With the increasing speed of PCB przełączanie sygnału, dzisiejsi projektanci PCB muszą zrozumieć i kontrolować impedancję ścieżek PCB. W związku z krótszymi czasami transmisji sygnału i wyższymi częstotliwościami taktowania nowoczesnych obwodów cyfrowych, ścieżki PCB nie są już prostymi połączeniami, ale liniami transmisyjnymi.

Jak kontrolować impedancję PCB?

W praktyce konieczne jest kontrolowanie impedancji śladowej, gdy graniczna prędkość cyfrowa przekracza 1ns lub częstotliwość analogowa przekracza 300Mhz. Jednym z kluczowych parametrów śladu płytki drukowanej jest jego charakterystyczna impedancja (stosunek napięcia do prądu w trakcie przemieszczania się fali wzdłuż linii transmisji sygnału). Impedancja charakterystyczna drutu na płytce drukowanej jest ważnym wskaźnikiem projektowania płytek drukowanych, szczególnie w przypadku projektowania obwodów wysokiej częstotliwości, należy rozważyć, czy impedancja charakterystyczna drutu jest zgodna z impedancją charakterystyczną wymaganą przez urządzenie lub sygnał. This involves two concepts: impedance control and impedance matching. This paper focuses on impedance control and lamination design.

Kontrola impedancji

Kontrola impedancji, przewodnik w płytce drukowanej będzie miał wszystkie rodzaje transmisji sygnału, aby poprawić szybkość transmisji i musi zwiększyć jej częstotliwość, jeśli sama linia ze względu na trawienie, grubość ułożenia, szerokość drutu i inne różne czynniki spowoduje zmiana wartości impedancji, zniekształcenie sygnału. Dlatego wartość impedancji przewodnika na płytce o dużej prędkości powinna być kontrolowana w pewnym zakresie, znanym jako „kontrola impedancji”.

The impedance of a PCB trace will be determined by its inductive and capacitive inductance, resistance, and conductivity coefficient. Główne czynniki wpływające na impedancję okablowania PCB to: szerokość drutu miedzianego, grubość drutu miedzianego, stała dielektryczna medium, grubość medium, grubość podkładki, ścieżka przewodu uziemiającego, okablowanie wokół okablowania itp. Impedancja PCB waha się od 25 do 120 omów.

W praktyce linia transmisyjna PCB składa się zwykle ze ścieżki, jednej lub więcej warstw odniesienia oraz materiałów izolacyjnych. Ślady i warstwy tworzą impedancję kontrolną. PCBs będą często wielowarstwowe, a impedancja kontrolna może być skonstruowana na wiele sposobów. However, whatever method is used, the impedance value will be determined by its physical structure and the electrical properties of the insulating material:

Szerokość i grubość śladu sygnału

Wysokość rdzenia lub materiału wstępnego wypełnienia po obu stronach śladu

Konfiguracja śladu i płytki

Insulation constants of core and prefilled materials

Linie transmisyjne PCB występują w dwóch głównych formach: Microstrip i Stripline.

Microstrip:

Linia mikropaskowa jest przewodem taśmowym z płaszczyzną odniesienia tylko po jednej stronie, z górą i bokami wystawionymi na działanie powietrza (lub pokrytymi), nad powierzchnią płytki drukowanej Er o stałej izolacji, z zasilaniem lub uziemieniem jako odniesieniem. Jak pokazano niżej:

Uwaga: W rzeczywistej produkcji PCB, producent płytek zwykle pokrywa powierzchnię PCB warstwą zielonego oleju, więc w rzeczywistych obliczeniach impedancji model pokazany poniżej jest zwykle używany do obliczania linii mikropaskowej powierzchni:

Linia paskowa:

Linia wstążki to wstążka z drutu umieszczona między dwiema płaszczyznami odniesienia, jak pokazano na poniższym rysunku. Stałe dielektryczne dielektryka reprezentowanego przez H1 i H2 mogą być różne.

The above two examples are only a typical demonstration of microstrip lines and ribbon lines. There are many kinds of specific microstrip lines and ribbon lines, such as coated microstrip lines, which are related to the specific laminated structure of PCB.

The equations used to calculate the characteristic impedances require complex mathematical calculations, usually using field solving methods, including boundary element analysis, so using the specialized impedance calculation software SI9000, all we need to do is control the parameters of the characteristic impedances:

Dielectric constant Er, wiring width W1, W2 (trapezoid), wiring thickness T and insulation layer thickness H.

W1, W2:

The calculated value must be within the red box. I tak dalej.

SI9000 służy do obliczania, czy spełnione są wymagania dotyczące kontroli impedancji:

Najpierw oblicz kontrolę impedancji na jednym końcu linii danych DDR:

Warstwa górna: grubość miedzi 0.5 uncji, szerokość drutu 5MIL, odległość 3.8mil od płaszczyzny odniesienia, stała dielektryczna 4.2. Wybierz model, zastąp parametry i wybierz Obliczanie bezstratne, jak pokazano na rysunku:

powłoka oznacza powłokę, a jeśli nie ma powłoki, należy wypełnić 0 w grubości i 1 w dielektryku (stała dielektryczna) (powietrze).

Podłoże oznacza warstwę podłoża, czyli warstwę dielektryczną, zwykle z użyciem fr-4, grubość obliczona przez program do obliczania impedancji, stała dielektryczna 4.2 (częstotliwość poniżej 1GHz).

Click on Weight (oz) to set the thickness of the copper layer, which determines the thickness of the cable.

9. Koncepcja warstwy izolacyjnej Prepreg/Core:

PP (Prepreg) to rodzaj materiału dielektrycznego, składającego się z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. Rdzeń jest właściwie TYPEM medium PP, ale jego dwie strony są pokryte folią miedzianą, podczas gdy PP nie jest. Podczas produkcji płyt wielowarstwowych rdzeń i PP są zwykle używane razem, a PP służy do łączenia rdzenia z rdzeniem.

10. Sprawy wymagające uwagi w projektowaniu laminowania PCB

(1) Problem wypaczenia

Układ warstw PCB powinien być symetryczny, to znaczy grubość warstwy medium i warstwy miedzi każdej warstwy powinna być symetryczna. Weźmy na przykład sześć warstw, grubość górnego-GND i dolnego medium zasilania powinna być zgodna z grubością miedzi, ORAZ GND-L2 i L3-POWER powinna być zgodna z grubością miedzi. Nie wypacza się podczas laminowania.

(2) Warstwa sygnałowa powinna być ściśle połączona z sąsiednią płaszczyzną odniesienia (tj. średnia grubość między warstwą sygnałową a sąsiednią warstwą miedzi powinna być bardzo mała); Opatrunek z miedzi energetycznej i opatrunek z miedzi uziemionej powinny być ciasno połączone.

(3) W przypadku bardzo dużej prędkości można dodać dodatkowe warstwy, aby odizolować warstwę sygnału, ale nie zaleca się izolowania wielu warstw mocy, które mogą powodować niepotrzebne zakłócenia.

(4) Rozkład typowych laminowanych warstw konstrukcyjnych przedstawia poniższa tabela:

(5) Ogólne zasady układania warstw:

Poniżej powierzchni komponentu (druga warstwa) znajduje się płaszczyzna uziemienia, która zapewnia warstwę ekranującą urządzenia i płaszczyznę odniesienia dla okablowania górnej warstwy;

Wszystkie warstwy sygnału przylegają w miarę możliwości do płaszczyzny uziemienia.

W miarę możliwości unikaj bezpośredniego sąsiedztwa między dwiema warstwami sygnału;

Główny zasilacz powinien być jak najbliżej przylegający;

Uwzględniona jest symetria struktury laminatu.

For the layer layout of the motherboard, it is difficult for the existing motherboard to control the parallel long-distance wiring, and the working frequency of the board level is above 50MHZ

(W przypadku warunków poniżej 50 MHz należy się do niego odnieść i odpowiednio go rozluźnić), sugerowana jest zasada układu:

Powierzchnia elementu i powierzchnia spawania to kompletna płaszczyzna uziemienia (tarcza);

Brak przylegającej warstwy równoległego okablowania;

Wszystkie warstwy sygnału przylegają w miarę możliwości do płaszczyzny uziemienia.

Kluczowy sygnał sąsiaduje z formacją i nie przekracza strefy segmentacji.