Печатная плата с контролируемым импедансом

Что такое печатная плата с контролируемым импедансом?

Если вы тщательно спроектировали трассу и ее окружение, импеданс обычно является «неконтролируемым», а это означает, что значение импеданса будет меняться от точки к точке вдоль трассы.

На высоких частотах дорожки печатной платы не ведут себя как простые соединения: контролируемый импеданс помогает нам гарантировать, что сигналы не ухудшатся при прохождении вокруг печатной платы.

По сути, контролируемый импеданс — это согласование свойств материала подложки с размерами и расположением трасс, чтобы гарантировать, что импеданс сигнала трассы находится в пределах определенного процента от определенного значения. Платы с контролируемым импедансом обеспечивают повторяемые характеристики на высоких частотах.

Когда использовать контролируемый импеданс?

Когда для правильной работы сигнал должен иметь определенный импеданс, следует использовать контролируемый импеданс. В высокочастотных приложениях согласование импеданса дорожек печатной платы важно для поддержания целостности данных и четкости сигнала. Если импеданс трассы печатной платы, соединяющей два компонента, не соответствует характеристическому импедансу компонентов, время переключения внутри устройства или схемы может увеличиться. Также могут быть случайные ошибки.

Что определяет контролируемый импеданс?

Характеристический импеданс дорожки печатной платы обычно определяется ее индуктивным и емкостным реактивным сопротивлением, сопротивлением и проводимостью. Эти факторы зависят от физических размеров дорожки, диэлектрической проницаемости материала подложки печатной платы и толщины диэлектрика. Обычно импеданс трассировки печатной платы может варьироваться от 25 до 125 Ом. Значение импеданса, генерируемое структурой печатной платы, будет определяться следующими факторами:

– Ширина и толщина медной сигнальной дорожки (сверху и снизу)

– Толщина сердечника или материала препрега по обе стороны от медной дорожки

– Диэлектрическая проницаемость материала сердцевины и препрега.

– Расстояние от других медных объектов

Как рассчитать контроль импеданса?

Определение импеданса на печатной плате важно и требует определенных методов измерения. Давайте рассмотрим некоторые меры контроля импеданса, которые являются заслуживающими доверия, точными и надежными.

Диаграмма Смита

Диаграмма Смита существовала еще до того, как стали широко распространены компьютеры или программное обеспечение для проектирования печатных плат. Диаграмма используется для описания взаимосвязи между импедансом источника и нагрузки с помощью графиков. Он также опирается на ряд математических вычислений, чтобы получить значение импеданса для конкретной трассы.

Компьютерное моделирование

Сегодняшнее программное обеспечение использует сложную технологию для определения значений управляющего импеданса. Преимущество этих программ в том, что они могут объединить ваши проектные соображения в симуляцию и увидеть практически готовый продукт. Однако покупка этого программного обеспечения и его использование для моделирования готового проекта печатной платы обычно обходятся дорого.

Онлайн-калькулятор импеданса

Онлайн-калькуляторы гораздо более эффективны и распространены, чем программное обеспечение для проектирования с функциями контроля импеданса печатной платы. С помощью этих калькуляторов вы можете узнать контролируемый импеданс трассы. Эти калькуляторы не так точны, как симуляторы, но вы всегда получаете приблизительную цифру, необходимую для запуска процесса. Незначительная последующая настройка может обезопасить вас, поскольку в большинстве этих калькуляторов используются стандартные числа из руководств по проектированию высокоскоростных импедансных плат.

Все три метода, перечисленные выше, являются хорошей отправной точкой для ваших расчетов. Независимо от того, какой метод вы выберете, вы начнете с безопасного набора правил по сравнению с отсутствием расчета импеданса.

Применение контролируемого импеданса

Контролируемый импеданс следует учитывать для печатных плат, используемых в быстрых цифровых приложениях, таких как:

– Телекоммуникации

– Вычисления мощность 100 МГц и выше

– Высококачественное аналоговое видео

- Обработка сигнала

– Радиочастотная связь

Введение в проектирование и производство печатных плат с управляемым импедансом. Когда по трассам платы передаются сигналы, содержащие высокие частоты, необходимо позаботиться о том, чтобы спроектировать трасс, соответствующие импедансу устройств драйвера и приемника.

Чем длиннее трасса или чем выше задействованные частоты, тем больше необходимость контролировать импеданс трассы. Производитель печатной платы контролирует импеданс, изменяя размеры и расстояние между отдельными трассами или ламинатом. По этим причинам разработчик печатной платы должен указать импеданс и допуск трассы и должен работать с производителем печатной платы, чтобы гарантировать, что печатная плата соответствует спецификациям их требований к печатной плате с контролем импеданса.

Импеданс – это сумма сопротивления и реактивного сопротивления электрической цепи, выраженная в Омах. Сопротивление - это противодействие протеканию тока,  присутствует во всех материалах. Реактивное сопротивление — это сопротивление протеканию тока, возникающее в результате влияния собственной емкости и индуктивности проводника, взаимодействующих с изменениями напряжения и тока. В цепях постоянного тока реактивное сопротивление отсутствует, а сопротивление медных проводников обычно незначительно. Однако в высокоскоростных цепях переменного тока (с резкими изменениями напряжения и/или тока) реактивное сопротивление и, следовательно, полное сопротивление могут стать очень значительными. Это может стать критически важным для функциональности конструкции из-за влияния изменений импеданса на пути прохождения сигналов от передатчика к приемнику на эффективность передачи мощности, а также на целостность сигнала. Хотя скорость схемы часто выражается как частота формы волны, критической проблемой является скорость, с которой требуется изменение напряжения и/или тока.

Производство печатных плат контролем импедансом

Чтобы удовлетворить растущий спрос на печатные платы с контролем импеданса, производители печатных плат вложили много денег, рабочей силы и материальных ресурсов в технологии производства, чтобы удовлетворить производственные требования клиентов.

Из-за сложности производства печатных плат с контролем импеданса производители печатных плат обычно требуют от разработчиков или покупателей печатных плат предоставления более подробной информации и требований, таких как тип необходимого материала, вес меди и толщина платы, количество слоев, файл Gerber, чтобы производитель мог подготовить спецификацию материалов (BOM). Информация об импедансе должна быть отмечена в файле Gerber. Если необходимая информация отсутствует, даже небольшая критическая информация затруднит или сделает невозможным для инженеров производителя точное определение того, что нужно покупателю.

Печатные платы с контролем импеданса также делятся на три различные ситуации:

Нет контроля импеданса:

Это ситуация, когда вам не нужны какие-либо дополнительные элементы конструкции для обеспечения правильного импеданса, поскольку у вас очень слабый допуск по импедансу. Естественно, это приведет к более быстрому изготовлению и меньшей стоимости платы, поскольку производителю не нужно предпринимать никаких специальных мер.

Наблюдение за импедансом:

Что такое наблюдение за импедансом? Это ситуация, когда проектировщик намечает трассу контроля импеданса, а поставщик печатных плат соответствующим образом корректирует ширину дорожки и высоту диэлектрика. Как только производитель утвердит эти спецификации, он сможет приступить к производству платы. Вы можете запросить тест рефлектометрии во временной области (TDR) для подтверждения импеданса за определенную плату.

Контроль импеданса:

Фактический контроль импеданса — это то, что вы обычно запрашиваете только в том случае, если ваша конструкция имеет жесткие допуски по импедансу, которые может быть сложно достичь с первого раза. Когда пределы возможностей производителя приближаются к требованиям к размерам, может быть сложно обеспечить целевой импеданс с первой попытки.

В случае контроля импеданса производитель обеспечивает достижение печатной платой целевого импеданса, насколько это возможно. Затем они протестировали TDR, чтобы увидеть, добились ли они успеха. Если нет, они соответствующим образом корректируются и повторяют попытку, пока не достигнут требуемого импеданса.