Што такое кантроль імпедансу і як выконваць кантроль імпедансу на друкаваных поплатках

У распрацоўцы сучасных электронных прылад друкаваныя платы гуляюць вырашальную ролю. Прадукцыйнасць друкаваных плат непасрэдна ўплывае на стабільнасць, надзейнасць і эфектыўнасць перадачы ўсёй электроннай сістэмы. Сярод іх кантроль імпедансу з'яўляецца важнай часткай праектавання друкаванай платы. Паколькі сучасныя лічбавыя схемы маюць меншы час перадачы сігналу і больш высокую тактавую частату, сляды друкаванай платы больш не з'яўляюцца простымі злучэннямі, а адпаведна лініямі перадачы. Кантроль імпедансу друкаванай платы адносіцца да кантролю хуткасці перадачы і ўзгаднення імпедансу сігналаў на друкаванай плаце для забеспячэння якасці і стабільнасці перадачы сігналу.

У практычных сітуацыях неабходна кантраляваць імпеданс трасіроўкі, калі лічбавая гранічная хуткасць вышэй за 1 нс або аналагавая частата перавышае 300 МГц. Адным з ключавых параметраў трасіроўкі друкаванай платы з'яўляецца яе характарыстычны імпеданс (г.зн. стаўленне напружання да току, калі хваля перадаецца па лініі перадачы сігналу). Характарыстычнае супраціўленне правадоў на друкаваных платах з'яўляецца важным паказчыкам канструкцыі друкаванай платы. Асабліва ў канструкцыі высокачашчыннай друкаванай платы неабходна ўлічваць, ці супадае характарыстычны імпеданс провада з патрабаваным характарыстычным супраціўленнем прылады або сігналу. Гэта ўключае ў сябе 2 паняцці: кантроль імпедансу і ўзгадненне імпедансу. Гэты артыкул прысвечаны пытанням кантролю імпедансу і праектавання стэка.

У правадніках друкаванай платы перадаюцца розныя сігналы. Каб палепшыць хуткасць перадачы, яе частату неабходна павялічыць. Значэнне імпедансу самой схемы змяняецца з-за такіх фактараў, як тручэнне, таўшчыня пласта і шырыня провада і г.д., што выклікае скажэнне сігналу. Такім чынам, значэнне імпедансу правадыроў на высакахуткасных друкаваных платах павінна кантралявацца ў пэўным дыяпазоне, які называецца «кантроль імпедансу».

Імпеданс слядоў друкаванай платы вызначаецца іх індуктыўнай і ёмістнай індуктыўнасцю, супраціўленнем і каэфіцыентам праводнасці. Фактары, якія ўплываюць на імпеданс праводкі друкаванай платы, у асноўным ўключаюць шырыню і таўшчыню меднага дроту, дыэлектрычную пранікальнасць і таўшчыню асяроддзя, таўшчыню паяльнай пляцоўкі, шлях провада зазямлення і праводку вакол праводкі, Дыяпазон імпедансу друкаванай платы складае ад 25 да 120 Ом.

На практыцы лініі перадачы друкаванай платы звычайна складаюцца з провада, аднаго або некалькіх эталонных слаёў і ізаляцыйных матэрыялаў. Траса і пласт складаюць імпеданс кіравання. ПХБ часта прымаюць шматслойныя структуры, і кантроль імпедансу таксама можа быць пабудаваны рознымі спосабамі. Аднак, незалежна ад выкарыстоўванага метаду, значэнне імпедансу будзе вызначацца яго фізічнай структурай і электроннымі ўласцівасцямі ізаляцыйнага матэрыялу:

Мікрапалоска - гэта палоска дроту, якая адносіцца да лініі перадачы, толькі адзін бок якой мае апорную плоскасць. Верх і бакі падвяргаюцца ўздзеянню паветра (або маюць пакрыццё) і размешчаны на паверхні друкаванай платы з пастаяннай ізаляцыяй Er, з энергазабеспячэннем або зазямленнем у якасці эталона. Як паказана на наступным малюнку:

Заўвага: у фактычным вытворчасці друкаваных поплаткаў фабрыка друкаваных поплаткаў звычайна пакрывае паверхню друкаванай платы пластом зялёных чарнілаў. Такім чынам, у фактычных разліках імпедансу мадэль, паказаная на наступным малюнку, звычайна выкарыстоўваецца для павярхоўных мікрапалоскавых ліній.

Паласковая лінія - гэта палоска дроту, размешчаная паміж 2 апорнымі плоскасцямі, як паказана на наступным малюнку. Дыэлектрычная пранікальнасць дыэлектрыка, прадстаўленага H1 і H2, можа быць рознай.

Вышэйпрыведзеныя 2 выпадкі - гэта проста тыповая дэманстрацыя мікрапалоскавых і паласкавых ліній, якія звычайна выкарыстоўваюцца для вывучэння ўбудаванага інтэлектуальнага абсталявання IoT і іншых сістэм. Ёсць шмат спецыфічных тыпаў мікрапалосак і палосак, такіх як мікрапалосак з пакрыццём, якія звязаны са асаблівай структурай кладкі друкаваных поплаткаў.

Ураўненне, якое выкарыстоўваецца для разліку характарыстычнага імпедансу, патрабуе складаных матэматычных разлікаў, звычайна з выкарыстаннем палявых метадаў рашэння, уключаючы аналіз межавых элементаў. Таму, выкарыстоўваючы спецыялізаванае праграмнае забеспячэнне для разліку імпедансу SI9000, усё, што нам трэба зрабіць, гэта кантраляваць параметры характарыстычнага імпедансу:

Дыэлектрычная пранікальнасць Er ізаляцыйнага пласта, шырыня праводкі W1 і W2 (трапецападобная), таўшчыня праводкі T і таўшчыня ізаляцыйнага пласта H.

W – праектная шырыня лініі

A – страты пры тручэнні (гл. табліцу вышэй)

Прычына неадпаведнай шырыні паміж верхняй і ніжняй часткамі лініі заключаецца ў тым, што ў працэсе вытворчасці друкаваных плат карозія адбываецца зверху ўніз, што прыводзіць да трапецападобнай формы карозійнай лініі.

Існуе адпаведная залежнасць паміж таўшчынёй лініі T і таўшчынёй медзі гэтага пласта:

* З-за невялікага ўплыву таўшчыні прыпойнай маскі на імпеданс прымаецца пастаяннае значэнне 0,5 мілі.

Мы можам дасягнуць кантролю імпедансу, кіруючы гэтымі параметрамі. На прыкладзе ніжняй друкаванай платы Anwei мы растлумачым этапы кантролю імпедансу і выкарыстання SI9000:

Другі пласт - гэта плоскасць зазямлення, пяты - плоскасць магутнасці, а астатнія пласты - сігнальныя.

Тлумачэнне: дыэлектрык паміж прамежкавымі пластамі - FR-4 з дыэлектрычнай пранікальнасцю 4,2; Верхні і ніжні пласты - гэта голыя пласты, якія ўступаюць у непасрэдны кантакт з паветрам, а дыэлектрычная пранікальнасць паветра роўная 1.

Распрацоўшчыкі друкаваных плат могуць цалкам выкарыстоўваць іерархічную структуру друкаваных плат для дасягнення кантролю імпедансу. Размяшчаючы розныя сігнальныя слаі ў розных месцах слаёў, можна эфектыўна кантраляваць прамежкавую ёмістасць і індуктыўнасць. Наогул кажучы, унутраны пласт выкарыстоўвае матэрыялы з высокім імпедансам, а знешні пласт выкарыстоўвае матэрыялы з нізкім імпедансам, каб паменшыць уплыў адлюстравання і крыжаваных перашкод.

Дыферэнцыяльныя лініі перадачы сігналу могуць забяспечыць лепшую абарону ад перашкод і знізіць рызыку перакрыжаваных перашкод. Дыферэнцыяльныя лініі перадачы сігналу ўяўляюць сабой пару паралельных правадоў з супрацьлеглымі напружаннямі, але аднолькавага памеру, якія могуць забяспечыць лепшую цэласнасць сігналу і здольнасць супрацьстаяць перашкодам. Імпеданс дыферэнцыяльных ліній перадачы сігналу звычайна кантралюецца выбарам міжрадковага інтэрвалу, шырыні і плоскасці зазямлення.

Геаметрычныя параметры, такія як шырыня лініі друкаванай платы, інтэрвал і размяшчэнне, таксама могуць выкарыстоўвацца для кантролю імпедансу. Для звычайных мікрапалоскавых ліній больш тоўстая лінія і большы інтэрвал могуць паменшыць імпеданс. Для кааксіяльных ліній меншы ўнутраны дыяметр лініі і большы радыус вонкавай лініі могуць павялічыць імпеданс. Выбар геаметрыі праводкі патрабуе аптымізацыі на аснове канкрэтных патрабаванняў да супраціўлення і частаты сігналу.

Дыэлектрычная пранікальнасць матэрыялаў для друкаваных плат таксама ўплывае на супраціў. Выбар матэрыялаў са стабільнымі дыэлектрычнымі ўласцівасцямі з'яўляецца часткай кантролю імпедансу. У высокачашчынных і высакахуткасных прылажэннях звычайна выкарыстоўваюцца матэрыялы: FR-4 (арміраваная шкловалакном пліта), PTFE (политетрафторэтилен) і ВЧ (радыёчастотны) ламінат.

Перад распрацоўкай друкаванай платы выкарыстанне інструментаў мадэлявання і праектавання можа дапамагчы распрацоўнікам хутка і дакладна праверыць і аптымізаваць імпеданс. Гэтыя інструменты могуць мадэляваць паводзіны ланцуга, страты пры перадачы сігналу і электрамагнітныя ўзаемадзеянні для вызначэння аптымальных параметраў праектавання друкаванай платы. Некаторыя распаўсюджаныя інструменты мадэлявання ўключаюць CST Studio Suite, HyperLynx і ADS.

Кіраванне імпедансам друкаванай платы гуляе вырашальную ролю ў высакахуткасных лічбавых і аналагавых схемах. За кошт разумнай іерархічнай канструкцыі, выкарыстання дыферэнцыяльных ліній перадачы сігналу, кантролю геаметрыі праводкі, выбару адпаведных матэрыялаў друкаванай платы і выкарыстання інструментаў мадэлявання і праектавання можна дасягнуць дакладнага кантролю імпедансу, тым самым паляпшаючы прадукцыйнасць схемы і цэласнасць сігналу.