Empedans kontrolü nedir ve baskılı devre kartlarında empedans kontrolü nasıl yapılır?

Modern elektronik cihazların tasarımında, baskılı devre kartları (PCB'ler) çok önemli bir rol oynar. PCB'lerin performansı, tüm elektronik sistemin kararlılığını, güvenilirliğini ve iletim verimliliğini doğrudan etkiler. Bunlar arasında empedans kontrolü, PCB tasarımının önemli bir parçasıdır. Modern dijital devreler daha kısa sinyal iletim sürelerine ve daha yüksek saat hızlarına sahip olduğundan, PCB izleri artık basit bağlantılar değil, buna karşılık gelen iletim hatlarıdır. PCB empedans kontrolü, sinyal iletiminin kalitesini ve kararlılığını sağlamak için PCB üzerindeki sinyallerin iletim hızını ve empedans eşleşmesini kontrol etmeyi ifade eder.

Pratik durumlarda, dijital marjinal hız 1 ns'den yüksek olduğunda veya analog frekans 300 MHz'i aştığında, iz empedansının kontrol edilmesi gereklidir. PCB izinin temel parametrelerinden biri, karakteristik empedansıdır (yani, dalga sinyal iletim hattı boyunca iletilirken gerilimin akıma oranı). PCB'ler üzerindeki tellerin karakteristik empedansı, PCB tasarımının önemli bir göstergesidir. Özellikle yüksek frekanslı PCB tasarımında, telin karakteristik empedansının, cihazın veya sinyalin gerekli karakteristik empedansı ile tutarlı olup olmadığı veya eşleşip eşleşmediği dikkate alınmalıdır. Bu, iki kavramı içerir: empedans kontrolü ve empedans eşleşmesi. Bu makale, empedans kontrolü ve yığın tasarımı konularına odaklanmaktadır.

Baskılı devre kartının (PCB) iletkenlerinde çeşitli sinyaller iletilir. İletim hızını artırmak için frekansın yükseltilmesi gerekir. Devrenin empedans değeri, aşındırma, katman kalınlığı ve tel genişliği gibi faktörler nedeniyle değişir ve sinyal bozulmasına neden olur. Bu nedenle, yüksek hızlı PCB'lerdeki iletkenlerin empedans değeri belirli bir aralıkta kontrol edilmelidir; buna "empedans kontrolü" denir.

Baskılı devre kartı (PCB) izlerinin empedansı, endüktif ve kapasitif endüktansları, dirençleri ve iletkenlik katsayıları tarafından belirlenir. PCB kablolamasının empedansını etkileyen faktörler arasında başlıca bakır telin genişliği ve kalınlığı, ortamın dielektrik sabiti ve kalınlığı, lehim pedinin kalınlığı, topraklama telinin yolu ve kablolamanın etrafındaki kablolama vb. yer alır. PCB empedansının aralığı 25 ila 120 ohm'dur.

Pratikte, PCB iletim hatları tipik olarak bir tel izi, bir veya daha fazla referans katmanı ve yalıtım malzemelerinden oluşur. İz ve katman, kontrol empedansını oluşturur. PCB'ler genellikle çok katmanlı yapılar benimser ve empedans kontrolü de çeşitli şekillerde oluşturulabilir. Bununla birlikte, kullanılan yöntem ne olursa olsun, empedans değeri fiziksel yapısı ve yalıtım malzemesinin elektronik özellikleri tarafından belirlenir:

Mikroşerit, yalnızca bir tarafında referans düzlemi bulunan bir iletim hattını ifade eden bir tel şerididir. Üst ve yan yüzeyleri havaya maruz kalır (veya kaplanır) ve güç veya topraklama katmanı referans alınarak Er yalıtım sabitine sahip bir PCB yüzeyinde bulunur. Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi:

Not: Gerçek PCB üretiminde, PCB fabrikası genellikle PCB yüzeyine yeşil mürekkep tabakası kaplar. Bu nedenle, gerçek empedans hesaplamalarında, yüzey mikroşerit hatları için genellikle aşağıdaki şekilde gösterilen model kullanılır.

Bir şerit hat, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, 2 referans düzlemi arasına yerleştirilmiş bir tel şerididir. H1 ve H2 ile temsil edilen dielektriğin dielektrik sabitleri farklı olabilir.

Yukarıdaki 2 örnek, genellikle gömülü IoT akıllı donanımları ve diğer sistemlerin öğreniminde kullanılan mikroşerit ve şerit hatlarının tipik birer gösterimidir. PCB'lerin özel istifleme yapısıyla ilgili olarak kaplamalı mikroşerit gibi birçok özel mikroşerit ve şerit hattı türü bulunmaktadır.

Karakteristik empedansı hesaplamak için kullanılan denklem, genellikle sınır eleman analizi de dahil olmak üzere alan çözme yöntemlerini kullanan karmaşık matematiksel hesaplamalar gerektirir. Bu nedenle, özel empedans hesaplama yazılımı SI9000'i kullanarak, yapmamız gereken tek şey karakteristik empedansın parametrelerini kontrol etmektir:

Yalıtım katmanının dielektrik sabiti Er, kablo genişliği W1 ve W2 (yamuk), kablo kalınlığı T ve yalıtım katmanı kalınlığı H.

W – tasarlanmış çizgi genişliği

A – aşındırma kaybı (yukarıdaki tabloya bakınız)

Baskılı devre kartlarının (PCB) üretim sürecinde, korozyonun yukarıdan aşağıya doğru gerçekleşmesi ve bunun sonucunda korozyona uğramış çizginin yamuk bir şekil alması nedeniyle, çizginin üst ve alt kısımları arasındaki genişlikte tutarsızlık oluşmasının sebebi budur.

Bu katmanın çizgi kalınlığı T ile bakır kalınlığı arasında aşağıdaki gibi bir ilişki vardır:

* Lehim maskesi kalınlığının empedans üzerindeki etkisinin az olması nedeniyle, 0,5 mil'lik sabit bir değer olduğu varsayılmıştır.

Bu parametreleri kontrol ederek empedans kontrolü sağlayabiliriz. Anwei'nin alt PCB'sini örnek alarak, empedans kontrolünün adımlarını ve SI9000 kullanımını açıklayacağız:

İkinci katman topraklama düzlemi, beşinci katman güç düzlemi ve geri kalan katmanlar ise sinyal katmanlarıdır.

Açıklama: Ara katmanlar arasındaki dielektrik malzeme, dielektrik sabiti 4,2 olan FR-4'tür; üst ve alt katmanlar, havayla doğrudan temas eden çıplak katmanlardır ve havanın dielektrik sabiti 1'dir.

PCB tasarımcıları, empedans kontrolü sağlamak için PCB'lerin hiyerarşik yapısından tam olarak yararlanabilirler. Farklı sinyal katmanlarını farklı katman konumlarına yerleştirerek, katmanlar arası kapasitans ve indüktans etkili bir şekilde kontrol edilebilir. Genel olarak, iç katman yüksek empedanslı malzemeler, dış katman ise düşük empedanslı malzemeler kullanarak yansıma ve çapraz etkileşimin etkisini azaltır.

Diferansiyel sinyal iletim hatları, daha iyi parazit önleme yeteneği ve daha düşük çapraz konuşma riski sağlayabilir. Diferansiyel sinyal iletim hatları, zıt gerilimlere sahip ancak eşit boyutlarda bir çift paralel telden oluşur ve daha iyi sinyal bütünlüğü ve parazit önleme yeteneği sağlar. Diferansiyel sinyal iletim hatlarının empedansı genellikle hat aralığı, genişliği ve topraklama düzleminin seçimiyle kontrol edilir.

PCB hat genişliği, aralığı ve yerleşimi gibi geometrik parametreler de empedansı kontrol etmek için kullanılabilir. Yaygın mikroşerit hatlar için, daha kalın hat genişliği ve daha büyük aralık empedansı azaltabilir. Koaksiyel hatlar için, daha küçük iç hat çapları ve daha büyük dış hat yarıçapları empedansı artırabilir. Kablolama geometrisinin seçimi, belirli empedans gereksinimlerine ve sinyal frekansına göre optimizasyon gerektirir.

PCB malzemelerinin dielektrik sabiti de empedansı etkiler. Kararlı dielektrik özelliklere sahip malzemelerin seçimi, empedans kontrolünün bir parçasıdır. Yüksek frekanslı ve yüksek hızlı uygulamalarda yaygın olarak kullanılan malzemeler arasında FR-4 (cam elyaf takviyeli levha), PTFE (politetrafloroetilen) ve RF (radyo frekansı) laminatlar bulunur.

PCB tasarımı öncesinde, simülasyon ve tasarım araçlarının kullanılması, tasarımcıların empedansı hızlı ve doğru bir şekilde doğrulamasına ve optimize etmesine yardımcı olabilir. Bu araçlar, devre davranışını, sinyal iletim kayıplarını ve elektromanyetik etkileşimleri simüle ederek optimum PCB tasarım parametrelerini belirleyebilir. Yaygın olarak kullanılan bazı simülasyon araçları arasında CST Studio Suite, HyperLynx ve ADS yer almaktadır.

PCB empedans kontrolü, yüksek hızlı dijital ve analog devrelerde çok önemli bir rol oynar. Makul hiyerarşik tasarım, diferansiyel sinyal iletim hatlarının kullanımı, kablolama geometrisinin kontrolü, uygun PCB malzemelerinin seçimi ve simülasyon ve tasarım araçlarının kullanımı yoluyla hassas empedans kontrolü sağlanabilir, böylece devre performansı ve sinyal bütünlüğü iyileştirilebilir.