Co je řízení impedance a jak provádět řízení impedance na deskách plošných spojů

Při návrhu moderních elektronických zařízení hrají desky plošných spojů zásadní roli. Výkon desek plošných spojů přímo ovlivňuje stabilitu, spolehlivost a účinnost přenosu celého elektronického systému. Mezi nimi je důležitou součástí návrhu PCB řízení impedance. Vzhledem k tomu, že moderní digitální obvody mají kratší časy přenosu signálu a vyšší takt, nejsou stopy PCB již jednoduchým spojením, ale odpovídajícím způsobem přenosovými linkami. Řízení impedance PCB se týká řízení přenosové rychlosti a impedančního přizpůsobení signálů na desce plošných spojů pro zajištění kvality a stability přenosu signálu.

V praktických situacích je nutné řídit impedanci stopy, když je digitální mezní rychlost vyšší než 1ns nebo analogová frekvence přesahuje 300 MHz. Jedním z klíčových parametrů stopy PCB je její charakteristická impedance (tj. poměr napětí k proudu při přenosu vlny po vedení přenosu signálu). Charakteristická impedance vodičů na DPS je důležitým ukazatelem návrhu DPS. Zejména při návrhu vysokofrekvenční desky plošných spojů je nutné zvážit, zda charakteristická impedance vodiče odpovídá nebo odpovídá požadované charakteristické impedanci zařízení nebo signálu. To zahrnuje 2 koncepty: řízení impedance a přizpůsobení impedance. Tento článek se zaměřuje na problematiku řízení impedance a návrhu zásobníku.

Ve vodičích PCB jsou přenášeny různé signály. Aby se zlepšila jeho přenosová rychlost, musí se zvýšit jeho frekvence. Hodnota impedance samotného obvodu se mění v důsledku faktorů, jako je leptání, tloušťka vrstvy a šířka drátu atd., což způsobuje zkreslení signálu. Proto by hodnota impedance vodičů na vysokorychlostních deskách plošných spojů měla být řízena v určitém rozsahu, kterému se říká „impedanční řízení“.

Impedance desek plošných spojů je dána jejich indukční a kapacitní indukčností, odporem a koeficientem vodivosti. Mezi faktory, které ovlivňují impedanci PCB vedení, patří především šířka a tloušťka měděného drátu, dielektrická konstanta a tloušťka média, tloušťka pájecí plošky, dráha zemnícího drátu a vedení kolem vedení, atd. Rozsah impedance DPS je 25 až 120 ohmů.

V praxi se přenosové linky PCB obvykle skládají z vedení drátu, jedné nebo více referenčních vrstev a izolačních materiálů. Stopa a vrstva tvoří řídicí impedanci. DPS často přijímají vícevrstvé struktury a řízení impedance lze také konstruovat různými způsoby. Bez ohledu na použitou metodu však bude hodnota impedance určena její fyzikální strukturou a elektronickými vlastnostmi izolačního materiálu:

Mikropásek je proužek drátu, který se vztahuje k přenosovému vedení, jehož pouze jedna strana má referenční rovinu. Horní a boční strany jsou vystaveny vzduchu (nebo jsou potaženy) a jsou umístěny na povrchu desky Er PCB s izolační konstantou, přičemž jako referenční je napájecí nebo zemní vrstva. Jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Poznámka: Při skutečné výrobě PCB továrna na PCB obvykle potahuje vrstvu zeleného inkoustu na povrch PCB. Při skutečných výpočtech impedance se proto pro povrchová mikropásková vedení obvykle používá model znázorněný na následujícím obrázku.

Páskové vedení je pás drátu umístěný mezi 2 referenčními rovinami, jak je znázorněno na následujícím obrázku. Dielektrické konstanty dielektrika reprezentovaného H1 a H2 mohou být různé.

Výše uvedené 2 případy jsou pouze typickou ukázkou mikropáskových a páskových linek, které se obvykle používají pro učení integrovaného inteligentního hardwaru IoT a dalších systémů. Existuje mnoho specifických typů mikropásků a páskových linek, jako je potažený mikropásek, které souvisí se specifickou strukturou vrstvení PCB.

Rovnice použitá pro výpočet charakteristické impedance vyžaduje složité matematické výpočty, obvykle za použití metod řešení pole, včetně analýzy hraničních prvků. S použitím specializovaného softwaru pro výpočet impedance SI9000 tedy vše, co musíme udělat, je ovládat parametry charakteristické impedance:

Dielektrická konstanta Er izolační vrstvy, šířka vodiče W1 a W2 (lichoběžníkový), tloušťka vodiče T a tloušťka izolační vrstvy H.

W – navržená šířka čáry

A – ztráta leptání (viz tabulka výše)

Důvodem nekonzistentní šířky mezi horní a spodní částí linky je to, že během výrobního procesu DPS dochází ke korozi shora dolů, což má za následek lichoběžníkový tvar zkorodované linie.

Mezi tloušťkou čáry T a tloušťkou mědi této vrstvy existuje odpovídající vztah, a to následovně:

* Vzhledem k malému vlivu tloušťky pájecí masky na impedanci se předpokládá konstantní hodnota 0,5mil.

Řízením těchto parametrů můžeme dosáhnout řízení impedance. Vezmeme-li jako příklad spodní desku plošných spojů Anwei, vysvětlíme kroky řízení impedance a použití SI9000:

Druhá vrstva je základní rovina, pátá vrstva je napájecí rovina a zbývající vrstvy jsou signálové vrstvy.

Vysvětlení: Dielektrikum mezi mezivrstvami je FR-4 s dielektrickou konstantou 4,2; Horní a spodní vrstva jsou holé vrstvy, které přicházejí do přímého kontaktu se vzduchem a dielektrická konstanta vzduchu je 1.

Návrháři desek plošných spojů mohou plně využít hierarchickou strukturu desek plošných spojů k dosažení řízení impedance. Umístěním různých signálových vrstev do různých poloh vrstev lze účinně řídit mezivrstvovou kapacitu a indukčnost. Obecně řečeno, vnitřní vrstva používá materiály s vysokou impedancí a vnější vrstva používá materiály s nízkou impedancí, aby se snížil dopad odrazů a přeslechů.

Přenosové vedení diferenciálního signálu může poskytnout lepší schopnost proti rušení a nižší riziko přeslechů. Přenosové vedení diferenciálního signálu je pár paralelních vodičů s opačným napětím, ale stejnými velikostmi, což může zajistit lepší integritu signálu a schopnost proti rušení. Impedance vedení pro přenos diferenciálního signálu je obvykle řízena výběrem rozteče vedení, šířky a zemní plochy.

Ke kontrole impedance lze také použít geometrické parametry, jako je šířka čáry PCB, rozteč a rozložení. U běžných mikropáskových vedení může větší šířka vedení a větší rozestupy snížit impedanci. U koaxiálních vedení mohou menší vnitřní průměry vedení a větší vnější poloměry vedení zvýšit impedanci. Výběr geometrie vedení vyžaduje optimalizaci na základě specifických požadavků na impedanci a frekvenci signálu.

Dielektrická konstanta materiálů PCB také ovlivňuje impedanci. Volba materiálů se stabilními dielektrickými vlastnostmi je součástí řízení impedance. Ve vysokofrekvenčních a vysokorychlostních aplikacích běžně používané materiály zahrnují lamináty FR-4 (deska vyztužená skleněnými vlákny), PTFE (polytetrafluorethylen) a RF (radiofrekvenční).

Před návrhem PCB může použití simulačních a návrhových nástrojů pomoci návrhářům rychle a přesně ověřit a optimalizovat impedanci. Tyto nástroje dokážou simulovat chování obvodů, ztráty přenosu signálu a elektromagnetické interakce pro určení optimálních parametrů návrhu PCB. Některé běžné simulační nástroje zahrnují CST Studio Suite, HyperLynx a ADS.

Řízení impedance PCB hraje klíčovou roli ve vysokorychlostních digitálních a analogových obvodech. Prostřednictvím rozumného hierarchického návrhu, použití přenosových vedení diferenciálního signálu, řízení geometrie vedení, výběru vhodných materiálů PCB a použití nástrojů pro simulaci a návrh lze dosáhnout přesné kontroly impedance, čímž se zlepší výkon obvodu a integrita signálu.