PCB Tecnico - Come controllare l'impedenza PCB

Le velocità di commutazione del segnale PCB continuano ad aumentare, i progettisti di PCB di oggi devono comprendere e controllare l'impedenza delle tracce PCB. Corrispondente al più breve tempo di trasmissione del segnale e al più alto tasso di clock dei moderni circuiti digitali, le tracce PCB non sono più semplici connessioni, ma linee di trasmissione.

Come controllare l'impedenza PCB

Nelle situazioni reali, è necessario controllare l'impedenza di traccia quando la velocità marginale digitale è superiore a 1ns o la frequenza analogica supera 300Mhz. Uno dei parametri chiave di una traccia PCB è la sua impedenza caratteristica (cioè il rapporto tra tensione e corrente quando l'onda viene trasmessa lungo la linea di trasmissione del segnale). L'impedenza caratteristica dei fili sul circuito stampato è un indicatore importante della progettazione del circuito stampato. Soprattutto nella progettazione PCB dei circuiti ad alta frequenza, è necessario considerare se l'impedenza caratteristica dei fili è coerente con l'impedenza caratteristica richiesta dal dispositivo o dal segnale e se corrispondono. Questo comporta due concetti: controllo dell'impedenza e corrispondenza dell'impedenza. Questo articolo si concentra sulle questioni del controllo dell'impedenza e del design laminato.

Controllo dell'impedenza PCB (controllo eImpedenza), i conduttori nel circuito stampato trasmetteranno vari segnali. Per aumentare la sua velocità di trasmissione, la sua frequenza deve essere aumentata. Se il circuito stesso è inciso, spessore laminato, larghezza del filo e altri fattori, cambierà il valore di impedenza e il segnale è distorto. Pertanto, il valore di impedenza del conduttore sul circuito ad alta velocità dovrebbe essere controllato entro un certo intervallo, che è chiamato "controllo dell'impedenza".

L'impedenza della traccia PCB sarà determinata dalla sua induttanza induttiva e capacitiva, resistenza e conducibilità. I fattori principali che influenzano l'impedenza delle tracce PCB sono: la larghezza del filo di rame, lo spessore del filo di rame, la costante dielettrica del mezzo, lo spessore del mezzo, lo spessore del pad, il percorso del filo di terra e il cablaggio intorno al filo. La gamma di impedenza PCB è da 25 a 120 ohm.

Nelle situazioni reali, le linee di trasmissione PCB di solito consistono in una traccia di filo, uno o più strati di riferimento e materiali isolanti. La traccia e lo strato di bordo costituiscono l'impedenza di controllo. Il PCB adotterà spesso una struttura a più strati e l'impedenza di controllo può anche essere costruita in vari modi. Tuttavia, indipendentemente dal metodo utilizzato, il valore di impedenza sarà determinato dalla sua struttura fisica e dalle caratteristiche elettriche del materiale isolante:

Larghezza e spessore della traccia del segnale

L'altezza del nucleo o del materiale preriempito su entrambi i lati della traccia

Configurazione di tracce e livelli

Costante di isolamento del nucleo e del materiale preriempito

Ci sono due forme principali di linee di trasmissione PCB: Microstrip e Stripline.

Impedenza PCB di controllo Microstrip:

Una linea microtrip è un filo a forma di nastro, che si riferisce a una linea di trasmissione con un piano di riferimento su un solo lato. Il piano e i lati sono esposti all'aria (lo strato di rivestimento può anche essere applicato), e si trova sulla superficie del circuito Er costante di isolamento. Il piano di potenza o di terra è un riferimento. Come indicato di seguito:

Nota: Nella produzione effettiva di PCB, la fabbrica IPCB di solito ricopre la superficie del PCB con uno strato di olio verde. Pertanto, nel calcolo dell'impedenza effettiva, la linea di microstrappo superficiale è solitamente calcolata utilizzando il modello mostrato nella figura seguente:

Impedenza PCB di controllo Stripline:

La striscia è un filo di striscia posizionato tra due piani di riferimento. Come mostrato nella figura sottostante, le costanti dielettriche dei dielettrici rappresentate da H1 e H2 possono essere diverse.

I due esempi di cui sopra sono solo una tipica dimostrazione di linee microstrip e strisce. Ci sono molti tipi di linee specifiche di microstrip e strisce, come linee rivestite di microstrip, che sono correlate alla struttura specifica del laminato PCB.

L'equazione utilizzata per calcolare l'impedenza caratteristica richiede calcoli matematici complessi, solitamente utilizzando metodi di field solving, compresa l'analisi degli elementi di contorno, quindi utilizzando lo speciale software di calcolo dell'impedenza SI9000, tutto ciò che dobbiamo fare è controllare i parametri dell'impedenza caratteristica:

Costante dielettrica Er dello strato isolante, larghezza della traccia W1, W2 (trapezio), spessore della traccia T e spessore dello strato isolante H.

Il concetto di Prepreg/Core dello strato isolante:

PP (prepreg) è un genere di materiale dielettrico, composto da fibra di vetro e resina epossidica. Il nucleo è in realtà un mezzo tipo PP, ma è coperto con foglio di rame su entrambi i lati, mentre PP no. Quando si realizzano schede multistrato, di solito CORE e PP sono utilizzati insieme, e CORE e CORE sono legati con PP.

Precauzioni nella progettazione del laminato PCB:

(1) Il problema della warpage

Il design del laminato PCB dovrebbe essere simmetrico, cioè lo spessore dielettrico di ogni strato e lo spessore del rame di ogni strato sono simmetrici. Prendete la scheda a sei strati, lo spessore dielettrico di TOP-GND e BOTTOM-POWER è lo stesso dello spessore del rame, e GND-L2 è lo stesso di quello di BOTTOM-POWER. Lo spessore dielettrico di L3-POWER è lo stesso dello spessore del rame. Questo non si deformerà durante la laminazione.

(2) lo strato del segnale dovrebbe essere strettamente accoppiato con il piano di riferimento adiacente (cioè, lo spessore dielettrico tra lo strato del segnale e lo strato di rame adiacente dovrebbe essere piccolo); il rame di potenza e il rame macinato dovrebbero essere strettamente accoppiati.

(3) Nel caso di velocità molto elevate, gli strati di terra supplementari possono essere aggiunti per isolare lo strato del segnale, ma si raccomanda di non isolare più strati di potenza, che possono causare interferenze sonore inutili.

(4) La distribuzione degli strati di progettazione laminati tipici è indicata nella seguente tabella:

(5) Principi generali della disposizione degli strati:

Il fondo della superficie del componente (il secondo strato) è il piano di terra, che fornisce uno strato di schermatura del dispositivo e un piano di riferimento per il cablaggio dello strato superiore;

Tutti gli strati di segnale sono il più vicino possibile al piano di terra;

Cercate di evitare due livelli di segnale direttamente adiacenti;

L'alimentatore principale è il più vicino possibile ad esso corrispondente;

Prendere in considerazione la simmetria della struttura laminata.

Per il layout dei livelli della scheda madre, è difficile per la scheda madre esistente controllare il cablaggio parallelo a lunga distanza.

(Fare riferimento alla situazione al di sotto di 50MHZ e rilassarsi adeguatamente), si raccomanda il principio della disposizione:

La superficie del componente e la superficie di saldatura sono un piano di terra completo (scudo);

Nessun cablaggio parallelo adiacente;

Tutti gli strati di segnale sono il più vicino possibile al piano di terra;

Il segnale chiave è adiacente al terreno e non attraversa la partizione.

La fabbrica IPCB può fornire ai clienti la progettazione di simulazione di impedenza PCB di controllo a 2-70 strati.