Ano ang impedance control at kung paano isagawa ang impedance control sa mga PCB

Sa disenyo ng mga modernong elektronikong aparato, ang mga PCB ay gumaganap ng isang mahalagang papel. Ang pagganap ng mga PCB ay direktang nakakaapekto sa katatagan, pagiging maaasahan, at kahusayan sa transmisyon ng buong elektronikong sistema. Kabilang sa mga ito, ang kontrol sa impedance ay isang mahalagang bahagi ng disenyo ng PCB. Dahil ang mga modernong digital circuit ay may mas maiikling oras ng transmisyon ng signal at mas mataas na clock rate, ang mga PCB trace ay hindi na mga simpleng koneksyon, kundi mga linya ng transmisyon na naaayon. Ang kontrol sa impedance ng PCB ay tumutukoy sa pagkontrol sa bilis ng transmisyon at pagtutugma ng impedance ng mga signal sa PCB upang matiyak ang kalidad at katatagan ng transmisyon ng signal.

Sa mga praktikal na sitwasyon, kinakailangang kontrolin ang trace impedance kapag ang digital marginal velocity ay mas mataas sa 1ns o ang analog frequency ay lumampas sa 300MHz. Isa sa mga pangunahing parameter ng PCB trace ay ang characteristic impedance nito (ibig sabihin, ang ratio ng boltahe sa kasalukuyang kapag ang alon ay ipinapadala sa linya ng transmisyon ng signal). Ang characteristic impedance ng mga wire sa mga PCB ay isang mahalagang tagapagpahiwatig ng disenyo ng PCB. Lalo na sa disenyo ng high frequency PCB, kinakailangang isaalang-alang kung ang characteristic impedance ng wire ay naaayon o tumutugma sa kinakailangang characteristic impedance ng device o signal. Kabilang dito ang 2 konsepto: impedance control at impedance matching. Ang artikulong ito ay nakatuon sa mga isyu ng impedance control at stack design.

Mayroong iba't ibang mga signal na ipinapadala sa mga konduktor ng PCB. Upang mapabuti ang bilis ng transmisyon nito, dapat dagdagan ang frequency nito. Ang halaga ng impedance ng circuit mismo ay nag-iiba dahil sa mga salik tulad ng etching, kapal ng layer at lapad ng wire, atbp., na nagdudulot ng signal distortion. Samakatuwid, ang halaga ng impedance ng mga konduktor sa mga high-speed PCB ay dapat kontrolin sa loob ng isang tiyak na saklaw, na tinatawag na "impedance control".

Ang impedance ng mga bakas ng PCB ay natutukoy ng kanilang inductive at capacitive inductance, resistance at conductivity coefficient. Ang mga salik na nakakaapekto sa impedance ng mga kable ng PCB ay pangunahing kinabibilangan ng lapad at kapal ng copper wire, ang dielectric constant at kapal ng medium, ang kapal ng solder pad, ang landas ng ground wire, at ang mga kable sa paligid ng mga kable, atbp. Ang saklaw ng impedance ng PCB ay 25 hanggang 120 ohms.

Sa pagsasagawa, ang mga linya ng transmisyon ng PCB ay karaniwang binubuo ng isang wire trace, isa o higit pang mga reference layer, at mga materyales sa insulasyon. Ang trace at layer ang bumubuo sa control impedance. Ang mga PCB ay kadalasang gumagamit ng mga istrukturang multi-layer, at ang kontrol ng impedance ay maaari ring itayo sa iba't ibang paraan. Gayunpaman, anuman ang pamamaraang ginamit, ang halaga ng impedance ay matutukoy ng pisikal na istraktura nito at ng mga elektronikong katangian ng insulating material:

Ang microstrip ay isang piraso ng alambre na tumutukoy sa isang linya ng transmisyon na may isang gilid lamang na may reference plane. Ang itaas at mga gilid ay nakalantad sa hangin (o nababalutan) at matatagpuan sa ibabaw ng isang insulation constant na Er PCB, kasama ang power o ground layer bilang reference. Gaya ng ipinapakita sa sumusunod na pigura:

Paalala: Sa aktwal na paggawa ng PCB, ang pabrika ng PCB ay karaniwang nagbabalot ng isang patong ng berdeng tinta sa ibabaw ng PCB. Samakatuwid, sa aktwal na mga kalkulasyon ng impedance, ang modelong ipinapakita sa sumusunod na pigura ay karaniwang ginagamit para sa mga linya ng microstrip sa ibabaw.

Ang stripline ay isang piraso ng alambre na nakalagay sa pagitan ng 2 reference plane, gaya ng ipinapakita sa sumusunod na pigura. Ang mga dielectric constant ng dielectric na kinakatawan ng H1 at H2 ay maaaring magkaiba.

Ang dalawang kaso sa itaas ay isa lamang tipikal na demonstrasyon ng microstrip at striplines, na karaniwang ginagamit para sa pag-aaral ng naka-embed na IoT intelligent hardware at iba pang mga sistema. Maraming partikular na uri ng microstrip at striplines, tulad ng coated microstrip, na may kaugnayan sa partikular na istruktura ng pagsasalansan ng mga PCB.

Ang equation na ginagamit upang kalkulahin ang characteristic impedance ay nangangailangan ng mga kumplikadong kalkulasyon sa matematika, karaniwang gumagamit ng mga pamamaraan ng paglutas ng field, kabilang ang pagsusuri ng boundary element. Samakatuwid, gamit ang espesyalisadong software sa pagkalkula ng impedance na SI9000, ang kailangan lang nating gawin ay kontrolin ang mga parameter ng characteristic impedance:

Ang dielectric constant na Er ng insulation layer, ang lapad ng mga kable na W1 at W2 (trapezoidal), ang kapal ng mga kable na T, at ang kapal ng insulation layer na H.

W – dinisenyong lapad ng linya

A – pagkawala ng ukit (tingnan ang talahanayan sa itaas)

Ang dahilan ng hindi pantay na lapad sa pagitan ng itaas at ibabang bahagi ng linya ay dahil sa proseso ng paggawa ng mga PCB, nangyayari ang kalawang mula itaas hanggang sa ibaba, na nagreresulta sa hugis na trapezoidal ng kinakalawang na linya.

Mayroong katumbas na ugnayan sa pagitan ng kapal ng linya na T at ng kapal ng tanso ng patong na ito, tulad ng sumusunod:

* Dahil sa maliit na impluwensya ng kapal ng solder mask sa impedance, ipinapalagay na ito ay isang constant na halaga na 0.5mil.

Makakamit natin ang kontrol sa impedance sa pamamagitan ng pagkontrol sa mga parameter na ito. Kung gagamitin natin ang bottom PCB ng Anwei bilang halimbawa, ipapaliwanag natin ang mga hakbang ng kontrol sa impedance at ang paggamit ng SI9000:

Ang pangalawang patong ay ang ground plane, ang ikalimang patong ay ang power plane, at ang mga natitirang patong ay ang mga signal layer.

Paliwanag: Ang dielectric sa pagitan ng mga intermediate layer ay FR-4, na may dielectric constant na 4.2; Ang mga top at bottom layer ay mga hubad na layer na direktang nakikipag-ugnayan sa hangin, at ang dielectric constant ng hangin ay 1.

Maaaring ganap na magamit ng mga taga-disenyo ng PCB ang hierarchical na istruktura ng mga PCB upang makamit ang kontrol sa impedance. Sa pamamagitan ng paglalagay ng iba't ibang signal layer sa iba't ibang posisyon ng layer, maaaring epektibong makontrol ang interlayer capacitance at inductance. Sa pangkalahatan, ang panloob na layer ay gumagamit ng mga materyales na may mataas na impedance at ang panlabas na layer ay gumagamit ng mga materyales na may mababang impedance upang mabawasan ang epekto ng reflection at crosstalk.

Ang mga linya ng transmisyon ng differential signal ay maaaring magbigay ng mas mahusay na kakayahang anti-interference at mas mababang panganib ng crosstalk. Ang mga linya ng transmisyon ng differential signal ay isang pares ng parallel wires na may magkasalungat na boltahe ngunit magkapareho ang laki, na maaaring magbigay ng mas mahusay na integridad ng signal at kakayahang anti-interference. Ang impedance ng mga linya ng transmisyon ng differential signal ay karaniwang kinokontrol ng pagpili ng line spacing, lapad at ground plane.

Maaari ring gamitin ang mga heometrikong parametro tulad ng lapad, espasyo, at layout ng linya ng PCB upang kontrolin ang impedance. Para sa mga karaniwang linya ng microstrip, ang mas makapal na lapad ng linya at mas malaking espasyo ay maaaring makabawas sa impedance. Para sa mga coaxial na linya, ang mas maliliit na diyametro ng panloob na linya at mas malalaking radii ng panlabas na linya ay maaaring magpataas ng impedance. Ang pagpili ng heometriya ng mga kable ay nangangailangan ng pag-optimize batay sa mga partikular na kinakailangan sa impedance at dalas ng signal.

Ang dielectric constant ng mga materyales ng PCB ay nakakaapekto rin sa impedance. Ang pagpili ng mga materyales na may matatag na dielectric properties ay bahagi ng impedance control. Sa mga high-frequency at high-speed na aplikasyon, ang mga karaniwang ginagamit na materyales ay kinabibilangan ng FR-4 (glass fiber reinforced board), PTFE (polytetrafluoroethylene), at RF (radio frequency) laminates.

Bago ang pagdidisenyo ng PCB, ang paggamit ng mga tool sa simulation at disenyo ay makakatulong sa mga taga-disenyo nang mabilis at tumpak na mapatunayan at ma-optimize ang impedance. Maaaring gayahin ng mga tool na ito ang pag-uugali ng circuit, mga pagkawala ng signal transmission, at mga electromagnetic interaction upang matukoy ang pinakamainam na mga parameter ng disenyo ng PCB. Kabilang sa ilang karaniwang tool sa simulation ang CST Studio Suite, HyperLynx, at ADS.

Ang kontrol sa impedance ng PCB ay gumaganap ng mahalagang papel sa mga high-speed digital at analog circuit. Sa pamamagitan ng makatwirang hierarchical na disenyo, paggamit ng mga differential signal transmission lines, pagkontrol sa wiring geometry, pagpili ng naaangkop na mga materyales ng PCB, at paggamit ng mga simulation at design tool, makakamit ang tumpak na kontrol sa impedance, sa gayon ay mapapabuti ang pagganap ng circuit at integridad ng signal.