Empedansni boshqarish nima va PCBlarda impedansni boshqarishni qanday amalga oshirish kerak

Zamonaviy elektron qurilmalarni loyihalashda PCBlar muhim rol o'ynaydi. PCBlarning ishlashi butun elektron tizimning barqarorligi, ishonchliligi va uzatish samaradorligiga bevosita ta'sir qiladi. Ular orasida impedansni boshqarish PCB dizaynining muhim qismidir. Zamonaviy raqamli sxemalar signal uzatish vaqti qisqaroq va soat tezligi yuqori bo'lganligi sababli, PCB izlari endi oddiy ulanishlar emas, balki mos ravishda uzatish liniyalari hisoblanadi. PCB impedansini boshqarish signal uzatish sifati va barqarorligini ta'minlash uchun PCBdagi signallarning uzatish tezligini va impedans mosligini boshqarishni anglatadi.

Amaliy holatlarda, raqamli chegaraviy tezlik 1ns dan yuqori bo'lganda yoki analog chastota 300 MGts dan oshganda iz empedansini boshqarish zarur. PCB izining asosiy parametrlaridan biri uning xarakterli empedansidir (ya'ni, signal uzatish liniyasi bo'ylab to'lqin uzatilganda kuchlanishning tokka nisbati). PCBlardagi simlarning xarakterli empedansi PCB dizaynining muhim ko'rsatkichidir. Ayniqsa, yuqori chastotali PCB dizaynida simning xarakterli empedansi qurilma yoki signalning talab qilinadigan xarakterli empedansiga mos keladimi yoki yo'qligini hisobga olish kerak. Bu 2 ta tushunchani o'z ichiga oladi: impedansni boshqarish va impedansni moslashtirish. Ushbu maqola impedansni boshqarish va stek dizayni masalalariga qaratilgan.

PCB o'tkazgichlarida turli xil signallar uzatiladi. Uning uzatish tezligini oshirish uchun uning chastotasini oshirish kerak. Sxemaning o'ziga xos impedans qiymati signal buzilishiga olib keladigan o'ymakorlik, qatlam qalinligi va sim kengligi kabi omillar tufayli o'zgaradi. Shuning uchun, yuqori tezlikdagi PCBlardagi o'tkazgichlarning impedans qiymati ma'lum bir diapazonda boshqarilishi kerak, bu "impedansni boshqarish" deb ataladi.

PCB izlarining impedansi ularning induktiv va sig'imli induktivligi, qarshiligi va o'tkazuvchanlik koeffitsienti bilan belgilanadi. PCB simlarining impedansiga ta'sir qiluvchi omillar asosan mis simning kengligi va qalinligi, dielektrik doimiysi va muhitning qalinligi, lehim yostig'ining qalinligi, yerga ulash simining yo'li va simlar atrofidagi simlar va boshqalarni o'z ichiga oladi. PCB impedansining diapazoni 25 dan 120 ohmgacha.

Amalda, PCB uzatish liniyalari odatda sim izidan, bir yoki bir nechta mos yozuvlar qatlamlaridan va izolyatsiya materiallaridan iborat. Iz va qatlam boshqaruv impedansini tashkil qiladi. PCBlar ko'pincha ko'p qatlamli tuzilmalarni qo'llaydi va impedansni boshqarish turli usullar bilan ham qurilishi mumkin. Biroq, qo'llaniladigan usuldan qat'i nazar, impedans qiymati uning fizik tuzilishi va izolyatsiya materialining elektron xususiyatlari bilan belgilanadi:

Mikrotasma - bu faqat bir tomoni mos yozuvlar tekisligiga ega bo'lgan uzatish liniyasini ifodalovchi sim tasmasidir. Yuqori va yon tomonlari havoga ta'sir qiladi (yoki qoplanadi) va izolyatsiya doimiysi Er PCB yuzasida joylashgan bo'lib, quvvat yoki yer qatlami mos yozuvlar sifatida ishlatiladi. Quyidagi rasmda ko'rsatilganidek:

Izoh: Haqiqiy PCB ishlab chiqarishda, PCB fabrikasi odatda PCB yuzasiga yashil siyoh qatlamini qoplaydi. Shuning uchun, haqiqiy impedans hisob-kitoblarida quyidagi rasmda ko'rsatilgan model odatda sirt mikrotasma chiziqlari uchun ishlatiladi.

Quyidagi rasmda ko'rsatilgandek, chiziqli chiziq - bu 2 ta mos yozuvlar tekisligi orasiga joylashtirilgan simli chiziq. H1 va H2 bilan ifodalangan dielektrikning dielektrik konstantalari har xil bo'lishi mumkin.

Yuqoridagi 2 ta holat odatda o'rnatilgan IoT aqlli apparat va boshqa tizimlarni o'rganish uchun ishlatiladigan mikrostrip va strip liniyalarining odatiy namoyishidir. PCBlarning o'ziga xos stacking tuzilishi bilan bog'liq bo'lgan qoplangan mikrostrip kabi ko'plab o'ziga xos mikrostrip va strip liniyalari mavjud.

Xarakterli impedansni hisoblash uchun ishlatiladigan tenglama murakkab matematik hisob-kitoblarni talab qiladi, odatda chegara elementlari tahlilini o'z ichiga olgan maydonlarni yechish usullaridan foydalaniladi. Shuning uchun, SI9000 ixtisoslashtirilgan impedans hisoblash dasturidan foydalangan holda, biz faqat xarakterli impedans parametrlarini boshqarishimiz kerak:

Izolyatsiya qatlamining dielektrik doimiysi Er, simlarning W1 va W2 kengligi (trapetsiya), simlarning qalinligi T va izolyatsiya qatlamining qalinligi H.

W – mo'ljallangan chiziq kengligi

A – oʻymakorlik yoʻqotilishi (yuqoridagi jadvalga qarang)

Chiziqning yuqori va pastki qismi o'rtasidagi nomuvofiq kenglikning sababi shundaki, PCB ishlab chiqarish jarayonida korroziya yuqoridan pastgacha sodir bo'ladi, natijada korroziyalangan liniya trapetsiya shaklida bo'ladi.

Chiziq qalinligi T va bu qatlamning mis qalinligi o'rtasida quyidagicha mos keladigan bog'liqlik mavjud:

* Lehim niqobi qalinligining impedansga ta'siri kichik bo'lgani uchun, u 0,5 mil doimiy qiymat deb hisoblanadi.

Ushbu parametrlarni boshqarish orqali biz impedansni boshqarishga erishishimiz mumkin. Anwei pastki PCB ni misol qilib olsak, biz impedansni boshqarish bosqichlarini va SI9000 dan foydalanishni tushuntiramiz:

Ikkinchi qatlam yer tekisligi, beshinchi qatlam quvvat tekisligi va qolgan qatlamlar signal qatlamlari.

Izoh: Oraliq qatlamlar orasidagi dielektrik FR-4 bo'lib, dielektrik doimiysi 4,2 ga teng; Yuqori va pastki qatlamlar havo bilan bevosita aloqada bo'ladigan yalang'och qatlamlar bo'lib, havoning dielektrik doimiysi 1 ga teng.

PCB dizaynerlari impedansni boshqarishga erishish uchun PCBlarning ierarxik tuzilishidan to'liq foydalanishlari mumkin. Turli xil signal qatlamlarini turli qatlam pozitsiyalariga joylashtirish orqali qatlamlararo sig'im va induktivlikni samarali boshqarish mumkin. Umuman olganda, ichki qatlam yuqori impedansli materiallardan, tashqi qatlam esa aks ettirish va o'zaro ta'sirning ta'sirini kamaytirish uchun past impedansli materiallardan foydalanadi.

Differentsial signal uzatish liniyalari yaxshiroq shovqinlarga qarshi qobiliyat va pastroq o'zaro ta'sir xavfini ta'minlashi mumkin. Differentsial signal uzatish liniyalari qarama-qarshi kuchlanishlarga ega, ammo teng o'lchamdagi parallel simlar juftligi bo'lib, ular signalning yaxlitligi va shovqinlarga qarshi qobiliyatni yaxshiroq ta'minlaydi. Differentsial signal uzatish liniyalarining impedansi odatda liniya oralig'i, kengligi va yer tekisligini tanlash orqali boshqariladi.

PCB chizig'i kengligi, oralig'i va joylashuvi kabi geometrik parametrlardan ham impedansni boshqarish uchun foydalanish mumkin. Umumiy mikrostrip chiziqlari uchun qalinroq chiziq kengligi va kattaroq masofa impedansni kamaytirishi mumkin. Koaksial chiziqlar uchun kichikroq ichki chiziq diametrlari va kattaroq tashqi chiziq radiuslari impedansni oshirishi mumkin. Simlar geometriyasini tanlash ma'lum impedans talablari va signal chastotasiga asoslangan optimallashtirishni talab qiladi.

PCB materiallarining dielektrik o'tkazuvchanligi ham impedansga ta'sir qiladi. Barqaror dielektrik xususiyatlarga ega materiallarni tanlash impedansni boshqarishning bir qismidir. Yuqori chastotali va yuqori tezlikdagi dasturlarda keng qo'llaniladigan materiallarga FR-4 (shisha tolali mustahkamlangan taxta), PTFE (polietetrafloroetilen) va RF (radiochastotali) laminatlari kiradi.

PCB dizaynidan oldin, simulyatsiya va dizayn vositalaridan foydalanish dizaynerlarga impedansni tez va aniq tekshirish va optimallashtirishga yordam beradi. Ushbu vositalar optimal PCB dizayn parametrlarini aniqlash uchun elektron sxemaning ishlashini, signal uzatish yo'qotishlarini va elektromagnit o'zaro ta'sirlarni simulyatsiya qilishi mumkin. Ba'zi keng tarqalgan simulyatsiya vositalariga CST Studio Suite, HyperLynx va ADS kiradi.

PCB impedansini boshqarish yuqori tezlikdagi raqamli va analog sxemalarda muhim rol o'ynaydi. Oqilona ierarxik dizayn, differentsial signal uzatish liniyalaridan foydalanish, simlar geometriyasini boshqarish, tegishli PCB materiallarini tanlash va simulyatsiya va dizayn vositalaridan foydalanish orqali aniq impedansni boshqarishga erishish mumkin, shu bilan sxemaning ishlashi va signal yaxlitligini yaxshilaydi.