Що таке контроль імпедансу та як виконувати контроль імпедансу на друкованих платах

У проектуванні сучасних електронних пристроїв друковані плати відіграють вирішальну роль. Продуктивність друкованих плат безпосередньо впливає на стабільність, надійність та ефективність передачі всієї електронної системи. Серед них контроль імпедансу є важливою частиною проектування друкованих плат. Оскільки сучасні цифрові схеми мають коротший час передачі сигналу та вищі тактові частоти, доріжки друкованих плат вже не є простими з'єднаннями, а відповідно лініями передачі. Контроль імпедансу друкованих плат стосується керування швидкістю передачі та узгодженням імпедансу сигналів на друкованій платі для забезпечення якості та стабільності передачі сигналу.

У практичних ситуаціях необхідно контролювати імпеданс траси, коли гранична швидкість цифрового сигналу перевищує 1 нс або аналогова частота перевищує 300 МГц. Одним з ключових параметрів траси друкованої плати є її характеристичний імпеданс (тобто відношення напруги до струму, коли хвиля передається вздовж лінії передачі сигналу). Характеристичний імпеданс проводів на друкованих платах є важливим показником конструкції друкованої плати. Особливо при проектуванні високочастотних друкованих плат необхідно враховувати, чи відповідає характеристичний імпеданс дроту необхідному характеристичному імпедансу пристрою або сигналу. Це включає 2 концепції: керування імпедансом та узгодження імпедансу. Ця стаття зосереджена на питаннях керування імпедансом та проектування стеку.

У провідниках друкованої плати передаються різні сигнали. Щоб покращити швидкість передачі, необхідно збільшити її частоту. Значення імпедансу самої схеми змінюється через такі фактори, як травлення, товщина шару та ширина дроту тощо, що призводить до спотворення сигналу. Тому значення імпедансу провідників на високошвидкісних друкованих платах слід контролювати в певному діапазоні, що називається «регулюванням імпедансу».

Імпеданс доріжок друкованої плати визначається їх індуктивною та ємнісною індуктивністю, опором та коефіцієнтом провідності. Фактори, що впливають на імпеданс проводів друкованої плати, включають головним чином ширину та товщину мідного дроту, діелектричну проникність та товщину середовища, товщину паяльного майданчика, шлях заземлювального дроту та проводку навколо проводів тощо. Діапазон імпедансу друкованої плати становить від 25 до 120 Ом.

На практиці, лінії передачі на друкованих платах зазвичай складаються з дротяної доріжки, одного або кількох опорних шарів та ізоляційних матеріалів. Доріжка та шар утворюють керуючий імпеданс. Друковані плати часто мають багатошарові структури, а контроль імпедансу також може бути побудований різними способами. Однак, незалежно від використаного методу, значення імпедансу визначатиметься його фізичною структурою та електронними властивостями ізоляційного матеріалу:

Мікросмужкова стрічка — це смужка дроту, що відноситься до лінії передачі, лише одна сторона якої має опорну площину. Верхня та бічні сторони піддаються впливу повітря (або мають покриття) та розташовані на поверхні друкованої плати з ізоляційною постійною Er, при цьому шар живлення або заземлення є опорною площиною. Як показано на наступному рисунку:

Примітка: У реальному виробництві друкованих плат завод з виробництва друкованих плат зазвичай наносить шар зеленого чорнила на поверхню друкованої плати. Тому в реальних розрахунках імпедансу модель, показана на наступному рисунку, зазвичай використовується для поверхневих мікросмужкових ліній.

Смужкова лінія — це смужка дроту, розміщена між двома опорними площинами, як показано на наступному рисунку. Діелектричні константи діелектрика, представлені H1 та H2, можуть бути різними.

Два вищезазначені випадки є лише типовою демонстрацією мікросмужкових та смужкових ліній, які зазвичай використовуються для навчання вбудованому інтелектуальному обладнанню Інтернету речей та іншим системам. Існує багато специфічних типів мікросмужкових та смужкових ліній, таких як покриті мікросмужкові, які пов'язані зі специфічною структурою укладання друкованих плат.

Рівняння, яке використовується для розрахунку характеристичного імпедансу, вимагає складних математичних розрахунків, зазвичай з використанням методів розв'язання польових задач, включаючи аналіз граничних елементів. Тому, використовуючи спеціалізоване програмне забезпечення для розрахунку імпедансу SI9000, все, що нам потрібно зробити, це контролювати параметри характеристичного імпедансу:

Діелектрична проникність Er ізоляційного шару, ширина проводки W1 та W2 (трапецієподібна), товщина проводки T та товщина ізоляційного шару H.

W – проектна ширина лінії

A – втрати травлення (див. таблицю вище)

Причина нерівномірної ширини між верхньою та нижньою частинами лінії полягає в тому, що під час виробництва друкованих плат корозія відбувається зверху вниз, що призводить до трапецієподібної форми кородованої лінії.

Існує відповідний зв'язок між товщиною лінії T та товщиною міді цього шару, наступний:

* Через невеликий вплив товщини паяльної маски на імпеданс, вважається, що він є постійним значенням 0,5 міл.

Ми можемо досягти контролю імпедансу, контролюючи ці параметри. Взявши за приклад нижню друковану плату Anwei, ми пояснимо кроки контролю імпедансу та використання SI9000:

Другий шар – це площина заземлення, п'ятий шар – площина живлення, а решта шарів – це сигнальні шари.

Пояснення: Діелектрик між проміжними шарами – FR-4 з діелектричною проникністю 4,2; Верхній і нижній шари – це оголені шари, які безпосередньо контактують з повітрям, а діелектрична проникність повітря дорівнює 1.

Розробники друкованих плат можуть повною мірою використовувати ієрархічну структуру друкованих плат для досягнення контролю імпедансу. Розміщуючи різні сигнальні шари в різних позиціях шарів, можна ефективно контролювати міжшарову ємність та індуктивність. Загалом кажучи, внутрішній шар використовує матеріали з високим імпедансом, а зовнішній шар - матеріали з низьким імпедансом, щоб зменшити вплив відбиття та перехресних перешкод.

Диференціальні лінії передачі сигналу можуть забезпечити кращу стійкість до перешкод та нижчий ризик перехресних перешкод. Диференціальні лінії передачі сигналу являють собою пару паралельних проводів з протилежними напругами, але однаковими розмірами, що може забезпечити кращу цілісність сигналу та стійкість до перешкод. Імпеданс диференціальних ліній передачі сигналу зазвичай контролюється вибором міжрядкового інтервалу, ширини та площини заземлення.

Геометричні параметри, такі як ширина лінії друкованої плати, інтервал між ними та розташування, також можуть бути використані для контролю імпедансу. Для поширених мікросмужкових ліній товща ширина лінії та більший інтервал між ними можуть зменшити імпеданс. Для коаксіальних ліній менші внутрішні діаметри лінії та більші зовнішні радіуси лінії можуть збільшити імпеданс. Вибір геометрії проводки вимагає оптимізації на основі конкретних вимог до імпедансу та частоти сигналу.

Діелектрична проникність матеріалів друкованих плат також впливає на імпеданс. Вибір матеріалів зі стабільними діелектричними властивостями є частиною контролю імпедансу. У високочастотних та високошвидкісних застосуваннях зазвичай використовуються такі матеріали, як FR-4 (карта, армована скловолокном), PTFE (політетрафторетилен) та RF (радіочастотні) ламінати.

Перед проектуванням друкованої плати використання інструментів моделювання та проектування може допомогти розробникам швидко та точно перевірити й оптимізувати імпеданс. Ці інструменти можуть моделювати поведінку схеми, втрати при передачі сигналу та електромагнітну взаємодію для визначення оптимальних параметрів проектування друкованої плати. Деякі поширені інструменти моделювання включають CST Studio Suite, HyperLynx та ADS.

Контроль імпедансу друкованих плат відіграє вирішальну роль у високошвидкісних цифрових та аналогових схемах. Завдяки розумному ієрархічному проектуванню, використанню диференціальних ліній передачі сигналів, контролю геометрії проводки, вибору відповідних матеріалів друкованих плат та використанню інструментів моделювання та проектування можна досягти точного контролю імпедансу, тим самим покращуючи продуктивність схеми та цілісність сигналу.