Apa itu pengendalian impedansi dan bagaimana melakukan pengendalian impedansi pada PCB

Dalam desain perangkat elektronik modern, PCB memainkan peran penting. Kinerja PCB secara langsung mempengaruhi stabilitas, keandalan, dan efisiensi transmisi seluruh sistem elektronik. Diantaranya, kontrol impedansi merupakan bagian penting dari desain PCB. Karena sirkuit digital modern memiliki waktu transmisi sinyal yang lebih pendek dan kecepatan clock yang lebih tinggi, jejak PCB bukan lagi sambungan sederhana, melainkan jalur transmisi. Kontrol impedansi PCB mengacu pada pengendalian kecepatan transmisi dan pencocokan impedansi sinyal pada PCB untuk memastikan kualitas dan stabilitas transmisi sinyal.

Dalam situasi praktis, penting untuk mengontrol impedansi jejak ketika kecepatan marjinal digital lebih tinggi dari 1ns atau frekuensi analog melebihi 300MHz. Salah satu parameter utama jejak PCB adalah impedansi karakteristiknya (yaitu rasio tegangan terhadap arus ketika gelombang ditransmisikan sepanjang saluran transmisi sinyal). Impedansi karakteristik kabel pada PCB merupakan indikator penting dari desain PCB. Khususnya dalam desain PCB frekuensi tinggi, penting untuk mempertimbangkan apakah impedansi karakteristik kabel konsisten atau cocok dengan impedansi karakteristik yang diperlukan perangkat atau sinyal. Ini melibatkan 2 konsep: kontrol impedansi dan pencocokan impedansi. Artikel ini berfokus pada masalah kontrol impedansi dan desain tumpukan.

Ada berbagai sinyal yang dikirimkan dalam konduktor PCB. Untuk meningkatkan laju transmisinya, frekuensinya harus ditingkatkan. Nilai impedansi rangkaian itu sendiri bervariasi karena faktor-faktor seperti etsa, ketebalan lapisan dan lebar kawat, dll., yang menyebabkan distorsi sinyal. Oleh karena itu, nilai impedansi konduktor pada PCB berkecepatan tinggi harus dikontrol dalam kisaran tertentu, yang disebut "kontrol impedansi".

Impedansi jejak PCB ditentukan oleh induktansi induktif dan kapasitif, resistansi dan koefisien konduktivitasnya. Faktor-faktor yang mempengaruhi impedansi kabel PCB terutama meliputi lebar dan tebal kabel tembaga, konstanta dielektrik dan ketebalan medium, ketebalan bantalan solder, jalur kabel ground, dan kabel di sekitar kabel, dll. Kisaran impedansi PCB adalah 25 hingga 120 ohm.

Dalam praktiknya, jalur transmisi PCB biasanya terdiri dari jejak kawat, satu atau lebih lapisan referensi, dan bahan insulasi. Jejak dan lapisan merupakan impedansi kontrol. PCB sering kali mengadopsi struktur multi-lapisan, dan kontrol impedansi juga dapat dibuat dengan berbagai cara. Namun, apapun metode yang digunakan, nilai impedansi akan ditentukan oleh struktur fisik dan sifat elektronik bahan isolasi:

Mikrostrip adalah potongan kawat yang mengacu pada saluran transmisi yang hanya satu sisinya yang mempunyai bidang acuan. Bagian atas dan samping terkena udara (atau dilapisi) dan terletak pada permukaan PCB Er konstan isolasi, dengan lapisan daya atau tanah sebagai referensi. Seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut:

Catatan: Dalam pembuatan PCB sebenarnya, pabrik PCB biasanya melapisi lapisan tinta hijau pada permukaan PCB. Oleh karena itu, dalam perhitungan impedansi sebenarnya, model yang ditunjukkan pada gambar berikut biasanya digunakan untuk jalur mikrostrip permukaan.

Stripline adalah potongan kawat yang ditempatkan di antara 2 bidang acuan, seperti terlihat pada gambar berikut. Konstanta dielektrik dielektrik yang diwakili oleh H1 dan H2 bisa berbeda.

2 kasus di atas hanyalah demonstrasi tipikal mikrostrip dan stripline, biasanya digunakan untuk pembelajaran perangkat keras cerdas IoT yang tertanam dan sistem lainnya. Ada banyak jenis mikrostrip dan garis strip tertentu, seperti mikrostrip berlapis, yang terkait dengan struktur susunan PCB tertentu.

Persamaan yang digunakan untuk menghitung impedansi karakteristik memerlukan perhitungan matematis yang rumit, biasanya menggunakan metode penyelesaian lapangan, termasuk analisis elemen batas. Oleh karena itu, dengan menggunakan perangkat lunak penghitungan impedansi khusus SI9000, yang perlu kita lakukan hanyalah mengontrol parameter impedansi karakteristik:

Konstanta dielektrik Er lapisan insulasi, lebar pengkabelan W1 dan W2 (trapesium), tebal pengkabelan T, dan tebal lapisan insulasi H.

W – lebar garis yang dirancang

A – kerugian etsa (lihat tabel di atas)

Alasan ketidaksesuaian lebar antara bagian atas dan bawah garis adalah karena selama proses pembuatan PCB, terjadi korosi dari atas ke bawah, yang mengakibatkan garis terkorosi berbentuk trapesium.

Ada hubungan yang sesuai antara ketebalan garis T dan ketebalan tembaga lapisan ini, sebagai berikut:

* Karena pengaruh kecil ketebalan masker solder terhadap impedansi, nilai ini diasumsikan konstan sebesar 0,5 mil.

Kita dapat mencapai pengendalian impedansi dengan mengendalikan parameter ini. Mengambil contoh PCB bawah Anwei, kami akan menjelaskan langkah-langkah kontrol impedansi dan penggunaan SI9000 :

Lapisan kedua adalah bidang dasar, lapisan kelima adalah bidang daya, dan lapisan sisanya adalah lapisan sinyal.

Penjelasan: Dielektrik antar lapisan tengah adalah FR-4, dengan konstanta dielektrik 4,2; Lapisan atas dan bawah merupakan lapisan telanjang yang bersentuhan langsung dengan udara, dan konstanta dielektrik udara adalah 1.

Perancang PCB dapat sepenuhnya memanfaatkan struktur hierarki PCB untuk mencapai kontrol impedansi. Dengan menempatkan lapisan sinyal yang berbeda pada posisi lapisan yang berbeda, kapasitansi dan induktansi antarlapis dapat dikontrol secara efektif. Secara umum, lapisan dalam menggunakan bahan impedansi tinggi dan lapisan luar menggunakan bahan impedansi rendah untuk mengurangi dampak pantulan dan crosstalk.

Jalur transmisi sinyal diferensial dapat memberikan kemampuan anti-interferensi yang lebih baik dan risiko crosstalk yang lebih rendah. Saluran transmisi sinyal diferensial adalah sepasang kabel paralel dengan tegangan berlawanan tetapi berukuran sama, yang dapat memberikan integritas sinyal dan kemampuan anti-interferensi yang lebih baik. Impedansi saluran transmisi sinyal diferensial biasanya dikendalikan oleh pemilihan jarak saluran, lebar dan bidang tanah.

Parameter geometris seperti lebar garis PCB, jarak dan tata letak juga dapat digunakan untuk mengontrol impedansi. Untuk jalur mikrostrip umum, lebar garis yang lebih tebal dan jarak yang lebih besar dapat mengurangi impedansi. Untuk saluran koaksial, diameter saluran dalam yang lebih kecil dan jari-jari saluran luar yang lebih besar dapat meningkatkan impedansi. Pemilihan geometri pengkabelan memerlukan optimasi berdasarkan persyaratan impedansi tertentu dan frekuensi sinyal.

Konstanta dielektrik bahan PCB juga mempengaruhi impedansi. Memilih bahan dengan sifat dielektrik yang stabil adalah bagian dari pengendalian impedansi. Dalam aplikasi frekuensi tinggi dan kecepatan tinggi, bahan yang umum digunakan termasuk FR-4 (papan yang diperkuat serat kaca), laminasi PTFE (polytetrafluoroethylene), dan RF (frekuensi radio).

Sebelum mendesain PCB, menggunakan alat simulasi dan desain dapat membantu desainer memverifikasi dan mengoptimalkan impedansi dengan cepat dan akurat. Alat-alat ini dapat mensimulasikan perilaku rangkaian, kehilangan transmisi sinyal, dan interaksi elektromagnetik untuk menentukan parameter desain PCB yang optimal. Beberapa alat simulasi umum termasuk CST Studio Suite, HyperLynx dan ADS.

Kontrol impedansi PCB memainkan peran penting dalam rangkaian digital dan analog berkecepatan tinggi. Melalui desain hierarki yang masuk akal, penggunaan jalur transmisi sinyal diferensial, kontrol geometri kabel, pemilihan bahan PCB yang sesuai, dan penggunaan alat simulasi dan desain, kontrol impedansi yang tepat dapat dicapai, sehingga meningkatkan kinerja sirkuit dan integritas sinyal.