Progettazione PCB - Dove l'impedenza non può essere continua nel PCB

Tutti sanno che l'impedenza deve essere continua. Ci sono sempre momenti in cui l'impedenza non può essere continua nella progettazione PCB. Come si fa?

Impedenza caratteristica: nota anche come "impedenza caratteristica", non è una resistenza DC, appartiene al concetto di trasmissione a lungo termine. Nell'intervallo ad alta frequenza, durante la trasmissione del segnale, dove arriva il bordo del segnale, sarà generata una corrente istantanea tra la linea del segnale e il piano di riferimento (potenza o piano di terra) a causa della creazione di un campo elettrico.

Se la linea di trasmissione è isotropica, quindi finché il segnale sta trasmettendo, ci sarà sempre una corrente I e se la tensione di uscita del segnale è V, la linea di trasmissione sarà equivalente a una resistenza durante la trasmissione del segnale, la cui dimensione è V/I, Chiama questa resistenza equivalente l'impedenza caratteristica Z della linea di trasmissione.

Nel processo di trasmissione del segnale, se cambia l'impedenza caratteristica sul percorso di trasmissione, il segnale sarà riflesso nel nodo in cui l'impedenza è discontinua. I fattori che influenzano l'impedenza caratteristica sono: costante dielettrica, spessore dielettrico, larghezza della linea e spessore del foglio di rame.

[1] Linea sfumata

Alcuni pacchetti di dispositivi RF sono piccoli, la larghezza del pad SMD può essere piccola come 12 mil e la larghezza della linea del segnale RF può raggiungere 50 mil o più. Devono essere utilizzate linee sfumate e le mutazioni della larghezza della linea sono vietate. La linea del gradiente è come mostrato nella figura e la linea della parte di transizione non dovrebbe essere troppo lunga

[2] angolo

Se la linea del segnale RF funziona ad un angolo retto, la larghezza effettiva della linea all'angolo aumenterà e l'impedenza sarà discontinua, causando la riflessione del segnale. Per ridurre la discontinuità, per affrontare gli angoli, ci sono due metodi: smussatura e arrotondamento. Il raggio dell'angolo dell'arco dovrebbe essere abbastanza grande, in generale, per garantire: R>3W.

# Large pad #

Quando ci sono pad di grandi dimensioni sulla linea microstrip da 50 ohm, i pad di grandi dimensioni sono equivalenti alla capacità distribuita, che distrugge la caratteristica continuità di impedenza della linea microstrip. Due metodi possono essere presi per migliorare allo stesso tempo: in primo luogo, ispessire il dielettrico della linea di microstrip e in secondo luogo, scavare il piano di terra sotto il pad, che può ridurre la capacità distribuita del pad.

# Via #

Vias sono cilindri metallici placcati fuori dai fori passanti tra la parte superiore e gli strati inferiori del PCB. I segnali via collegano le linee di trasmissione su diversi strati. La via stub è la parte inutilizzata della via. Via pad sono distanziali a forma di anello che collegano la via alla linea di trasmissione superiore o interna. I dischi di isolamento sono vuoti anulari in ogni piano di potenza o di terra per evitare cortocircuiti ai piani di potenza e di terra.

Parametri parassitici dei vias

Dopo rigorosa derivazione della teoria fisica e analisi approssimativa, il modello di circuito equivalente della via può essere modellato come induttore collegato in serie con un condensatore di messa a terra ad entrambe le estremità

Modello di circuito equivalente di via

Si può vedere dal modello di circuito equivalente che la via stessa ha capacità parassitaria a terra. Supponiamo che il diametro dell'anti-pad via sia D2, il diametro del pad via è D1, lo spessore della scheda PCB è T e la costante dielettrica del substrato della scheda è ε, quindi la capacità parassitaria della via è approssimativamente:

La capacità parassitaria della via può causare il prolungamento del tempo di aumento del segnale e la velocità di trasmissione a rallentare, deteriorando così la qualità del segnale. Allo stesso modo, i vias hanno anche induttanza parassitaria. Nei PCB digitali ad alta velocità, il danno causato dall'induttanza parassitaria è spesso maggiore della capacità parassitaria.

La sua induttanza di serie parassitaria indebolirà il contributo del condensatore bypass, indebolindo così l'effetto filtrante dell'intero sistema di alimentazione. Supponiamo che L sia l'induttanza della via, h sia la lunghezza della via e d sia il diametro del foro centrale. L'induttanza parassitaria approssimativa della via è simile a:

I vias sono uno dei fattori importanti che causano discontinuità di impedenza sul canale RF. Se la frequenza del segnale è superiore a 1 GHz, deve essere considerato l'impatto dei vias.

Metodi comuni per ridurre la discontinuità di via impedenza includono: adozione di un processo discless, selezione di un metodo di uscita e ottimizzazione del diametro dell'anti-pad. L'ottimizzazione del diametro anti-pad è uno dei metodi più comunemente utilizzati per ridurre le discontinuità di impedenza. Poiché le caratteristiche dei vias sono correlate alle dimensioni strutturali come apertura, pad, anti-pad, struttura laminata e metodo di cablaggio, si raccomanda di utilizzare HFSS e Optimetrics per la simulazione di ottimizzazione in base alla situazione specifica durante ogni progetto.

Quando si utilizza un modello parametrico, il processo di modellazione è semplice. Durante la revisione, i progettisti di PCB sono tenuti a fornire i documenti di simulazione corrispondenti.

Il diametro della via, il diametro del pad, la profondità e l'anti-pad porteranno tutti cambiamenti, con conseguente discontinuità di impedenza, riflessione e gravità della perdita di inserzione.

Connettore coassiale passante

Simile alla struttura via, il connettore coassiale passante ha anche discontinuità di impedenza, quindi la soluzione è la stessa di quella della via. I metodi comunemente utilizzati per ridurre la discontinuità di impedenza dei connettori coassiali passanti sono anche: adottare un processo discless, un metodo di uscita adatto e ottimizzare il diametro dell'anti-pad.