Что такое контроль импеданса и как осуществлять контроль импеданса на печатных платах

В конструкции современных электронных устройств печатные платы играют решающую роль. Производительность печатных плат напрямую влияет на стабильность, надежность и эффективность передачи всей электронной системы. Среди них контроль импеданса является важной частью проектирования печатной платы. Поскольку современные цифровые схемы имеют более короткое время передачи сигнала и более высокую тактовую частоту, дорожки печатной платы больше не являются простыми соединениями, а, соответственно, линиями передачи. Управление импедансом печатной платы подразумевает управление скоростью передачи и согласование импеданса сигналов на печатной плате для обеспечения качества и стабильности передачи сигнала.

В практических ситуациях необходимо контролировать сопротивление трассы, когда предельная цифровая скорость превышает 1 нс или аналоговая частота превышает 300 МГц. Одним из ключевых параметров трассы печатной платы является ее характеристический импеданс (т.е. отношение напряжения к току при передаче волны по линии передачи сигнала). Характеристическое сопротивление проводов на печатной плате является важным показателем конструкции печатной платы. Особенно при проектировании высокочастотной печатной платы необходимо учитывать, соответствует ли характеристическое сопротивление провода требуемому волновому сопротивлению устройства или сигнала. Это включает в себя две концепции: контроль импеданса и согласование импеданса. В данной статье основное внимание уделяется вопросам управления импедансом и проектирования стека.

По проводникам печатной платы передаются различные сигналы. Чтобы улучшить скорость передачи, необходимо увеличить частоту. Значение импеданса самой цепи варьируется из-за таких факторов, как травление, толщина слоя и ширина проволоки и т. д., вызывающих искажение сигнала. Поэтому значение импеданса проводников на быстродействующих печатных платах следует контролировать в определенном диапазоне, который называется «контроль импеданса».

Импеданс дорожек печатной платы определяется их индуктивной и емкостной индуктивностью, сопротивлением и коэффициентом проводимости. Факторы, влияющие на сопротивление проводки печатной платы, в основном включают ширину и толщину медного провода, диэлектрическую проницаемость и толщину среды, толщину паяльной площадки, путь заземляющего провода и проводку вокруг проводки. и т. д. Диапазон импеданса печатной платы составляет от 25 до 120 Ом.

На практике линии передачи печатных плат обычно состоят из проводной дорожки, одного или нескольких опорных слоев и изоляционных материалов. Трасса и слой составляют управляющее сопротивление. Печатные платы часто имеют многослойную структуру, и управление импедансом также может быть выполнено различными способами. Однако независимо от используемого метода значение импеданса будет определяться его физической структурой и электронными свойствами изоляционного материала:

Микрополоска — это полоска провода, которая относится к линии передачи, только одна сторона которой имеет опорную плоскость. Верхняя и боковые стороны подвергаются воздействию воздуха (или имеют покрытие) и расположены на поверхности печатной платы из Er с постоянной изоляцией, при этом в качестве ориентира используется слой питания или заземления. Как показано на следующем рисунке:

Примечание. При фактическом производстве печатных плат фабрика печатных плат обычно наносит слой зеленых чернил на поверхность печатной платы. Поэтому при реальных расчетах импеданса модель, показанная на следующем рисунке, обычно используется для поверхностных микрополосковых линий.

Полосковая линия — это полоска провода, помещенная между двумя опорными плоскостями, как показано на следующем рисунке. Диэлектрические проницаемости диэлектрика, представленного H1 и H2, могут быть разными.

Два приведенных выше случая представляют собой типичную демонстрацию микрополосковых и полосковых линий, обычно используемых для обучения встроенного интеллектуального оборудования IoT и других систем. Существует множество конкретных типов микрополосковых и полосковых линий, таких как микрополосковые с покрытием, которые связаны со специфической структурой штабелирования печатных плат.

Уравнение, используемое для расчета характеристического импеданса, требует сложных математических расчетов, обычно с использованием методов решения поля, включая анализ граничных элементов. Поэтому, используя специализированное программное обеспечение для расчета импеданса SI9000, все, что нам нужно сделать, это контролировать параметры характеристического импеданса:

Диэлектрическая постоянная Er изоляционного слоя, ширина проводки W1 и W2 (трапециевидная), толщина проводки T и толщина изоляционного слоя H.

W – расчетная ширина линии

A – потери при травлении (см. таблицу выше)

Причина неравномерной ширины верхней и нижней части линии заключается в том, что в процессе производства печатных плат коррозия происходит сверху вниз, в результате чего корродированная линия приобретает трапециевидную форму.

Существует соответствующая зависимость между толщиной линии T и толщиной меди этого слоя следующим образом:

* Из-за небольшого влияния толщины паяльной маски на сопротивление, предполагается, что оно имеет постоянное значение 0,5 мил.

Мы можем добиться контроля импеданса, контролируя эти параметры. На примере нижней печатной платы Anwei мы объясним этапы управления импедансом и использование SI9000:

Второй слой — это земляной слой, пятый слой — это силовой слой, а остальные слои — это сигнальные слои.

Пояснение: Диэлектрик между промежуточными слоями — FR-4, с диэлектрической проницаемостью 4,2; Верхний и нижний слои представляют собой голые слои, которые непосредственно контактируют с воздухом, а диэлектрическая проницаемость воздуха равна 1.

Разработчики печатных плат могут в полной мере использовать иерархическую структуру печатных плат для управления импедансом. Размещая разные сигнальные слои в разных положениях, можно эффективно контролировать межслоевую емкость и индуктивность. Вообще говоря, во внутреннем слое используются материалы с высоким импедансом, а во внешнем слое используются материалы с низким импедансом, чтобы уменьшить влияние отражения и перекрестных помех.

Линии передачи дифференциальных сигналов могут обеспечить лучшую защиту от помех и снизить риск перекрестных помех. Линии передачи дифференциального сигнала представляют собой пару параллельных проводов с противоположными напряжениями, но одинаковыми размерами, что может обеспечить лучшую целостность сигнала и защиту от помех. Импеданс линий передачи дифференциальных сигналов обычно контролируется выбором межлинейного расстояния, ширины и заземляющего слоя.

Геометрические параметры, такие как ширина линий печатной платы, расстояние и расположение, также могут использоваться для управления импедансом. Для обычных микрополосковых линий более толстая линия и больший интервал могут снизить импеданс. Для коаксиальных линий меньший внутренний диаметр линии и больший внешний радиус линии могут увеличить импеданс. Выбор геометрии проводки требует оптимизации с учетом конкретных требований к сопротивлению и частоте сигнала.

Диэлектрическая проницаемость материалов печатных плат также влияет на импеданс. Выбор материалов со стабильными диэлектрическими свойствами является частью контроля импеданса. В высокочастотных и высокоскоростных приложениях обычно используемые материалы включают FR-4 (панели, армированные стекловолокном), ПТФЭ (политетрафторэтилен) и RF (радиочастотные) ламинаты.

Перед проектированием печатной платы использование инструментов моделирования и проектирования может помочь проектировщикам быстро и точно проверить и оптимизировать импеданс. Эти инструменты могут моделировать поведение схемы, потери при передаче сигнала и электромагнитные взаимодействия для определения оптимальных параметров конструкции печатной платы. Некоторые распространенные инструменты моделирования включают CST Studio Suite, HyperLynx и ADS.

Контроль импеданса печатной платы играет решающую роль в высокоскоростных цифровых и аналоговых схемах. Благодаря разумному иерархическому проектированию, использованию линий передачи дифференциальных сигналов, контролю геометрии проводки, выбору соответствующих материалов печатных плат, а также использованию инструментов моделирования и проектирования можно добиться точного управления импедансом, тем самым улучшая характеристики схемы и целостность сигнала.