Çfarë është kontrolli i impedancës dhe si të kryhet kontrolli i rezistencës në PCB

Në hartimin e pajisjeve moderne elektronike, PCB-të luajnë një rol vendimtar. Performanca e PCB-ve ndikon drejtpërdrejt në stabilitetin, besueshmërinë dhe efikasitetin e transmetimit të të gjithë sistemit elektronik. Midis tyre, kontrolli i impedancës është një pjesë e rëndësishme e dizajnit të PCB-ve. Meqenëse qarqet moderne dixhitale kanë kohë më të shkurtra të transmetimit të sinjalit dhe shpejtësi më të larta të orës, gjurmët e PCB-ve nuk janë më lidhje të thjeshta, por përkatësisht linja transmetimi. Kontrolli i rezistencës së PCB-së i referohet kontrollit të shpejtësisë së transmetimit dhe përputhjes së rezistencës së sinjaleve në PCB për të siguruar cilësinë dhe stabilitetin e transmetimit të sinjalit.

Në situata praktike, është e nevojshme të kontrollohet impedanca e gjurmës kur shpejtësia margjinale dixhitale është më e lartë se 1ns ose frekuenca analoge kalon 300 MHz. Një nga parametrat kryesorë të gjurmës së PCB-së është impedanca e tij karakteristike (dmth. raporti i tensionit ndaj rrymës kur vala transmetohet përgjatë linjës së transmetimit të sinjalit). Impedanca karakteristike e telave në PCB është një tregues i rëndësishëm i dizajnit të PCB. Veçanërisht në dizajnin e PCB-ve me frekuencë të lartë, është e nevojshme të merret parasysh nëse impedanca karakteristike e telit është në përputhje ose përputhet me rezistencën e kërkuar karakteristike të pajisjes ose sinjalit. Kjo përfshin 2 koncepte: kontrollin e impedancës dhe përputhjen e rezistencës. Ky artikull fokusohet në çështjet e kontrollit të rezistencës dhe dizajnit të stivës.

Ka sinjale të ndryshme që transmetohen në përçuesit e PCB-së. Për të përmirësuar shpejtësinë e transmetimit, duhet të rritet frekuenca e tij. Vlera e rezistencës së qarkut në vetvete ndryshon për shkak të faktorëve të tillë si gravimi, trashësia e shtresës dhe gjerësia e telit, etj., duke shkaktuar shtrembërim të sinjalit. Prandaj, vlera e rezistencës së përçuesve në PCB-të me shpejtësi të lartë duhet të kontrollohet brenda një diapazoni të caktuar, i cili quhet "kontroll i rezistencës së rezistencës".

Rezistenca e rezistencës së gjurmëve të PCB përcaktohet nga induktiviteti i tyre induktiv dhe kapacitiv, rezistenca dhe koeficienti i përçueshmërisë. Faktorët që ndikojnë në impedancën e instalimeve elektrike PCB përfshijnë kryesisht gjerësinë dhe trashësinë e telit të bakrit, konstantën dielektrike dhe trashësinë e mediumit, trashësinë e jastëkut të saldimit, rrugën e telit të tokëzimit dhe instalimet elektrike rreth telit, etj. Gama e rezistencës së PCB është 25 deri në 120 ohms.

Në praktikë, linjat e transmetimit PCB zakonisht përbëhen nga një gjurmë teli, një ose më shumë shtresa referimi dhe materiale izoluese. Gjurma dhe shtresa përbëjnë rezistencën e kontrollit. PCB-të shpesh adoptojnë struktura me shumë shtresa, dhe kontrolli i rezistencës mund të ndërtohet gjithashtu në mënyra të ndryshme. Megjithatë, pavarësisht nga metoda e përdorur, vlera e rezistencës do të përcaktohet nga struktura e saj fizike dhe vetitë elektronike të materialit izolues:

Një mikrostrip është një rrip teli që i referohet një linje transmetimi me vetëm njërën anë që ka një plan referencë. Pjesa e sipërme dhe anët janë të ekspozuara ndaj ajrit (ose të jenë të veshura) dhe janë të vendosura në sipërfaqen e një konstante izolimi Er PCB, me fuqinë ose shtresën e tokës si referencë. Siç tregohet në figurën e mëposhtme:

Shënim: Në prodhimin aktual të PCB-ve, fabrika e PCB-ve zakonisht vesh një shtresë boje jeshile në sipërfaqen e PCB-së. Prandaj, në llogaritjet e impedancës aktuale, modeli i paraqitur në figurën e mëposhtme zakonisht përdoret për linjat e mikrostripeve sipërfaqësore.

Një shirit është një rrip teli i vendosur midis 2 planeve referente, siç tregohet në figurën e mëposhtme. Konstantet dielektrike të dielektrikut të përfaqësuar nga H1 dhe H2 mund të jenë të ndryshme.

2 rastet e mësipërme janë vetëm një demonstrim tipik i mikrostripeve dhe vijave me shirita, që zakonisht përdoren për mësimin e harduerit inteligjent të integruar IoT dhe sistemeve të tjera. Ka shumë lloje specifike të mikrostripeve dhe vijave, të tilla si mikrostrip i veshur, të cilat lidhen me strukturën specifike të grumbullimit të PCB-ve.

Ekuacioni i përdorur për të llogaritur rezistencën karakteristike kërkon llogaritje komplekse matematikore, zakonisht duke përdorur metoda të zgjidhjes në terren, duke përfshirë analizën e elementeve kufitare. Prandaj, me përdorimin e softuerit të specializuar për llogaritjen e rezistencës SI9000, gjithçka që duhet të bëjmë është të kontrollojmë parametrat e rezistencës karakteristike:

Konstanta dielektrike Er e shtresës izoluese, gjerësia e instalimeve elektrike W1 dhe W2 (trapezoidale), trashësia e telit T dhe trashësia e shtresës izoluese H.

W - gjerësia e linjës së projektuar

A - humbja e gravurës (shih tabelën më lart)

Arsyeja për gjerësinë e paqëndrueshme midis pjesës së sipërme dhe të poshtme të linjës është se gjatë procesit të prodhimit të PCB-ve, korrozioni ndodh nga lart poshtë, duke rezultuar në një formë trapezoidale të linjës së gërryer.

Ekziston një marrëdhënie korresponduese midis trashësisë së linjës T dhe trashësisë së bakrit të kësaj shtrese, si më poshtë:

* Për shkak të ndikimit të vogël të trashësisë së maskës së saldimit në impedancën, supozohet të jetë një vlerë konstante prej 0.5 mil.

Ne mund të arrijmë kontrollin e impedancës duke kontrolluar këto parametra. Duke marrë si shembull PCB-në e poshtme të Anwei, ne do të shpjegojmë hapat e kontrollit të rezistencës dhe përdorimin e SI9000:

Shtresa e dytë është rrafshi i tokës, shtresa e pestë është rrafshi i fuqisë dhe shtresat e mbetura janë shtresat e sinjalit.

Shpjegim: Dielektriku ndërmjet shtresave të ndërmjetme është FR-4, me konstante dielektrike 4.2; Shtresat e sipërme dhe të poshtme janë shtresa të zhveshura që vijnë në kontakt të drejtpërdrejtë me ajrin, dhe konstanta dielektrike e ajrit është 1.

Projektuesit e PCB-ve mund të përdorin plotësisht strukturën hierarkike të PCB-ve për të arritur kontrollin e rezistencës. Duke vendosur shtresa të ndryshme sinjalesh në pozicione të ndryshme shtresash, kapaciteti dhe induktiviteti i ndërshtresave mund të kontrollohen në mënyrë efektive. Në përgjithësi, shtresa e brendshme përdor materiale me rezistencë të lartë dhe shtresa e jashtme përdor materiale me rezistencë të ulët për të zvogëluar ndikimin e reflektimit dhe ndërlidhjes.

Linjat diferenciale të transmetimit të sinjalit mund të ofrojnë aftësi më të mirë kundër ndërhyrjeve dhe rrezik më të ulët të ndërlidhjes. Linjat diferenciale të transmetimit të sinjalit janë një palë telash paralelë me tensione të kundërta, por me madhësi të barabarta, të cilat mund të ofrojnë integritet më të mirë të sinjalit dhe aftësi kundër ndërhyrjeve. Rezistenca e rezistencës së linjave të transmetimit të sinjaleve diferenciale zakonisht kontrollohet nga përzgjedhja e hapësirës së linjës, gjerësisë dhe planit të tokës.

Parametrat gjeometrikë të tillë si gjerësia e linjës PCB, hapësira dhe faqosja mund të përdoren gjithashtu për të kontrolluar rezistencën. Për linjat e zakonshme të mikrostripeve, gjerësia më e trashë e vijës dhe hapësira më e madhe mund të zvogëlojnë rezistencën. Për linjat koaksiale, diametrat më të vegjël të linjës së brendshme dhe rrezet më të mëdha të linjës së jashtme mund të rrisin rezistencën. Përzgjedhja e gjeometrisë së instalimeve elektrike kërkon optimizim bazuar në kërkesat specifike të impedancës dhe frekuencës së sinjalit.

Konstanta dielektrike e materialeve PCB gjithashtu ndikon në impedancën. Zgjedhja e materialeve me veti të qëndrueshme dielektrike është pjesë e kontrollit të impedancës. Në aplikimet me frekuencë të lartë dhe me shpejtësi të lartë, materialet e përdorura zakonisht përfshijnë FR-4 (dërrasë të përforcuar me fibra qelqi), PTFE (politetrafluoroetilen) dhe RF (frekuencë radio).

Përpara projektimit të PCB-së, përdorimi i veglave të simulimit dhe projektimit mund t'i ndihmojë projektuesit të verifikojnë dhe optimizojnë shpejt dhe me saktësi rezistencën e plotë. Këto mjete mund të simulojnë sjelljen e qarkut, humbjet e transmetimit të sinjalit dhe ndërveprimet elektromagnetike për të përcaktuar parametrat optimale të projektimit të PCB. Disa mjete të zakonshme simulimi përfshijnë CST Studio Suite, HyperLynx dhe ADS.

Kontrolli i rezistencës së PCB-së luan një rol vendimtar në qarqet dixhitale dhe analoge me shpejtësi të lartë. Nëpërmjet dizajnit të arsyeshëm hierarkik, përdorimi i linjave të transmetimit të sinjaleve diferenciale, kontrolli i gjeometrisë së instalimeve elektrike, përzgjedhja e materialeve të përshtatshme PCB dhe përdorimi i mjeteve të simulimit dhe projektimit, mund të arrihet kontrolli i saktë i rezistencës, duke përmirësuar performancën e qarkut dhe integritetin e sinjalit.