импеданс печатной платы

Контроль импеданса на печатных платах: зачем/ как контролировать/ расчет импеданса

каталог

Что такое импеданс печатной платы?

Здравый смысл контроль импеданса представляет собой метод физического динамического контроля, зависящий от силы и положения. Он определяет движение, которое производит сила. Контроль импеданса на печатной плате выражает контроль ширины и высоты дорожек печатной платы, диэлектрических материалов и других факторов производственного процесса, влияющих на распространение сигнала в цепи. 

Полное сопротивление измеряет полное сопротивление цепи при подаче переменного тока. Это комбинация емкости и индукции в цепи печатной платы. Импеданс влияет на то, как сигналы проходят через плату, как мощность передается между компонентами и как сигналы поступают в нежелательные области печатной платы. Импеданс может меняться в зависимости от рабочей частоты. Формула импеданса обычно представляется как Z = R – j/ωC + jωL, где ω = 2πf. Передача оптимальна, когда сигнал передается от проводника с заданным импедансом к другому проводнику с таким же импедансом. С другой стороны, если импедансы разные, будут возникать отражения и затухания, ухудшающие сигнал.

Разница между импедансом и сопротивлением.

Импеданс измеряется в омах, аналогично сопротивлению. Однако эти два значения не следует складывать вместе, поскольку сопротивление является характеристикой постоянного тока. То есть сопротивление может ограничивать цепь постоянного тока и переменный ток, а импеданс может ограничивать только переменный ток. Импеданс не имеет значения в цепи постоянного тока. 

СопротивлениеИмпеданс
RZ
Два или более сопротивлений последовательно могут быть добавлены арифметически.Для суммирования импедансов необходимо выполнить сложение векторов.
Не зависит от частоты питания.В основном зависит от частоты питания.
Ток через сопротивление всегда находится в фазе с напряжением на нем.Ток и напряжение не совпадают по фазе. Разность фаз зависит от индуктивности или емкости, присутствующих в импедансе.

Что такое контроль импеданса?

Контроль импеданса, будут различные формы сигналов, которые необходимо передать на печатной плате, а общую скорость передачи можно увеличить, увеличив ее частоту. Сама схема будет по-разному влиять на значение импеданса из-за различных факторов, таких как физический размер печатной платы, диэлектрические материалы, травление, толщина пакета и ширина линии, и сигнал будет искажен. Поэтому значение импеданса проводников на быстродействующей печатной плате должно контролироваться в пределах ограниченного диапазона конструкции печатной платы, а обеспечение стабильности сигнала печатной платы называется «контролем импеданса». 

Важность контроля импеданса.

Хороший контроль импеданса позволяет печатной плате выполнять более быструю и стабильную работу с меньшим потреблением энергии. Тем самым повышая ценность и стабильность продукта. В некоторых конкретных областях сигналы схемы печатной платы требуют определенных импедансов для правильной работы. Примеры включают радиочастотную связь, телекоммуникации, высококачественное аналоговое видео (например, DDR, HDMI, Gigabit Ethernet) и электронные устройства, использующие высокочастотные сигналы выше 100 МГц.
В процессе передачи высокочастотного сигнала дорожки цепи на печатной плате играют роль в передаче, и каждая точка дорожки имеет определенное значение импеданса. Если импеданс меняется от одной точки к другой, возникают отражения сигнала. Отражения будут двигаться в направлении, противоположном передаче сигнала, что изменит целостность исходного сигнала. Его величина будет зависеть от разницы между двумя импедансами, слишком большая разница может привести к тому, что сигнал не будет выполнять желаемую функцию. 

Таким образом, согласование импеданса поддерживает постоянный импеданс по всем направлениям для защиты передаваемых данных от повреждения и поддержания чистоты сигнала. Сигнальные дорожки на печатной плате должны иметь одинаковый контролируемый импеданс, а более длинные дорожки или более высокие частоты требуют большей адаптации. чтобы свести к минимуму искажения сигнала, вызванные отражениями. Правильная компоновка печатной платы является первым шагом в улучшении целостности сигнала на дорожках печатной платы.

Как сделать контроль импеданса в печатной плате?

В настоящее время существует пять методов, обеспечивающих эффективное управление импедансом печатной платы:

  • Дайте четкие сигналы во время проектирования печатной платы.
    Разработчику печатной платы рекомендуется указать, какие сигналы требуют управления импедансом при разработке проекта.
    Также прилагается лист технических данных компонента, в котором содержится информация о классе сигнала каждого компонента и соответствующих значениях импеданса.
    Также укажите, какой слой более подходит для передачи отдельных сигналов и какие правила интервалов должны использоваться между трассами.
  • Выберите соответствующую форму линии передачи: микрополосковая линия и полосковая линия.
    Микрополосковая линия — это цепная линия, широко используемая для высокочастотной передачи, например, в антеннах, фильтрах и делителях мощности. Микрополосковая линия для самого внешнего слоя печатной платы представляет собой линию электропередачи, которую можно изготовить с использованием технологии печатных плат для передачи сигналов микроволновой частоты. Микрополосковые устройства могут быть построены на обычных Подложки FR-4 для снижения стоимости в общих приложениях. Он состоит из проводящих полос, отделенных от заземляющего слоя диэлектрическим слоем, называемым подложкой. Сопротивление зависит от диэлектрической проницаемости, толщины изоляционного материала, ширины и толщины дорожек. Эти факторы влияют на величину импеданса, поэтому рабочую частоту схемы также следует выбирать на этапе проектирования.
микрополосковая линия и полосковая линия
  • Убедитесь, что все дорожки и компоненты на печатной плате находятся на определенном расстоянии.
    Во время проектирования печатной платы дорожки с контролируемым импедансом должны быть правильно удалены от других дорожек и различных компонентов на печатной плате, чтобы максимально исключить перекрестные помехи. Это явление обычно затрагивает микрополосковые линии. Поэтому мы рекомендуем, чтобы минимальное расстояние составляло «2W» (W представляет собой ширину линии контроля импеданса), а «3W» является наилучшим, если позволяют условия.
    Когда его необходимо применить к месту передачи высокочастотных сигналов, минимальное расстояние следует увеличить до «5 Вт». Держите на расстоянии не менее 30 милов от любого другого типа дорожки для лучшей изоляции.
  • Унифицируйте длину следов.
    Унификация длины трасс во время передачи сигнала позволяет избежать задержки частоты сигнала (это основано на том факте, что все трассы остаются постоянными). В группе сигналов с высокоскоростным распространением особенно важно гарантировать, что все сигналы могут достигать пункта назначения одновременно.
    Если сигнал поступает из другой точки, в более короткую дорожку обычно вставляется серпантин, чтобы компенсировать длину по сравнению с другими дорожками.
  • Контролируйте использование емкостных компонентов.
    Если вы можете попытаться не использовать компоненты и конденсаторы между сигнальными дорожками, любой компонент будет иметь некоторые фильтрующие помехи в значении импеданса. Если размещение конденсаторов неизбежно, их следует располагать симметрично, чтобы обеспечить единообразие сигнала на всех дорожках.

Как измерить импеданс дорожки печатной платы?

Я считаю, что вы должны были узнать, что импеданс будет влиять на распространение сигналов в печатной плате из вышеприведенного введения. Он не виден сам по себе, поэтому необходимо использовать какой-либо метод для измерения импеданса цепи. 

  • Аналоговая схема.
    Проверьте функциональность дизайна платы в программе проектирования печатных плат после завершения проектирования печатной платы. Многие программы проектирования могут имитировать реальное использование на основе предлагаемых значений всех физических размеров, материалы, ширина линий, компоненты, диэлектрические материалы, толщина стопки и т. д. печатной платы. Затем измерьте сопротивление цепи печатной платы.
  • Онлайн калькулятор.
    В настоящее время в Интернете существует множество онлайн-калькуляторов импеданса. Хотя он не такой подробный, как аналоговые схемы, он может рассчитывать контрольные значения импеданса и параметры маршрутизации на основе эмпирических формул. Конечно, большинство средств расчета не могут учитывать форму дорожки и диэлектрический материал. Этот метод может дать только приблизительное значение, чтобы помочь вам внести определенные числовые корректировки перед производством.
  • Инструментальное измерение.
    После того, как изготовление печатной платы завершено, проводится фактический тест прохождения схемы с использованием прибора для измерения импеданса. Можно измерить реальную стабильность передачи сигнала печатной платы. Конечно, инструментальные измерения не охватывают более поздние компоненты сборки и условия использования. Длина провода, протекающий ток и температура окружающей среды компонента будут иметь разную степень влияния на импеданс печатной платы в реальных условиях использования. Распространенным методом является испытание летающим зондом. Конкретную информацию см. в содержании теста JHD PCB.

Как рассчитать сопротивление в цепи?

Когда мы хотим получить импеданс цепи путем ручного расчета, нам нужно использовать некоторые встроенные формулы расчета. 

Если в цепи нет установленных компонентов, формула расчета импеданса цепи: Z=√(L/C).
L — собственная индуктивность цепи на единицу длины, а C — собственная емкость цепи на единицу длины. Для изменения характеристического сопротивления линии передачи необходимо исходить из собственной индуктивности и емкости цепи на единицу длины.

Есть много факторов, которые необходимо учитывать при расчете импеданса цепи печатной платы. Вы можете использовать следующую формулу трассировки импеданса печатной платы для расчета импеданса цепи:

формула расчета импеданса печатной платы

εr : Диэлектрическая проницаемость материала;
H: Высота изоляционного материала между дорожкой и поверхностью подложки;
W : Ширина следа;
T : Толщина следа; 

Принимая во внимание, что когда линейные компоненты включены в печатную плату, вам необходимо знать емкость и полное сопротивление цепи всех компонентов, которые влияют на полное сопротивление цепи.
Основные принципы электроники, такие как закон Ома и закон Кирхгофа, можно использовать для анализа, чтобы определить импеданс, напряжение и ток в цепи.
Для последовательной цепи полное сопротивление можно рассчитать по следующей формуле: 

Полное сопротивление последовательной цепи

Поскольку и емкостное, и индуктивное реактивное сопротивление являются функциями угловой частоты, полное сопротивление выражается в виде комплексного числа с действительной и мнимой частями.
Это обычное выражение для импеданса цепи: Z = R + jX.

Вычисления импеданса становятся более сложными, когда схема содержит усилители, транзисторы, диоды и другие компоненты, выходной сигнал которых является нелинейной функцией силы входного сигнала. При изменении уровня входного сигнала трансимпеданс каждого нелинейного элемента схемы и эквивалентный импеданс схемы также изменяются.
Для более сложных цепей и цепей с нелинейными компонентами требуются более совершенные методы моделирования и анализа для определения импеданса аналоговых сигналов в цепи. 

Какие факторы влияют на контроль импеданса?

Я полагаю, что некоторые друзья смогли догадаться, какие факторы влияют на импеданс цепи, исходя из приведенной выше формулы расчета импеданса дорожки печатной платы. Ниже перечислены все факторы, влияющие на импеданс дорожек печатной платы: 

  • Ширина (w) и толщина (T) следа;
  • Диэлектрическая проницаемость (ER) препрега платы;
  • Толщина изоляционного материала между дорожками (H);
  • Допуски производственного процесса; (допуски на покрытие, допуски на травление, наличие или отсутствие резиста припоя, переходного сопротивления и т. д.)
  • Полное сопротивление компонента;

Ширина и толщина трассы: 
На печатной плате ширина и толщина медной фольги имеют решающее значение. По мере увеличения ширины и толщины дорожки импеданс постепенно уменьшается. На следующем рисунке показано соотношение между импедансом и дорожками (шириной и толщиной):

Взаимосвязь между импедансом и шириной трассы

Как видно из рисунка, импеданс резко меняется с шириной дорожки. Но когда проектировщики проектируют печатную плату, они определяют дорожки на основе нескольких различных факторов, включая контроль температуры и допустимый ток. Все разработано на основе ожидаемого импеданса, специфичного для платы. Поэтому в процессе производства необходимо следить за тем, чтобы ширина дорожки соответствовала условиям. При обычном производстве печатных плат, если для передачи сигнала для управления импедансом выбрана медная фольга с допуском ширины 18 мкм, допустимый допуск ширины дорожки обычно составляет ±0,015 мм. Если выбрана медная фольга с допуском ширины 35 мкм, допустимый допуск ширины дорожки составляет ±0,003 мм.JHDPCB уделяет особое внимание контролю производственные допуски для обеспечения нормального использования конструкции печатной платы. 

Диэлектрическая проницаемость препрега платы: 
Выбор подходящего материала также является ключом к контролю импеданса, диэлектрическая проницаемость (Dk) материала препрега напрямую влияет на значение импеданса. Материалы со стабильной низкой диэлектрической проницаемостью легче контролировать импеданс. Толщина и содержание смолы в материале являются двумя ключевыми факторами, определяющими диэлектрическую проницаемость материала, и значение Dk уменьшается с увеличением толщины. Поэтому мы даем следующие рекомендации, которые помогут вам выбрать правильный материал для контроля импеданса:
Старайтесь выбирать субстрат с высоким содержанием смолы – чем выше содержание смолы, тем ниже значение Dk. Уменьшите колебания импеданса.
Старайтесь выбирать материал с низкой диэлектрической проницаемостью — чем ниже значение Dk, тем выше скорость и стабильность передачи сигнала.Особенно подходит для высокочастотных применений.
Старайтесь не использовать более трех типов препрегов в стеке слоев. Увеличение штабелирования различных типов субстратов также сопряжено с повышенным риском. Это не способствует расчету диэлектрической проницаемости общей толщины. Прочтите статью CCL, чтобы узнать больше о классификации подложек для печатных плат, стандартах качества и возможностях производства препрегов JHD.

Толщина изоляционного материала между дорожками:
Это легко понять. Увеличение толщины изоляционного материала между дорожками цепи также в определенной степени увеличивает импеданс. Обратите внимание, что обычно не рекомендуется уменьшать толщину изоляционного материала, если необходимо уменьшить импеданс. Уменьшенная толщина изоляционного материала означает повышенный риск перекрестных помех, особенно в приложениях с высокочастотными сигналами. Поэтому в нормальных условиях для контроля импеданса предпочтительны другие методы.

Производственный допуск:
Толщина покрытия также влияет на толщину следа, поэтомуобработка поверхности особенно важно. Удалите загрязнения с поверхности перед гальванопокрытием, чтобы избежать неровностей, влияющих на постоянство импеданса.
Химическая коррозия цепи в процессе травления напрямую влияет на ширину и толщину дорожек.Контроль над допусками травления эквивалентен контролю над трассами.
В каком-то специальном процессе изготовления платы, если травление выполняется после гальванического покрытия, гальваническое покрытие меди напрямую повлияет на толщину меди в цепи, и значение импеданса также изменится соответственно. В это время необходимо обратить особое внимание к контролю допуска гальванических покрытий.
Переходные отверстия и переходные отверстия в производстве многослойных плат и печатных плат HDI взаимодействуют друг с другом между соединительными проводящими элементами. Импеданс переходных отверстий обычно составляет от 25 до 35 Ом. Следовательно, существует взаимодействие между переходным отверстием и импедансом цепи. Когда переходные отверстия размещаются на дорожках цепи, возникает шумовая связь, которая влияет на стабильность импеданса. Следовательно, при проектировании необходимо избегать размещения переходных отверстий между дифференциальными парами. Для получения информации о других типах отверстий см “Знаете ли вы, какие типы отверстий на печатных платах?

Сборка электронных компонентов:
На импеданс цепи также влияет размещение компонентов. Резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности являются одними из основных элементов схемы.
На резистор влияет ток, а значение сопротивления не зависит от частоты источника питания. Его импеданс – это измерение его сопротивления:
Z = R
Обычно реактивное сопротивление конденсатора обратно пропорционально угловой частоте сигнала. Емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты. Полное сопротивление конденсатора равно его емкостному реактивному сопротивлению, а полное сопротивление конденсатора рассчитывается по формуле для частоты входного сигнала:
X c = 1/2 πfC
Катушки индуктивности работают аналогично конденсаторам, но они обеспечивают полное сопротивление цепи, пропорциональное угловой частоте сигнала. Формула выглядит следующим образом:
X L = 2πfL
Это основные компоненты, которые чаще всего используются для расчета импеданса, но они не единственные компоненты печатной платы. В конструкции также есть транзисторы, ИС, диоды и другие пассивные компоненты, которые вносят в схему разную степень импеданса.

Руководство по проектированию импеданса печатной платы.

Как составить печатную плату с регулируемым импедансом?

Применение полной стратегии контроля импеданса на ранней стадии проектирования печатных плат поможет обеспечить бесперебойную работу проектирования и производства печатных плат.
Во-первых, необходимо определить, какие сигналы на печатной плате требуют определенного контроля импеданса. Для каждой группы сигналов разрабатывается подробная таблица данных, в которой содержится информация о значении импеданса. Как рейтинги сигналов, так и правила размещения дорожек могут быть включены в листы технических данных или производственную документацию.
Затем разработчик должен указать на схеме управляющий сигнал импеданса. Определите тип сигнала как несимметричную сеть или дифференциальную пару и добавьте индикацию полярности N и P для цепи дифференциальной пары. При проектировании по требуемому значению импеданса сигнала необходимо указать значения нескольких важных параметров: 

  • Количество слоев платы;
  • ширина дорожки печатной платы;
  • высота дорожки печатной платы;
  • Удельное значение импеданса слоя, на котором расположена трасса;
  • Диэлектрическая проницаемость основного материала;
  • Толщина изоляционного материала;
  • Требования к допускам для конкретных производственных процессов;
  • Расстояние между компонентами на трассе;

Добавление подробных параметрических диаграмм для определения контроля импеданса обеспечит четкую спецификацию для последующего производственного процесса производителя печатных плат.
Если разработчик не задокументирует эти параметры для определения контроля импеданса, могут возникнуть задержки во времени выполнения заказа. Например, производители, столкнувшиеся с расплывчатыми техническими документами для многослойных плат, не уверены, следует ли требовать контроля импеданса на всех слоях или только на определенных слоях; или предоставленная документация не содержит полных подробных спецификаций контроля импеданса. Например, вес меди, толщина слоя и ширина дорожки без указанных допусков и т. д. Отсутствие какой-либо информации повлияет на общее время доставки и даже приведет к потере сигнала печатной платы или невозможности ее нормального использования, что приведет к неоценимому экономическому ущербу.

Лучший совет по проектированию управления импедансом.

Когда проектировщик указывает контроль импеданса, частота ошибок должна быть сведена к минимуму, чтобы обеспечить своевременность и качество производство печатных плат. Вот некоторые общие рекомендации по контролю импеданса: 

Обозначение параметра: Как упоминалось выше, все факторы, влияющие на управление импедансом, сортируются и суммируются на ранней стадии проектирования. При необходимости маркировка слоев дизайна помогает контролировать производственный процесс.
Трассы с контролируемым импедансом следует отличать от других трасс:Различение дорожек с контролируемым импедансом помогает последующим производителям печатных плат быстро их идентифицировать. При необходимости ширину и высоту трассы можно изменить быстрее и точнее для достижения определенного значения импеданса.
Поддерживайте постоянную ширину трассы: В нормальных условиях каждый слой печатной платы может иметь только одинаковую ширину дорожки. Если в вашем документе спецификации указаны две дорожки разной ширины с одинаковым импедансом на одном и том же слое платы, производитель печатной платы должен будет остановить производство и спросить вас, какое значение использовать. Это серьезно повлияет на время доставки.
Расстояние между дорожками: Определите минимальное расстояние, которое должно соблюдаться между дорожками печатной платы, исходя из стандартов передачи сигнала и диэлектрической проницаемости материала. Для контроля импеданса линии и других цепей не будут мешать друг другу, чтобы обеспечить целостность сигнала. Должны быть разные минимальные расстояния для одного и того же слоя и для разных слоев.
Обеспечьте симметрию дорожек: Особенно в трассах сигналов дифференциальной пары одинаковые интервалы и трассы между сигналами полезны для расчета импеданса.

Симметрия проводки

Укажите слои явно: Иногда в вашем документе спецификации может быть контроль импеданса только для определенного слоя печатной платы. И если вы не укажете, какие слои являются целевыми, производитель печатной платы может предположить, что документ применим ко всем слоям. Это приведет к большому количеству ненужной работы и серьезным задержкам доставки. 
Размещение переходных отверстий и компонентов: Любое размещение отверстий и компонентов не должно мешать дорожкам печатной платы. Избегайте несовместимых расстояний трасс, асимметрии трасс и добавления ненужных трасс. Любое изменение схемы повлияет на сопротивление цепи.

Размещение переходных отверстий и компонентов

В то же время, если конденсатор нужно поставить в цепь последовательно, необходимо соблюдать правило симметрии. Это обеспечивает непрерывность импеданса. 

место конденсаторы

Равномерные длины трасс: Различия между длинами дорожек также могут влиять на однородность импеданса, когда другие факторы, такие как ширина, высота и диэлектрическая проницаемость, совпадают. Таким образом, унификация длин цепей позволяет управляющим сигналам поступать к месту назначения на одной и той же частоте в одно и то же время.Иногда может быть определенная разница в прямолинейном расстоянии между сигнальными точками, мы можем использовать змеевидные линии в более коротких трассах, чтобы компенсировать, чтобы обеспечить единство импеданса.
Целевой разумный импеданс: Допуск импеданса обычно регулируется в пределах +/- 10%. Более жесткие допуски импеданса, как правило, дороже, так как небольшие допуски, которые обычно допускаются, также могут привести к значительным доработкам. Поэтому, пожалуйста, контролируйте стоимость, указав наиболее подходящее целевое сопротивление на основе требований проекта.
Правильный путь трассировки: Цепь импеданса не должна зависеть от других производственных процессов или влиять на другие производственные процессы при проектировании схемы. Например: избегание линий разреза, использование сшивающих конденсаторов для соединения двух разных опорных плоскостей, смещение переходных отверстий и т. д.
Согласованный дизайн аннотаций и наложений: Обеспечьте единообразие информации во всех подаваемых документах. Избегайте несоответствий между дизайном стека в программном обеспечении и спецификацией, записанной в примечании к спецификации. Все несоответствия в информации приведут к задержке доставки. 

Каждый заказ, полученный JHDPCB, будет сканироваться и проверяться по схематической схеме перед производством, чтобы гарантировать, что все конструкции импеданса соответствуют целевому применению печатной платы и целостности передачи сигнала. Это способствует плавному ходу проекта. Если у вас есть какие-либо вопросы об импедансе печатной платы, Пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам, JHD сделает все возможное, чтобы предоставить лучшее решение. 

Получите расчет стоимости печатной платы сейчас

Откройте высококачественные услуги по производству печатных плат в JHDPCB

Leave a Comment