Kiểm soát trở kháng là gì và cách thực hiện kiểm soát trở kháng trên mạch in PCB?

Trong thiết kế các thiết bị điện tử hiện đại, mạch in (PCB) đóng vai trò vô cùng quan trọng. Hiệu suất của PCB ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định, độ tin cậy và hiệu quả truyền dẫn của toàn bộ hệ thống điện tử. Trong đó, kiểm soát trở kháng là một phần quan trọng của thiết kế PCB. Vì các mạch kỹ thuật số hiện đại có thời gian truyền tín hiệu ngắn hơn và tốc độ xung nhịp cao hơn, các đường dẫn trên PCB không còn chỉ là các kết nối đơn giản mà là các đường truyền dẫn tương ứng. Kiểm soát trở kháng PCB đề cập đến việc kiểm soát tốc độ truyền dẫn và sự phù hợp trở kháng của tín hiệu trên PCB để đảm bảo chất lượng và độ ổn định của việc truyền tín hiệu.

Trong thực tế, việc kiểm soát trở kháng đường dẫn là cần thiết khi vận tốc biên kỹ thuật số cao hơn 1ns hoặc tần số tương tự vượt quá 300MHz. Một trong những thông số quan trọng của đường dẫn PCB là trở kháng đặc trưng của nó (tức là tỷ lệ giữa điện áp và dòng điện khi sóng được truyền dọc theo đường truyền tín hiệu). Trở kháng đặc trưng của dây dẫn trên PCB là một chỉ số quan trọng trong thiết kế PCB. Đặc biệt trong thiết kế PCB tần số cao, cần phải xem xét liệu trở kháng đặc trưng của dây dẫn có phù hợp hoặc tương ứng với trở kháng đặc trưng yêu cầu của thiết bị hoặc tín hiệu hay không. Điều này liên quan đến 2 khái niệm: kiểm soát trở kháng và khớp trở kháng. Bài viết này tập trung vào các vấn đề về kiểm soát trở kháng và thiết kế lớp mạch.

Trên mạch in (PCB) truyền tải nhiều tín hiệu khác nhau. Để cải thiện tốc độ truyền tải, tần số phải được tăng lên. Giá trị trở kháng của bản thân mạch thay đổi do các yếu tố như khắc mạch, độ dày lớp và chiều rộng dây dẫn, v.v., gây ra hiện tượng méo tín hiệu. Do đó, giá trị trở kháng của các dây dẫn trên PCB tốc độ cao cần được kiểm soát trong một phạm vi nhất định, được gọi là "kiểm soát trở kháng".

Trở kháng của các đường mạch in (PCB) được xác định bởi điện cảm và điện dung, điện trở và hệ số dẫn điện của chúng. Các yếu tố ảnh hưởng đến trở kháng của dây dẫn PCB chủ yếu bao gồm chiều rộng và độ dày của dây đồng, hằng số điện môi và độ dày của môi trường, độ dày của miếng hàn, đường đi của dây nối đất và hệ thống dây dẫn xung quanh, v.v. Phạm vi trở kháng của PCB là từ 25 đến 120 ôm.

Trên thực tế, đường truyền tín hiệu trên PCB thường bao gồm một đường dẫn dây, một hoặc nhiều lớp tham chiếu và vật liệu cách điện. Đường dẫn và lớp này tạo nên trở kháng điều khiển. PCB thường sử dụng cấu trúc nhiều lớp, và việc điều khiển trở kháng cũng có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên, bất kể phương pháp nào được sử dụng, giá trị trở kháng sẽ được xác định bởi cấu trúc vật lý và các đặc tính điện tử của vật liệu cách điện:

Đường truyền vi dải (microstrip) là một dải dây dẫn chỉ có một mặt phẳng tham chiếu. Mặt trên và các cạnh của nó tiếp xúc với không khí (hoặc được phủ lớp bảo vệ) và nằm trên bề mặt của một PCB có hằng số cách điện Er, với lớp nguồn hoặc lớp nối đất làm tham chiếu. Như hình minh họa dưới đây:

Lưu ý: Trong sản xuất PCB thực tế, nhà máy sản xuất PCB thường phủ một lớp mực xanh lên bề mặt PCB. Do đó, trong các phép tính trở kháng thực tế, mô hình được thể hiện trong hình dưới đây thường được sử dụng cho các đường vi mạch bề mặt.

Đường truyền dẫn dải (stripline) là một dải dây dẫn được đặt giữa hai mặt phẳng tham chiếu, như hình vẽ bên dưới. Hằng số điện môi của chất điện môi được biểu thị bằng H1 và H2 có thể khác nhau.

Hai trường hợp trên chỉ là ví dụ điển hình về vi dải và đường truyền dải, thường được sử dụng để học về phần cứng thông minh IoT nhúng và các hệ thống khác. Có nhiều loại vi dải và đường truyền dải chuyên biệt, chẳng hạn như vi dải phủ, liên quan đến cấu trúc xếp lớp cụ thể của PCB.

Phương trình dùng để tính toán trở kháng đặc trưng đòi hỏi các phép tính toán học phức tạp, thường sử dụng các phương pháp giải tại hiện trường, bao gồm cả phân tích phần tử biên. Do đó, với phần mềm tính toán trở kháng chuyên dụng SI9000, tất cả những gì chúng ta cần làm là kiểm soát các tham số của trở kháng đặc trưng:

Hằng số điện môi Er của lớp cách điện, chiều rộng dây dẫn W1 và W2 (hình thang), độ dày dây dẫn T và độ dày lớp cách điện H.

W – độ rộng đường kẻ được thiết kế

A – hao hụt do ăn mòn (xem bảng trên)

Nguyên nhân dẫn đến độ rộng không đồng đều giữa phần trên và phần dưới của đường kẻ là do trong quá trình sản xuất mạch in (PCB), hiện tượng ăn mòn xảy ra từ trên xuống dưới, dẫn đến hình dạng thang của đường kẻ bị ăn mòn.

Có mối quan hệ tương ứng giữa độ dày đường dẫn T và độ dày lớp đồng này, như sau:

* Do ảnh hưởng nhỏ của độ dày lớp phủ hàn đến trở kháng, nên giá trị này được giả định là không đổi ở mức 0,5 mil.

Chúng ta có thể đạt được khả năng kiểm soát trở kháng bằng cách điều chỉnh các thông số này. Lấy PCB phía dưới của Anwei làm ví dụ, chúng ta sẽ giải thích các bước kiểm soát trở kháng và cách sử dụng SI9000:

Lớp thứ hai là mặt phẳng tiếp đất, lớp thứ năm là mặt phẳng nguồn, và các lớp còn lại là các lớp tín hiệu.

Giải thích: Lớp điện môi giữa các lớp trung gian là FR-4, với hằng số điện môi là 4,2; Lớp trên cùng và lớp dưới cùng là các lớp trần tiếp xúc trực tiếp với không khí, và hằng số điện môi của không khí là 1.

Các nhà thiết kế PCB có thể tận dụng tối đa cấu trúc phân cấp của PCB để kiểm soát trở kháng. Bằng cách đặt các lớp tín hiệu khác nhau ở các vị trí lớp khác nhau, điện dung và điện cảm giữa các lớp có thể được kiểm soát hiệu quả. Nói chung, lớp bên trong sử dụng vật liệu có trở kháng cao và lớp bên ngoài sử dụng vật liệu có trở kháng thấp để giảm ảnh hưởng của phản xạ và nhiễu xuyên kênh.

Đường truyền tín hiệu vi sai có thể cung cấp khả năng chống nhiễu tốt hơn và giảm nguy cơ xuyên âm. Đường truyền tín hiệu vi sai là một cặp dây dẫn song song có điện áp ngược nhau nhưng kích thước bằng nhau, giúp cung cấp tính toàn vẹn tín hiệu tốt hơn và khả năng chống nhiễu cao hơn. Trở kháng của đường truyền tín hiệu vi sai thường được điều khiển bằng cách lựa chọn khoảng cách giữa các dây, độ rộng và mặt phẳng nối đất.

Các thông số hình học như chiều rộng đường dẫn trên PCB, khoảng cách và bố cục cũng có thể được sử dụng để kiểm soát trở kháng. Đối với các đường truyền vi dải thông thường, chiều rộng đường dẫn lớn hơn và khoảng cách lớn hơn có thể làm giảm trở kháng. Đối với các đường truyền đồng trục, đường kính đường dẫn bên trong nhỏ hơn và bán kính đường dẫn bên ngoài lớn hơn có thể làm tăng trở kháng. Việc lựa chọn hình học dây dẫn cần được tối ưu hóa dựa trên các yêu cầu trở kháng cụ thể và tần số tín hiệu.

Hằng số điện môi của vật liệu PCB cũng ảnh hưởng đến trở kháng. Việc lựa chọn vật liệu có tính chất điện môi ổn định là một phần của việc kiểm soát trở kháng. Trong các ứng dụng tần số cao và tốc độ cao, các vật liệu thường được sử dụng bao gồm FR-4 (tấm gia cường sợi thủy tinh), PTFE (polytetrafluoroethylene) và các tấm nhiều lớp RF (tần số vô tuyến).

Trước khi thiết kế mạch in (PCB), việc sử dụng các công cụ mô phỏng và thiết kế có thể giúp các nhà thiết kế nhanh chóng và chính xác xác minh và tối ưu hóa trở kháng. Các công cụ này có thể mô phỏng hoạt động của mạch, tổn thất truyền tín hiệu và tương tác điện từ để xác định các thông số thiết kế PCB tối ưu. Một số công cụ mô phỏng phổ biến bao gồm CST Studio Suite, HyperLynx và ADS.

Kiểm soát trở kháng PCB đóng vai trò quan trọng trong các mạch kỹ thuật số và tương tự tốc độ cao. Thông qua thiết kế phân cấp hợp lý, sử dụng đường truyền tín hiệu vi sai, kiểm soát hình học dây dẫn, lựa chọn vật liệu PCB phù hợp và sử dụng các công cụ mô phỏng và thiết kế, có thể đạt được khả năng kiểm soát trở kháng chính xác, từ đó cải thiện hiệu suất mạch và tính toàn vẹn tín hiệu.