Mis on impedantsi juhtimine ja kuidas teostada impedantsi juhtimist PCBdel

Kaasaegsete elektroonikaseadmete disainis mängivad PCB-d üliolulist rolli. PCB-de jõudlus mõjutab otseselt kogu elektroonilise süsteemi stabiilsust, töökindlust ja edastustõhusust. Nende hulgas on impedantsi juhtimine PCB disaini oluline osa. Kuna kaasaegsetel digiskeemidel on lühemad signaaliedastusajad ja kõrgem taktsagedus, ei ole PCB jäljed enam lihtsad ühendused, vaid vastavalt ülekandeliinid. PCB impedantsi juhtimine viitab PCB-l olevate signaalide edastuskiiruse ja impedantsi sobitamise juhtimisele, et tagada signaali edastamise kvaliteet ja stabiilsus.

Praktilistes olukordades on vaja jälgida impedantsi, kui digitaalne piirkiirus on suurem kui 1 ns või analoogsagedus ületab 300 MHz. PCB jälje üks põhiparameetreid on selle iseloomulik impedants (st pinge ja voolu suhe, kui laine edastatakse mööda signaali ülekandeliini). PCBde juhtmete iseloomulik impedants on PCB disaini oluline näitaja. Eriti kõrge sagedusega PCB konstruktsiooni puhul on vaja kaaluda, kas traadi iseloomulik takistus on kooskõlas seadme või signaali nõutava iseloomuliku impedantsiga või vastab sellele. See hõlmab kahte kontseptsiooni: impedantsi juhtimine ja impedantsi sobitamine. See artikkel keskendub impedantsi juhtimise ja virnakujunduse probleemidele.

PCB juhtides edastatakse erinevaid signaale. Selle edastuskiiruse parandamiseks tuleb selle sagedust suurendada. Ahela enda impedantsi väärtus varieerub selliste tegurite tõttu nagu söövitus, kihi paksus ja juhtme laius jne, mis põhjustab signaali moonutusi. Seetõttu tuleks kiirete PCB-de juhtide impedantsi väärtust juhtida teatud vahemikus, mida nimetatakse "impedantsi juhtimiseks".

PCB jälgede impedants määratakse nende induktiivse ja mahtuvusliku induktiivsuse, takistuse ja juhtivuse koefitsiendiga. PCB juhtmestiku impedantsi mõjutavad tegurid hõlmavad peamiselt vasktraadi laiust ja paksust, söötme dielektrilist konstanti ja paksust, jootepadja paksust, maandusjuhtme teekonda ja juhtmestikku ümber juhtmestiku, jne PCB impedantsi vahemik on 25 kuni 120 oomi.

Praktikas koosnevad PCB ülekandeliinid tavaliselt juhtmejäljest, ühest või mitmest võrdluskihist ja isolatsioonimaterjalidest. Jälg ja kiht moodustavad juhtimistakistuse. PCB-d kasutavad sageli mitmekihilisi struktuure ja impedantsi juhtimist saab samuti konstrueerida mitmel viisil. Kuid sõltumata kasutatavast meetodist määrab impedantsi väärtuse selle füüsiline struktuur ja isolatsioonimaterjali elektroonilised omadused:

Mikroriba on juhtmeriba, mis viitab ülekandeliinile, mille ainult ühel küljel on võrdlustasapind. Ülemine ja küljed on avatud õhule (või kaetakse) ja asuvad isolatsioonikonstantse Er PCB pinnal, võrdluseks toite- või maanduskiht. Nagu on näidatud järgmisel joonisel:

Märkus. Tegeliku PCB tootmise puhul katab trükkplaatide tehas PCB pinnale tavaliselt rohelise tindi kihi. Seetõttu kasutatakse tegeliku impedantsi arvutustes pinna mikroriba joonte jaoks tavaliselt järgmisel joonisel näidatud mudelit.

Ribaliin on traadiriba, mis asetatakse kahe võrdlustasandi vahele, nagu on näidatud järgmisel joonisel. H1 ja H2 tähistatud dielektriku dielektrilised konstandid võivad olla erinevad.

Ülaltoodud 2 juhtumit on vaid tüüpiline mikroribade ja ribaliinide demonstratsioon, mida tavaliselt kasutatakse manustatud IoT intelligentse riistvara ja muude süsteemide õppimiseks. Seal on palju spetsiifilisi mikroriba- ja ribaliine, näiteks kaetud mikroriba, mis on seotud PCBde spetsiifilise virnastusstruktuuriga.

Iseloomuliku impedantsi arvutamiseks kasutatav võrrand nõuab keerulisi matemaatilisi arvutusi, kasutades tavaliselt väljalahendusmeetodeid, sealhulgas piirielementide analüüsi. Seega, kasutades spetsiaalset impedantsi arvutamise tarkvara SI9000, on meil vaja ainult juhtida iseloomuliku impedantsi parameetreid:

Isolatsioonikihi dielektriline konstant Er, juhtmestiku laius W1 ja W2 (trapetsikujuline), juhtmestiku paksus T ja isolatsioonikihi paksus H.

W – projekteeritud joone laius

A – söövituskadu (vt ülaltoodud tabelit)

Liini üla- ja alaosa ebaühtlase laiuse põhjuseks on see, et PCBde tootmisprotsessi käigus toimub korrosioon ülalt alla, mille tulemuseks on korrodeerunud joone trapetsikujuline kuju.

Joone paksuse T ja selle kihi vase paksuse vahel on vastav seos:

* Jootemaski paksuse väikese mõju tõttu impedantsile eeldatakse, et see on konstantne väärtus 0,5 milj.

Neid parameetreid kontrollides saame saavutada impedantsi juhtimise. Võttes näitena Anwei alumise PCB, selgitame impedantsi juhtimise ja SI9000 kasutamise etappe:

Teine kiht on alustasand, viies kiht on võimsustasand ja ülejäänud kihid on signaalikihid.

Selgitus: vahekihtide vaheline dielektrik on FR-4, dielektrilise konstandiga 4,2; Ülemine ja alumine kiht on tühjad kihid, mis puutuvad otse õhuga kokku ja õhu dielektriline konstant on 1.

PCB-de disainerid saavad impedantsi juhtimise saavutamiseks täielikult ära kasutada PCB-de hierarhilist struktuuri. Erinevate signaalikihtide paigutamisega erinevatesse kihtide positsioonidesse saab kihtidevahelist mahtuvust ja induktiivsust tõhusalt juhtida. Üldiselt kasutatakse sisekihis suure impedantsiga materjale ja väliskihis madala impedantsiga materjale, et vähendada peegelduse ja läbirääkimise mõju.

Diferentsiaalsignaali ülekandeliinid võivad pakkuda paremat häiretevastast võimet ja väiksemat ülekõnede riski. Diferentsiaalsignaali ülekandeliinid on paralleelsete juhtmete paar, millel on vastupidine pinge, kuid sama suurus, mis tagab parema signaali terviklikkuse ja häiretevastase võime. Diferentsiaalsignaali ülekandeliinide impedantsi juhitakse tavaliselt liinivahe, laiuse ja aluspinna valikuga.

Takistuse juhtimiseks saab kasutada ka geomeetrilisi parameetreid, nagu PCB joone laius, vahekaugus ja paigutus. Tavaliste mikroribajoonte puhul võivad jämedam joone laius ja suurem vahekaugus vähendada impedantsi. Koaksiaalliinide puhul võivad liinide väiksemad siseläbimõõdud ja suuremad välisjoone raadiused suurendada impedantsi. Juhtmete geomeetria valik nõuab optimeerimist, lähtudes konkreetsetest impedantsinõuetest ja signaali sagedusest.

PCB materjalide dielektriline konstant mõjutab ka impedantsi. Stabiilsete dielektriliste omadustega materjalide valimine on osa impedantsi juhtimisest. Kõrgsageduslikes ja kiiretes rakendustes on tavaliselt kasutatavad materjalid FR-4 (klaaskiuga tugevdatud plaat), PTFE (polütetrafluoroetüleen) ja RF (raadiosagedus) laminaadid.

Enne PCB projekteerimist võib simulatsiooni- ja projekteerimistööriistade kasutamine aidata disaineritel impedantsi kiiresti ja täpselt kontrollida ja optimeerida. Need tööriistad võivad simuleerida vooluahela käitumist, signaali edastuskadusid ja elektromagnetilisi interaktsioone, et määrata kindlaks optimaalsed PCB konstruktsiooniparameetrid. Mõned levinumad simulatsioonitööriistad on CST Studio Suite, HyperLynx ja ADS.

PCB impedantsi juhtimine mängib ülikiiretes digitaal- ja analoogahelates üliolulist rolli. Mõistliku hierarhilise disaini, diferentsiaalsignaali ülekandeliinide kasutamise, juhtmestiku geomeetria juhtimise, sobivate PCB materjalide valimise ning simulatsiooni- ja projekteerimisvahendite kasutamise abil on võimalik saavutada täpne impedantsi juhtimine, parandades sellega vooluahela jõudlust ja signaali terviklikkust.