Co to jest kontrola impedancji i jak przeprowadzić kontrolę impedancji na płytkach PCB

W projektowaniu nowoczesnych urządzeń elektronicznych PCB odgrywają kluczową rolę. Wydajność płytek PCB wpływa bezpośrednio na stabilność, niezawodność i wydajność transmisji całego układu elektronicznego. Wśród nich kontrola impedancji jest ważną częścią projektowania PCB. Ponieważ nowoczesne obwody cyfrowe mają krótsze czasy transmisji sygnału i wyższe częstotliwości taktowania, ścieżki PCB nie są już prostymi połączeniami, ale odpowiednio liniami transmisyjnymi. Kontrola impedancji PCB odnosi się do kontrolowania prędkości transmisji i dopasowania impedancji sygnałów na PCB w celu zapewnienia jakości i stabilności transmisji sygnału.

W praktycznych sytuacjach konieczna jest kontrola impedancji ścieżki, gdy cyfrowa prędkość krańcowa jest większa niż 1 ns lub częstotliwość analogowa przekracza 300 MHz. Jednym z kluczowych parametrów ścieżki PCB jest jej impedancja charakterystyczna (tj. stosunek napięcia do prądu podczas przesyłania fali wzdłuż linii przesyłu sygnału). Impedancja charakterystyczna przewodów na płytkach PCB jest ważnym wskaźnikiem konstrukcji PCB. Szczególnie w przypadku projektowania płytek PCB o wysokiej częstotliwości należy wziąć pod uwagę, czy impedancja charakterystyczna przewodu jest zgodna z wymaganą impedancją charakterystyczną urządzenia lub sygnału lub pasuje do niej. Obejmuje to dwie koncepcje: kontrolę impedancji i dopasowanie impedancji. W artykule skupiono się na zagadnieniach kontroli impedancji i konstrukcji stosu.

W przewodnikach płytki PCB przesyłane są różne sygnały. Aby poprawić szybkość transmisji, należy zwiększyć jego częstotliwość. Wartość impedancji samego obwodu zmienia się w zależności od czynników takich jak trawienie, grubość warstwy i szerokość drutu itp., powodując zniekształcenie sygnału. Dlatego wartość impedancji przewodów na szybkich płytkach drukowanych powinna być kontrolowana w pewnym zakresie, który nazywa się „kontrolą impedancji”.

Impedancję ścieżek PCB określa się na podstawie ich indukcyjności i pojemności, rezystancji oraz współczynnika przewodności. Czynniki wpływające na impedancję okablowania PCB obejmują głównie szerokość i grubość drutu miedzianego, stałą dielektryczną i grubość medium, grubość pola lutowniczego, ścieżkę przewodu uziemiającego oraz okablowanie wokół okablowania, itp. Zakres impedancji PCB wynosi od 25 do 120 omów.

W praktyce linie przesyłowe PCB zazwyczaj składają się ze ścieżki drutu, jednej lub więcej warstw odniesienia i materiałów izolacyjnych. Ślad i warstwa stanowią impedancję sterującą. PCB często przyjmują struktury wielowarstwowe, a kontrolę impedancji można również konstruować na różne sposoby. Niezależnie jednak od zastosowanej metody wartość impedancji zostanie określona na podstawie jej struktury fizycznej i właściwości elektronicznych materiału izolacyjnego:

Mikropasek to pasek drutu, który odnosi się do linii przesyłowej, w której tylko jedna strona ma płaszczyznę odniesienia. Górna część i boki są wystawione na działanie powietrza (lub pokryte powłoką) i znajdują się na powierzchni płytki PCB o stałej izolacji Er, z warstwą zasilania lub uziemienia jako odniesienie. Jak pokazano na poniższym rysunku:

Uwaga: Podczas faktycznej produkcji płytek PCB fabryka PCB zwykle pokrywa powierzchnię płytki PCB warstwą zielonego atramentu. Dlatego w rzeczywistych obliczeniach impedancji model pokazany na poniższym rysunku jest zwykle używany do powierzchniowych linii mikropaskowych.

Linia paskowa to pasek drutu umieszczony pomiędzy dwiema płaszczyznami odniesienia, jak pokazano na poniższym rysunku. Stałe dielektryczne dielektryka reprezentowanego przez H1 i H2 mogą być różne.

Powyższe 2 przypadki to typowa demonstracja mikropasków i linii paskowych, zwykle używanych do uczenia się wbudowanego inteligentnego sprzętu IoT i innych systemów. Istnieje wiele specyficznych typów mikropasków i linii paskowych, takich jak powlekane mikropaski, które są związane ze specyficzną strukturą układania płytek PCB.

Równanie użyte do obliczenia impedancji charakterystycznej wymaga skomplikowanych obliczeń matematycznych, zwykle z wykorzystaniem metod rozwiązywania pól, w tym analizy elementów brzegowych. Dlatego korzystając ze specjalistycznego programu do obliczania impedancji SI9000 wystarczy kontrolować parametry impedancji charakterystycznej:

Stała dielektryczna Er warstwy izolacyjnej, szerokość przewodu W1 i W2 (trapezoidalny), grubość przewodu T i grubość warstwy izolacyjnej H.

W – projektowana szerokość linii

A – ubytek trawienia (patrz tabela powyżej)

Przyczyną nierównej szerokości pomiędzy górą i dołem linii jest to, że podczas procesu produkcji płytek PCB korozja zachodzi od góry do dołu, co skutkuje trapezoidalnym kształtem skorodowanej linii.

Istnieje odpowiednia zależność pomiędzy grubością linii T a grubością miedzi w tej warstwie, jak następuje:

* Ze względu na niewielki wpływ grubości maski lutowniczej na impedancję przyjmuje się, że jest to stała wartość 0,5 milicala.

Kontrolę impedancji możemy osiągnąć kontrolując te parametry. Biorąc za przykład dolną płytkę PCB Anwei, wyjaśnimy etapy kontroli impedancji i zastosowanie SI9000:

Druga warstwa to płaszczyzna uziemienia, piąta warstwa to płaszczyzna zasilania, a pozostałe warstwy to warstwy sygnału.

Objaśnienie: Dielektryk pomiędzy warstwami pośrednimi to FR-4, ze stałą dielektryczną 4,2; Górna i dolna warstwa to gołe warstwy, które mają bezpośredni kontakt z powietrzem, a stała dielektryczna powietrza wynosi 1.

Projektanci płytek PCB mogą w pełni wykorzystać hierarchiczną strukturę płytek PCB, aby uzyskać kontrolę impedancji. Umieszczając różne warstwy sygnału w różnych pozycjach warstw, można skutecznie kontrolować pojemność i indukcyjność międzywarstwową. Ogólnie rzecz biorąc, w warstwie wewnętrznej zastosowano materiały o wysokiej impedancji, a w warstwie zewnętrznej zastosowano materiały o niskiej impedancji, aby zmniejszyć wpływ odbić i przesłuchów.

Linie transmisji sygnału różnicowego mogą zapewnić lepszą zdolność przeciwzakłóceniową i mniejsze ryzyko przesłuchów. Linie transmisji sygnału różnicowego to para równoległych przewodów o przeciwnych napięciach, ale jednakowych rozmiarach, co może zapewnić lepszą integralność sygnału i zdolność przeciwzakłóceniową. Impedancja linii przesyłowych sygnału różnicowego jest zwykle kontrolowana poprzez dobór odstępu między liniami, szerokości i płaszczyzny uziemienia.

Do kontrolowania impedancji można również wykorzystać parametry geometryczne, takie jak szerokość linii PCB, odstępy i układ. W przypadku typowych linii mikropaskowych grubsza szerokość linii i większe odstępy mogą zmniejszyć impedancję. W przypadku linii koncentrycznych mniejsze średnice wewnętrzne i większe promienie linii zewnętrznych mogą zwiększać impedancję. Wybór geometrii okablowania wymaga optymalizacji w oparciu o określone wymagania dotyczące impedancji i częstotliwości sygnału.

Stała dielektryczna materiałów PCB wpływa również na impedancję. Wybór materiałów o stabilnych właściwościach dielektrycznych jest częścią kontroli impedancji. W zastosowaniach wymagających wysokiej częstotliwości i dużych prędkości powszechnie stosowane materiały obejmują laminaty FR-4 (płyta wzmocniona włóknem szklanym), PTFE (politetrafluoroetylen) i laminaty RF (o częstotliwości radiowej).

Przed zaprojektowaniem PCB użycie narzędzi do symulacji i projektowania może pomóc projektantom szybko i dokładnie zweryfikować i zoptymalizować impedancję. Narzędzia te mogą symulować zachowanie obwodów, straty w transmisji sygnału i interakcje elektromagnetyczne w celu określenia optymalnych parametrów projektu PCB. Niektóre popularne narzędzia symulacyjne obejmują CST Studio Suite, HyperLynx i ADS.

Kontrola impedancji PCB odgrywa kluczową rolę w szybkich obwodach cyfrowych i analogowych. Dzięki rozsądnemu projektowi hierarchicznemu, zastosowaniu różnicowych linii przesyłowych sygnału, kontroli geometrii okablowania, doborowi odpowiednich materiałów PCB oraz zastosowaniu narzędzi symulacyjnych i projektowych, można osiągnąć precyzyjną kontrolę impedancji, poprawiając w ten sposób wydajność obwodu i integralność sygnału.