Vad är impedanskontroll och hur man utför impedanskontroll på PCB

I utformningen av moderna elektroniska enheter spelar PCB en avgörande roll. PCB:s prestanda påverkar direkt stabiliteten, tillförlitligheten och överföringseffektiviteten för hela det elektroniska systemet. Bland dem är impedanskontroll en viktig del av PCB-design. Eftersom moderna digitala kretsar har kortare signalöverföringstider och högre klockhastigheter är PCB-spår inte längre enkla förbindelser, utan transmissionsledningar på motsvarande sätt. PCB-impedanskontroll avser att kontrollera överföringshastigheten och impedansmatchningen av signaler på PCB:n för att säkerställa kvaliteten och stabiliteten hos signalöverföringen.

I praktiska situationer är det nödvändigt att kontrollera spårimpedansen när den digitala marginalhastigheten är högre än 1ns eller den analoga frekvensen överstiger 300MHz. En av nyckelparametrarna för PCB-spårning är dess karakteristiska impedans (dvs förhållandet mellan spänning och ström när vågen sänds längs signalöverföringslinjen). Den karakteristiska impedansen hos ledningar på PCB är en viktig indikator på PCB-design. Speciellt i den högfrekventa PCB-designen är det nödvändigt att överväga om den karakteristiska impedansen för tråden överensstämmer med eller matchar den erforderliga karakteristiska impedansen för enheten eller signalen. Detta involverar 2 koncept: impedanskontroll och impedansmatchning. Den här artikeln fokuserar på frågorna om impedanskontroll och stackdesign.

Det finns olika signaler som sänds i kretskortets ledare. För att förbättra dess överföringshastighet måste dess frekvens ökas. Impedansvärdet för själva kretsen varierar beroende på faktorer som etsning, skikttjocklek och trådbredd, etc., vilket orsakar signaldistorsion. Därför bör impedansvärdet för ledare på höghastighets-PCB kontrolleras inom ett visst område, vilket kallas "impedanskontroll".

Impedansen för PCB-spår bestäms av deras induktiva och kapacitiva induktans, resistans och konduktivitetskoefficient. Faktorerna som påverkar impedansen för PCB-ledningar inkluderar huvudsakligen koppartrådens bredd och tjocklek, dielektricitetskonstanten och tjockleken på mediet, tjockleken på löddynan, jordledningens väg och ledningarna runt ledningarna, etc. PCB-impedansområdet är 25 till 120 ohm.

I praktiken består PCB-överföringsledningar typiskt av ett trådspår, ett eller flera referensskikt och isoleringsmaterial. Spåret och lagret utgör kontrollimpedansen. PCB antar ofta flerskiktsstrukturer, och impedanskontroll kan också konstrueras på olika sätt. Men oavsett vilken metod som används kommer impedansvärdet att bestämmas av dess fysiska struktur och isoleringsmaterialets elektroniska egenskaper:

En mikrostrip är en trådremsa som hänvisar till en transmissionsledning med endast en sida som har ett referensplan. Toppen och sidorna är exponerade för luft (eller är belagda) och är placerade på ytan av en isolationskonstant Er PCB, med kraft- eller jordskiktet som referens. Som visas i följande figur:

Obs: Vid faktisk PCB-tillverkning täcker PCB-fabriken vanligtvis ett lager med grönt bläck på ytan av PCB:n. Därför, i faktiska impedansberäkningar, används modellen som visas i följande figur vanligtvis för ytmikrostriplinjer.

En stripline är en remsa av tråd placerad mellan 2 referensplan, som visas i följande figur. Dielektriska konstanter för dielektrikumet representerat av H1 och H2 kan vara olika.

Ovanstående 2 fall är bara en typisk demonstration av microstrip och striplines, som vanligtvis används för inlärning av inbäddad IoT-intelligent hårdvara och andra system. Det finns många specifika typer av mikrostrips och striplines, såsom belagda mikrostrips, som är relaterade till PCB:s specifika staplingsstruktur.

Ekvationen som används för att beräkna karakteristisk impedans kräver komplexa matematiska beräkningar, vanligtvis med fältlösningsmetoder, inklusive gränselementanalys. Därför, med hjälp av specialiserad impedansberäkningsmjukvara SI9000, är ​​allt vi behöver göra att kontrollera parametrarna för karakteristisk impedans:

Den dielektriska konstanten Er för isoleringsskiktet, ledningsbredden W1 och W2 (trapetsformad), ledningstjockleken T och isoleringsskiktets tjocklek H.

W – designad linjebredd

A – etsförlust (se tabell ovan)

Anledningen till den inkonsekventa bredden mellan toppen och botten av linjen är att under tillverkningsprocessen av PCB sker korrosion från topp till botten, vilket resulterar i en trapetsform av den korroderade linjen.

Det finns ett motsvarande förhållande mellan linjetjockleken T och koppartjockleken för detta lager, enligt följande:

* På grund av den lilla inverkan av lödmaskens tjocklek på impedansen, antas det vara ett konstant värde på 0,5 mil.

Vi kan uppnå impedanskontroll genom att kontrollera dessa parametrar. Med Anweis bottenkretskort som exempel, förklarar vi stegen för impedanskontroll och användningen av SI9000:

Det andra lagret är jordplanet, det femte lagret är kraftplanet och de återstående lagren är signallagren.

Förklaring: Dielektrikumet mellan de mellanliggande skikten är FR-4, med en dielektricitetskonstant på 4,2; De övre och nedre skikten är kala skikt som kommer i direkt kontakt med luft, och luftens dielektriska konstant är 1.

PCB-designers kan fullt ut utnyttja den hierarkiska strukturen hos PCB för att uppnå impedanskontroll. Genom att placera olika signallager i olika lagerpositioner kan interlagerkapacitans och induktans effektivt kontrolleras. Generellt sett använder det inre skiktet material med hög impedans och det yttre skiktet använder material med låg impedans för att minska påverkan av reflektion och överhörning.

Differentiella signalöverföringslinjer kan ge bättre anti-interferensförmåga och lägre överhörningsrisk. Differentialsignalöverföringslinjer är ett par parallella ledningar med motsatta spänningar men lika stora, vilket kan ge bättre signalintegritet och anti-interferensförmåga. Impedansen för differentialsignalöverföringslinjer styrs vanligtvis av valet av linjeavstånd, bredd och jordplan.

Geometriska parametrar som PCB-linjebredd, avstånd och layout kan också användas för att styra impedansen. För vanliga mikrostriplinjer kan tjockare linjebredd och större avstånd minska impedansen. För koaxialledningar kan mindre inre ledningsdiametrar och större yttre ledningsradier öka impedansen. Valet av ledningsgeometri kräver optimering baserat på specifika impedanskrav och signalfrekvens.

Den dielektriska konstanten för PCB-material påverkar också impedansen. Att välja material med stabila dielektriska egenskaper är en del av impedanskontrollen. I högfrekvens- och höghastighetsapplikationer är vanliga material FR-4 (glasfiberförstärkt kartong), PTFE (polytetrafluoreten) och RF-laminat (radiofrekvens).

Innan PCB-design kan använda simulerings- och designverktyg hjälpa designers att snabbt och exakt verifiera och optimera impedansen. Dessa verktyg kan simulera kretsbeteende, signalöverföringsförluster och elektromagnetiska interaktioner för att bestämma de optimala PCB-designparametrarna. Några vanliga simuleringsverktyg inkluderar CST Studio Suite, HyperLynx och ADS.

PCB-impedanskontroll spelar en avgörande roll i höghastighets digitala och analoga kretsar. Genom rimlig hierarkisk design, användning av differentiella signalöverföringslinjer, kontroll av ledningsgeometri, val av lämpliga PCB-material och användning av simulerings- och designverktyg, kan exakt impedanskontroll uppnås, vilket förbättrar kretsens prestanda och signalintegritet.