Con la velocidad creciente de PCB conmutación de señal, los diseñadores de PCB de hoy necesitan comprender y controlar la impedancia de las trazas de PCB. En correspondencia con los tiempos de transmisión de señal más cortos y las velocidades de reloj más altas de los circuitos digitales modernos, las trazas de PCB ya no son conexiones simples, sino líneas de transmisión.

Cómo controlar la impedancia de la PCB

En la práctica, es necesario controlar la impedancia de la traza cuando la velocidad marginal digital excede 1ns o la frecuencia analógica excede 300Mhz. Uno de los parámetros clave de una traza de PCB es su impedancia característica (la relación entre el voltaje y la corriente cuando la onda viaja a lo largo de la línea de transmisión de la señal). La impedancia característica del cable en la placa de circuito impreso es un índice importante del diseño de la placa de circuito, especialmente en el diseño de PCB de circuito de alta frecuencia, se debe considerar si la impedancia característica del cable es consistente con la impedancia característica requerida por el dispositivo o la señal. Esto involucra dos conceptos: control de impedancia y adaptación de impedancia. Este documento se centra en el control de impedancia y el diseño de laminación.

Control de impedancia

Control de impedancia, el conductor en la placa de circuito tendrá todo tipo de transmisión de señal, para mejorar la velocidad de transmisión y debe aumentar su frecuencia, si la línea en sí debido al grabado, el grosor de apilamiento, el ancho del cable y otros factores diferentes, causará cambio del valor de impedancia, la distorsión de la señal. Por lo tanto, el valor de impedancia del conductor en la placa de circuito de alta velocidad debe controlarse dentro de un cierto rango, conocido como “control de impedancia”.

La impedancia de una traza de PCB estará determinada por su inductancia inductiva y capacitiva, resistencia y coeficiente de conductividad. Los principales factores que afectan la impedancia del cableado de PCB son: el ancho del cable de cobre, el grosor del cable de cobre, la constante dieléctrica del medio, el grosor del medio, el grosor de la almohadilla, la ruta del cable de tierra, el cableado alrededor del cableado etc. La impedancia de la PCB varía de 25 a 120 ohmios.

En la práctica, una línea de transmisión de PCB generalmente consta de una traza, una o más capas de referencia y materiales aislantes. Las trazas y las capas forman la impedancia de control. Los PCBS suelen tener varias capas y la impedancia de control se puede construir de diversas formas. Sin embargo, sea cual sea el método que se utilice, el valor de impedancia vendrá determinado por su estructura física y las propiedades eléctricas del material aislante:

Ancho y grosor de la traza de la señal

La altura del núcleo o material de relleno previo a cada lado de la traza.

Configuración de traza y placa

Constantes de aislamiento de núcleos y materiales precargados

Las líneas de transmisión de PCB vienen en dos formas principales: Microstrip y Stripline.

Microstrip:

Una línea de microcinta es un conductor de banda con un plano de referencia en un solo lado, con la parte superior y los lados expuestos al aire (o revestidos), por encima de la superficie de la placa de circuito Er constante de aislamiento, con la fuente de alimentación o la conexión a tierra como referencia. Como se muestra abajo:

Nota: En la fabricación real de PCB, el fabricante de la placa generalmente recubre la superficie de la PCB con una capa de aceite verde, por lo que en el cálculo de impedancia real, el modelo que se muestra a continuación se usa generalmente para el cálculo de la línea de microcinta de superficie:

línea de cinta:

Una línea de cinta es una cinta de alambre colocada entre dos planos de referencia, como se muestra en la figura siguiente. Las constantes dieléctricas del dieléctrico representado por H1 y H2 pueden ser diferentes.

Los dos ejemplos anteriores son solo una demostración típica de líneas de microcinta y líneas de cinta. Hay muchos tipos de líneas de microcinta y líneas de cinta específicas, como las líneas de microcinta revestidas, que están relacionadas con la estructura laminada específica de PCB.

Las ecuaciones utilizadas para calcular las impedancias características requieren cálculos matemáticos complejos, generalmente utilizando métodos de resolución de campo, incluido el análisis de elementos de contorno, por lo que utilizando el software de cálculo de impedancia especializado SI9000, todo lo que necesitamos hacer es controlar los parámetros de las impedancias características:

Constante dieléctrica Er, ancho de cableado W1, W2 (trapezoide), espesor de cableado T y espesor de capa de aislamiento H.

W1, W2:

El valor calculado debe estar dentro del cuadro rojo. Y así sucesivamente.

SI9000 se utiliza para calcular si se cumplen los requisitos de control de impedancia:

Primero calcule el control de impedancia de un solo extremo de la línea de datos DDR:

Capa SUPERIOR: espesor de cobre de 0.5 oz, ancho de alambre de 5MIL, distancia de 3.8mil desde el plano de referencia, constante dieléctrica 4.2. Seleccione el modelo, sustitúyalo en los parámetros y seleccione Cálculo sin pérdidas, como se muestra en la figura:

Recubrimiento significa recubrimiento, y si no hay recubrimiento, llene 0 de espesor y 1 de dieléctrico (constante dieléctrica) (aire).

Substrato significa capa de sustrato, es decir, capa dieléctrica, generalmente usando fr-4, espesor calculado por software de cálculo de impedancia, constante dieléctrica 4.2 (frecuencia menor a 1GHz).

Haga clic en Peso (oz) para establecer el grosor de la capa de cobre, que determina el grosor del cable.

9. Concepto preimpregnado / núcleo de la capa de aislamiento:

PP (Prepreg) es un tipo de material dieléctrico, compuesto de fibra de vidrio y resina epoxi. El núcleo es en realidad un TIPO de medio PP, pero sus dos lados están cubiertos con una lámina de cobre, mientras que el PP no lo está. Cuando se fabrican tableros multicapa, el núcleo y el PP se usan generalmente juntos, y el PP se usa para unir el núcleo y el núcleo.

10. Asuntos que requieren atención en el diseño de laminación de PCB

(1) Problema de deformación

El diseño de la capa de PCB debe ser simétrico, es decir, el grosor de la capa media y la capa de cobre de cada capa debe ser simétrico. Tomemos seis capas, por ejemplo, el grosor del medio superior GND y de potencia inferior debe ser consistente con el grosor del cobre, Y el del medio GND-L2 y L3-POWER debe ser consistente con el grosor del cobre. Esto no se deformará al plastificar.

(2) La capa de señal debe estar estrechamente acoplada con el plano de referencia adyacente (es decir, el grosor medio entre la capa de señal y la capa de revestimiento de cobre adyacente debe ser muy pequeño); El apósito de cobre de potencia y el apósito de cobre molido deben estar bien acoplados.

(3) En el caso de velocidades muy altas, se pueden agregar capas adicionales para aislar la capa de señal, pero se recomienda no aislar múltiples capas de potencia, que pueden causar interferencias de ruido innecesarias.

(4) La distribución de las capas de diseño laminado típicas se muestra en la siguiente tabla:

(5) Principios generales de disposición de capas:

Debajo de la superficie del componente (la segunda capa) está el plano de tierra, que proporciona la capa de blindaje del dispositivo y el plano de referencia para el cableado de la capa superior;

Todas las capas de señal son adyacentes al plano de tierra en la medida de lo posible.

Evite la adyacencia directa entre dos capas de señal en la medida de lo posible;

La fuente de alimentación principal debe estar lo más adyacente posible;

Se tiene en cuenta la simetría de la estructura laminada.

Para el diseño de capas de la placa base, es difícil que la placa base existente controle el cableado paralelo de larga distancia, y la frecuencia de trabajo del nivel de la placa es superior a 50 MHZ

(Para condiciones por debajo de 50MHZ, consúltelo y relájelo apropiadamente), se sugiere el principio de diseño:

La superficie del componente y la superficie de soldadura son un plano de tierra completo (blindaje);

Sin capa de cableado paralelo adyacente;

Todas las capas de señal son adyacentes al plano de tierra en la medida de lo posible.

La señal clave es adyacente a la formación y no cruza la zona de segmentación.