องมือจำลองที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ CST Studio Suite, HyperLynx และ ADS

การควบคุมอิมพีแดนซ์ของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในวงจรดิจิทัลและอนาล็อกความเร็วสูง ด้วยการออกแบบแบบลำดับชั้นที่เหมาะสม การใช้สายส่งสัญญาณแบบดิฟเฟอเรนเชียล การควบคุมรูปทรงเรขาคณิตของการเดินสาย การเลือกวัสดุ PCB ที่เหมาะสม และการใช้เครื่องมือจำลองและการออกแบบ จะสามารถควบคุมอิมพีแดนซ์ได้อย่างแม่นยำ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจรและความสมบูรณ์ของสัญญาณ