Ce este controlul impedanței și cum se efectuează controlul impedanței pe PCB-uri

În proiectarea dispozitivelor electronice moderne, PCB-urile joacă un rol crucial. Performanța PCB-urilor afectează în mod direct stabilitatea, fiabilitatea și eficiența transmisiei întregului sistem electronic. Printre acestea, controlul impedanței este o parte importantă a designului PCB. Deoarece circuitele digitale moderne au timpi de transmisie a semnalului mai scurti și rate de ceas mai mari, urmele PCB nu mai sunt simple conexiuni, ci linii de transmisie în mod corespunzător. Controlul impedanței PCB se referă la controlul vitezei de transmisie și potrivirea impedanței semnalelor de pe PCB pentru a asigura calitatea și stabilitatea transmisiei semnalului.

În situații practice, este necesar să se controleze impedanța urmei atunci când viteza marginală digitală este mai mare de 1ns sau frecvența analogică depășește 300MHz. Unul dintre parametrii cheie ai urmăririi PCB este impedanța sa caracteristică (adică raportul dintre tensiune și curent atunci când unda este transmisă de-a lungul liniei de transmisie a semnalului). Impedanța caracteristică a firelor de pe PCB este un indicator important al designului PCB-urilor. În special în designul PCB de înaltă frecvență, este necesar să se ia în considerare dacă impedanța caracteristică a firului este în concordanță cu sau se potrivește cu impedanța caracteristică necesară a dispozitivului sau a semnalului. Aceasta implică 2 concepte: controlul impedanței și potrivirea impedanței. Acest articol se concentrează pe problemele de control al impedanței și proiectarea stivei.

Sunt diferite semnale transmise în conductorii PCB-ului. Pentru a-și îmbunătăți rata de transmisie, frecvența acestuia trebuie mărită. Valoarea impedanței circuitului în sine variază din cauza unor factori precum gravarea, grosimea stratului și lățimea firului etc., provocând distorsiuni ale semnalului. Prin urmare, valoarea impedanței conductoarelor de pe PCB-urile de mare viteză ar trebui controlată într-un anumit interval, care se numește „controlul impedanței”.

Impedanța urmelor PCB este determinată de inductanța, rezistența și coeficientul de conductivitate inductiv și capacitiv. Factorii care afectează impedanța cablajului PCB includ în principal lățimea și grosimea firului de cupru, constanta dielectrică și grosimea mediului, grosimea plăcuței de lipit, calea firului de împământare și cablarea din jurul cablajului, etc. Gama de impedanță PCB este de la 25 la 120 ohmi.

În practică, liniile de transmisie PCB constau de obicei dintr-o urmă de sârmă, unul sau mai multe straturi de referință și materiale de izolare. Urma și stratul constituie impedanța de control. PCB-urile adoptă adesea structuri cu mai multe straturi, iar controlul impedanței poate fi, de asemenea, construit în diferite moduri. Cu toate acestea, indiferent de metoda utilizată, valoarea impedanței va fi determinată de structura sa fizică și de proprietățile electronice ale materialului izolator:

O microbandă este o bandă de sârmă care se referă la o linie de transmisie cu o singură parte având un plan de referință. Partea superioară și părțile laterale sunt expuse aerului (sau sunt acoperite) și sunt situate pe suprafața unei constante de izolație Er PCB, având ca referință stratul de putere sau de masă. După cum se arată în figura următoare:

Notă: În fabricarea PCB-ului propriu-zis, fabrica de PCB acoperă de obicei un strat de cerneală verde pe suprafața PCB-ului. Prin urmare, în calculele efective de impedanță, modelul prezentat în figura următoare este de obicei utilizat pentru liniile de microstrip de suprafață.

O bandă este o bandă de sârmă plasată între 2 planuri de referință, așa cum se arată în figura următoare. Constantele dielectrice ale dielectricului reprezentat de H1 și H2 pot fi diferite.

Cele 2 cazuri de mai sus sunt doar o demonstrație tipică de microstrip și stripline, utilizate de obicei pentru învățarea hardware-ului inteligent IoT încorporat și a altor sisteme. Există multe tipuri specifice de microstrip și stripline, cum ar fi microstrip acoperite, care sunt legate de structura specifică de stivuire a PCB-urilor.

Ecuația utilizată pentru a calcula impedanța caracteristică necesită calcule matematice complexe, de obicei folosind metode de rezolvare a câmpului, inclusiv analiza elementului de limită. Prin urmare, folosind software-ul specializat de calcul al impedanței SI9000, tot ce trebuie să facem este să controlăm parametrii impedanței caracteristice:

Constanta dielectrică Er a stratului de izolație, lățimea cablajului W1 și W2 (trapezoidală), grosimea cablului T și grosimea stratului de izolație H.

W – lățimea de linie proiectată

A – pierdere prin gravare (vezi tabelul de mai sus)

Motivul pentru lățimea inconsecventă dintre partea de sus și de jos a liniei este că în timpul procesului de fabricație a PCB-urilor, coroziunea are loc de sus în jos, rezultând o formă trapezoidală a liniei corodate.

Există o relație corespunzătoare între grosimea liniei T și grosimea de cupru a acestui strat, după cum urmează:

* Datorită influenței mici a grosimii măștii de lipit asupra impedanței, se presupune că este o valoare constantă de 0,5 mil.

Putem realiza controlul impedanței controlând acești parametri. Luând ca exemplu PCB-ul de jos al lui Anwei, vom explica pașii controlului impedanței și utilizarea SI9000:

Al doilea strat este planul de masă, al cincilea strat este planul de putere, iar straturile rămase sunt straturile de semnal.

Explicație: Dielectricul dintre straturile intermediare este FR-4, cu o constantă dielectrică de 4,2; Straturile de sus și de jos sunt straturi goale care vin în contact direct cu aerul, iar constanta dielectrică a aerului este 1.

Proiectanții PCB pot utiliza pe deplin structura ierarhică a PCB-urilor pentru a obține controlul impedanței. Prin plasarea diferitelor straturi de semnal în diferite poziții ale straturilor, capacitatea și inductanța interstratului pot fi controlate eficient. În general, stratul interior utilizează materiale de înaltă impedanță, iar stratul exterior utilizează materiale de impedanță scăzută pentru a reduce impactul reflexiei și diafoniei.

Liniile de transmisie a semnalului diferențial pot oferi o capacitate mai bună anti-interferență și un risc mai mic de diafonie. Liniile de transmisie a semnalului diferențial sunt o pereche de fire paralele cu tensiuni opuse, dar dimensiuni egale, care pot oferi o mai bună integritate a semnalului și o capacitate anti-interferență. Impedanța liniilor de transmisie a semnalului diferențial este de obicei controlată prin selectarea distanței dintre linii, lățimii și planul de masă.

Parametrii geometrici, cum ar fi lățimea liniei PCB, distanța și aspectul pot fi, de asemenea, utilizați pentru a controla impedanța. Pentru liniile microstrip obișnuite, o lățime mai groasă a liniilor și o distanță mai mare pot reduce impedanța. Pentru liniile coaxiale, diametrele interioare mai mici ale liniei și razele mai mari ale liniilor exterioare pot crește impedanța. Selectarea geometriei cablajului necesită optimizare pe baza cerințelor specifice de impedanță și a frecvenței semnalului.

Constanta dielectrică a materialelor PCB afectează și impedanța. Alegerea materialelor cu proprietăți dielectrice stabile face parte din controlul impedanței. În aplicațiile de înaltă frecvență și de mare viteză, materialele utilizate în mod obișnuit includ FR-4 (plăci armate cu fibră de sticlă), PTFE (politetrafluoretilenă) și laminate RF (frecvență radio).

Înainte de proiectarea PCB, utilizarea instrumentelor de simulare și proiectare poate ajuta proiectanții să verifice și să optimizeze impedanța rapid și precis. Aceste instrumente pot simula comportamentul circuitului, pierderile de transmisie a semnalului și interacțiunile electromagnetice pentru a determina parametrii optimi de proiectare a PCB-ului. Unele instrumente comune de simulare includ CST Studio Suite, HyperLynx și ADS.

Controlul impedanței PCB joacă un rol crucial în circuitele digitale și analogice de mare viteză. Prin proiectarea ierarhică rezonabilă, utilizarea liniilor de transmisie a semnalului diferențial, controlul geometriei cablajului, selecția materialelor PCB adecvate și utilizarea instrumentelor de simulare și proiectare, poate fi realizat un control precis al impedanței, îmbunătățind astfel performanța circuitului și integritatea semnalului.