¿Qué es el control de impedancia y cómo realizar el control de impedancia en PCB?

En el diseño de dispositivos electrónicos modernos, los PCB desempeñan un papel crucial. El rendimiento de los PCB afecta directamente la estabilidad, confiabilidad y eficiencia de transmisión de todo el sistema electrónico. Entre ellos, el control de impedancia es una parte importante del diseño de PCB. Dado que los circuitos digitales modernos tienen tiempos de transmisión de señal más cortos y velocidades de reloj más altas, las trazas de PCB ya no son simples conexiones, sino líneas de transmisión. El control de impedancia de la PCB se refiere al control de la velocidad de transmisión y la adaptación de impedancia de las señales en la PCB para garantizar la calidad y estabilidad de la transmisión de la señal.

En situaciones prácticas, es necesario controlar la impedancia de traza cuando la velocidad marginal digital es superior a 1 ns o la frecuencia analógica supera los 300 MHz. Uno de los parámetros clave de la traza de PCB es su impedancia característica (es decir, la relación entre voltaje y corriente cuando la onda se transmite a lo largo de la línea de transmisión de señal). La impedancia característica de los cables en las PCB es un indicador importante del diseño de la PCB. Especialmente en el diseño de PCB de alta frecuencia, es necesario considerar si la impedancia característica del cable es consistente o coincide con la impedancia característica requerida del dispositivo o señal. Esto implica 2 conceptos: control de impedancia y adaptación de impedancia. Este artículo se centra en las cuestiones del control de impedancia y el diseño de la pila.

Hay varias señales transmitidas en los conductores de la PCB. Para mejorar su velocidad de transmisión, se debe aumentar su frecuencia. El valor de impedancia del circuito en sí varía debido a factores como el grabado, el espesor de la capa y el ancho del cable, etc., lo que provoca distorsión de la señal. Por lo tanto, el valor de impedancia de los conductores en PCB de alta velocidad debe controlarse dentro de un cierto rango, lo que se denomina "control de impedancia".

La impedancia de las trazas de PCB está determinada por su inductancia, resistencia y coeficiente de conductividad inductivos y capacitivos. Los factores que afectan la impedancia del cableado de PCB incluyen principalmente el ancho y el grosor del cable de cobre, la constante dieléctrica y el grosor del medio, el grosor de la almohadilla de soldadura, la trayectoria del cable de tierra y el cableado alrededor del cableado. etc. El rango de impedancia de la PCB es de 25 a 120 ohmios.

En la práctica, las líneas de transmisión de PCB suelen consistir en una traza de cable, una o más capas de referencia y materiales aislantes. La traza y la capa constituyen la impedancia de control. Los PCB suelen adoptar estructuras multicapa y el control de impedancia también se puede construir de varias maneras. Sin embargo, independientemente del método utilizado, el valor de la impedancia vendrá determinado por su estructura física y las propiedades electrónicas del material aislante:

Una microcinta es una tira de cable que se refiere a una línea de transmisión con un solo lado que tiene un plano de referencia. La parte superior y los lados están expuestos al aire (o revestidos) y están ubicados en la superficie de una PCB Er de aislamiento constante, con la capa de alimentación o de tierra como referencia. Como se muestra en la siguiente figura:

Nota: En la fabricación real de PCB, la fábrica de PCB generalmente recubre una capa de tinta verde en la superficie de la PCB. Por lo tanto, en los cálculos de impedancia reales, el modelo que se muestra en la siguiente figura generalmente se usa para líneas de microcinta de superficie.

Una línea de corte es una tira de cable colocada entre dos planos de referencia, como se muestra en la siguiente figura. Las constantes dieléctricas del dieléctrico representado por H1 y H2 pueden ser diferentes.

Los 2 casos anteriores son solo una demostración típica de microstrip y striplines, generalmente utilizados para el aprendizaje de hardware inteligente IoT integrado y otros sistemas. Hay muchos tipos específicos de microstrip y striplines, como los microstrip revestidos, que están relacionados con la estructura de apilamiento específica de los PCB.

La ecuación utilizada para calcular la impedancia característica requiere cálculos matemáticos complejos, generalmente utilizando métodos de resolución de campo, incluido el análisis de elementos límite. Por lo tanto, al utilizar el software especializado de cálculo de impedancia SI9000, todo lo que necesitamos hacer es controlar los parámetros de impedancia característica:

La constante dieléctrica Er de la capa de aislamiento, el ancho del cableado W1 y W2 (trapezoidal), el espesor del cableado T y el espesor de la capa de aislamiento H.

W – ancho de línea diseñado

A – pérdida de grabado (consulte la tabla anterior)

La razón del ancho inconsistente entre la parte superior e inferior de la línea es que durante el proceso de fabricación de PCB, la corrosión ocurre de arriba a abajo, lo que resulta en una forma trapezoidal de la línea corroída.

Existe una relación correspondiente entre el espesor de la línea T y el espesor de cobre de esta capa, como sigue:

* Debido a la pequeña influencia del espesor de la máscara de soldadura en la impedancia, se supone que es un valor constante de 0,5 mil.

Podemos lograr el control de la impedancia controlando estos parámetros. Tomando como ejemplo la PCB inferior de Anwei, explicaremos los pasos del control de impedancia y el uso de SI9000:

La segunda capa es el plano de tierra, la quinta capa es el plano de potencia y las capas restantes son las capas de señal.

Explicación: El dieléctrico entre las capas intermedias es FR-4, con una constante dieléctrica de 4,2; Las capas superior e inferior son capas desnudas que entran en contacto directo con el aire y la constante dieléctrica del aire es 1.

Los diseñadores de PCB pueden utilizar plenamente la estructura jerárquica de los PCB para lograr el control de impedancia. Al colocar diferentes capas de señal en diferentes posiciones de capa, la capacitancia y la inductancia entre capas se pueden controlar de manera efectiva. En términos generales, la capa interior utiliza materiales de alta impedancia y la capa exterior utiliza materiales de baja impedancia para reducir el impacto de la reflexión y la diafonía.

Las líneas de transmisión de señal diferencial pueden proporcionar una mejor capacidad antiinterferencia y un menor riesgo de diafonía. Las líneas de transmisión de señal diferencial son un par de cables paralelos con voltajes opuestos pero de tamaños iguales, lo que puede proporcionar una mejor integridad de la señal y capacidad antiinterferente. La impedancia de las líneas de transmisión de señales diferenciales generalmente se controla mediante la selección del espacio entre líneas, el ancho y el plano de tierra.

Los parámetros geométricos como el ancho de línea, el espaciado y el diseño de la PCB también se pueden utilizar para controlar la impedancia. Para líneas de microcinta comunes, un ancho de línea más grueso y un espaciado mayor pueden reducir la impedancia. Para líneas coaxiales, los diámetros internos más pequeños y los radios exteriores más grandes pueden aumentar la impedancia. La selección de la geometría del cableado requiere una optimización basada en requisitos de impedancia específicos y frecuencia de la señal.

La constante dieléctrica de los materiales de PCB también afecta la impedancia. La elección de materiales con propiedades dieléctricas estables es parte del control de impedancia. En aplicaciones de alta frecuencia y alta velocidad, los materiales comúnmente utilizados incluyen laminados FR-4 (tablero reforzado con fibra de vidrio), PTFE (politetrafluoroetileno) y RF (radiofrecuencia).

Antes del diseño de PCB, el uso de herramientas de diseño y simulación puede ayudar a los diseñadores a verificar y optimizar la impedancia de manera rápida y precisa. Estas herramientas pueden simular el comportamiento de los circuitos, las pérdidas de transmisión de señales y las interacciones electromagnéticas para determinar los parámetros óptimos de diseño de PCB. Algunas herramientas de simulación comunes incluyen CST Studio Suite, HyperLynx y ADS.

El control de impedancia de PCB juega un papel crucial en los circuitos analógicos y digitales de alta velocidad. Mediante un diseño jerárquico razonable, el uso de líneas de transmisión de señales diferenciales, el control de la geometría del cableado, la selección de materiales de PCB apropiados y el uso de herramientas de simulación y diseño, se puede lograr un control preciso de la impedancia, mejorando así el rendimiento del circuito y la integridad de la señal.