Введение
На сайте Проектирование и производство печатных плат, Контроль импеданса - важнейшее техническое требование. Чтобы понять его необходимость, мы сначала разъясним основную концепцию импеданса, а затем изучим его типы, влияние и практическое применение в печатных платах.
1. Что такое импеданс?
В цепи, имеющей сопротивление, индуктивность и емкость, блокирующее воздействие этих элементов на переменный ток называется импедансом. Мы пишем импеданс как Z. Импеданс - это комплексное число. Действительная часть - это сопротивление. Мнимая часть - реактивное сопротивление. Формула выглядит так:Z = R + i(ωL - 1/(ωC))Здесь часть, которая происходит от емкости и блокирует переменный ток, называется емкостным реактансом. Часть, которая возникает из-за индуктивности и блокирует переменный ток, называется индуктивным реактансом. Оба типа реактивности вместе обычно называют просто реактивностью.
2. Пять типов импеданса в проектировании и производстве печатных плат
Существует пять типов импеданса, о которых говорят при проектировании и изготовлении печатных плат:
2.1 Характеристический импеданс
В таких устройствах, как компьютеры и беспроводные коммуникационные устройства, энергия, проходящая по печатной плате, часто имеет вид квадратной волны напряжения с течением времени. Люди также называют это импульсом. Сопротивление, которое оказывает трасса этому импульсу, называется характеристическим импедансом. Именно этот импеданс имеет значение для пути, по которому проходит быстрый сигнал.
2.2 Дифференциальный импеданс
Если вы подаете два сигнала одинаковой формы, но противоположной полярности, вы посылаете их по двум согласованным трассам. В приемнике эти два сигнала вычитаются друг из друга. Импеданс между этими двумя трассами - это дифференциальный импеданс, который часто записывается как Zdiff.
2.3 Импеданс нечетной моды
В этом разделе объясняется нечетный импеданс как импеданс одной трассы по отношению к земле, когда две трассы ведут себя согласованно. Иногда это называют Zoo. В этом состоянии обе трассы имеют одинаковое значение на землю.
2.4 Импеданс в четном режиме
Когда два сигнала имеют одинаковую полярность на конце преобразователя, импеданс двух линий, связанных вместе, называется импедансом четного режима, который записывается как Zcom.
2.5 Общий импеданс
Импеданс общего режима - это импеданс одной линии относительно земли, когда обе линии ведут себя одинаково. Иногда его пишут как Zoe. Во многих случаях импеданс общего режима больше, чем импеданс нечетного режима.
3. Почему трассы печатной платы должны иметь контроль импеданса?
Импеданс трассы печатной платы - это комбинированный эффект сопротивления и реактивности. Он блокирует переменный ток, как и любой другой импеданс. При производстве печатных плат контроль импеданса крайне важен. Вот основные причины:
3.1 Обеспечение нормальной проводимости и передачи сигнала после установки компонентов
На плате должны быть места для крепления и подключения электронных деталей. После того как детали подключены, необходимо убедиться, что плата хорошо проводит сигнал и что сигналы проходят правильно. Поэтому дизайнеры часто стремятся к тому, чтобы импеданс был низким, где это возможно.
3.2 Производственные процессы влияют на конечный импеданс
В процессе производства печатные платы проходят множество этапов. Эти этапы включают в себя медное покрытие, оловянное покрытие (или химическое покрытие, или горячее лужение) и пайку разъемов. Материалы, используемые на этих этапах, должны обладать низким удельным сопротивлением, чтобы конечный импеданс платы соответствовал требованиям продукта и плата могла нормально работать.
3.3 Оловянное покрытие - ключевой фактор, влияющий на импеданс
Оловянное покрытие на печатной плате - одно из мест, где проблемы возникают наиболее легко. Это ключевой этап, влияющий на импеданс. Самые большие проблемы с химическим оловянным покрытием заключаются в том, что оно легко обесцвечивается (может окисляться или поглощать влагу), а также в том, что оно плохо поддается пайке. Эти проблемы затрудняют пайку платы, повышают импеданс, снижают проводимость и делают работу платы в целом менее стабильной.
3.4 Высокочастотные сигналы требуют строгого контроля импеданса
По трассе печатной платы передается множество различных сигналов. Если вам нужна более высокая скорость передачи и поэтому вы повышаете частоту сигнала, небольшие различия в травлении трассы, толщине накладок или ширине трассы приведут к изменению импеданса. Это изменение может привести к искажению сигнала и снижению производительности платы. Поэтому необходимо поддерживать импеданс в контролируемом диапазоне.
4. Что означает импеданс для индустрии печатных плат
Для людей, занимающихся электроникой, импеданс тесно связан с надежностью и производительностью печатных плат, особенно в части слоев оловянного покрытия:
4.1 Недостатки химических слоев оловянного покрытия
Самая слабая сторона слоя химического оловянного покрытия заключается в том, что он легко меняет цвет, а значит, окисляется или поглощает влагу. Кроме того, он плохо поддается пайке, приводит к высокому импедансу, плохой проводимости и делает работу всей платы нестабильной. На оловянном покрытии также могут вырасти оловянные вискеры. Усики могут замыкать дорожки и в крайних случаях вызывать горение или пожар.
4.2 Роль оловянного покрытия в передаче тока
Основные медные дорожки на печатной плате представляют собой медную фольгу. Места пайки на медной фольге - это слои оловянного покрытия. Электронные детали присоединяются к слою оловянного покрытия с помощью паяльной пасты или проволоки припоя. Когда припой плавится во время пайки, материал, соединяющий электронную деталь с оловянным покрытием, представляет собой металлическое олово, которое является хорошим проводником электричества. Поэтому можно сказать, что электронная часть соединяется с медной фольгой на печатной плате через слой оловянного покрытия. Это означает, что чистота и импеданс слоя оловянного покрытия имеют большое значение.
4.3 Роль оловянного покрытия в тестировании импеданса
Когда мы измеряем импеданс с помощью тестового прибора, щуп касается слоя оловянного покрытия на поверхности платы, а затем соединяется с медной фольгой под оловом. Это показывает, что слой оловянного покрытия является ключевой частью для протекания тока. Это ключевой фактор, влияющий на импеданс и общую производительность платы. Это также часть, которую люди часто упускают из виду.
4.4 Влияние соединений олова на импеданс
За пределами чистого металла олова соединения и смеси являются плохими проводниками или даже непроводниками. Именно поэтому в цепи появляется распределенная емкость или паразитная емкость. Если слой оловянного покрытия содержит эти соединения олова или смешанные участки, которые кажутся частично проводящими, но не являются хорошими проводниками, то текущее удельное сопротивление или удельное сопротивление, которое сформируется после будущих электрохимических реакций под воздействием окисления или влаги, будет высоким. Такое высокое удельное сопротивление и связанный с ним импеданс могут повлиять на логические уровни и передачу сигналов в цифровых схемах. В то же время характеристический импеданс вдоль трассы может быть непоследовательным. Эти проблемы повлияют на работу платы и производительность устройства.
4.5 Вопросы скрытого и переменного импеданса
Одним словом, материал и состояние покрытия на печатной плате являются основными и наиболее непосредственными причинами, влияющими на характеристический импеданс платы. Поскольку покрытие может стареть и изменяться под воздействием влажности и электрохимических эффектов, проблемы с импедансом могут стать скрытыми и изменчивыми. Они скрываются по двум причинам: во-первых, изменения часто не видны невооруженным глазом; во-вторых, их невозможно постоянно измерять, поскольку покрытие меняется со временем и в зависимости от влажности. Поэтому проблему легко пропустить.
5. Идеальная модель согласования импеданса
Инженеры-радиочастотники часто сталкиваются с проблемой согласования импеданса. Проще говоря, цель согласования импеданса заключается в том, чтобы обеспечить эффективное перемещение сигнала или энергии от источника к нагрузке.
Идеальная модель такова: мы хотим, чтобы выходной импеданс источника был 50 Ом, линия передачи - 50 Ом, а входной импеданс нагрузки - 50 Ом. Если весь путь от начала до конца составляет 50 Ом, это наилучший случай.
Но в реальной жизни импеданс источника не всегда равен 50 Ом, а импеданс нагрузки не всегда равен 50 Ом. В таких случаях нам понадобится одна или несколько цепей согласования импеданса.
Согласующие цепи состоят из индукторов и конденсаторов. Затем с помощью конденсаторов и индукторов мы настраиваем согласующую сеть таким образом, чтобы добиться наилучших радиочастотных характеристик.
6. Как выполнить согласование импеданса
Существует два основных способа согласования импеданса. Один способ - изменить значение импеданса с помощью компонентов. Другой способ - изменение линии передачи.
6.1 Изменение импеданса с помощью компонентов
Чтобы изменить импеданс с помощью деталей, мы используем конденсаторы и индуктивности последовательно или параллельно с нагрузкой. Это регулирует импеданс нагрузки, чтобы он лучше соответствовал источнику.
6.2 Изменение линии передачи
Чтобы изменить линию передачи, мы меняем расстояние или физический путь между источником и нагрузкой. Затем мы можем изменить линию с помощью конденсаторов и индукторов, чтобы сделать чистый импеданс, воспринимаемый источником, нулевым. Когда чистое отраженное сопротивление равно нулю, сигнал не отражается обратно. Вся энергия будет поглощена нагрузкой.
7. Общие цели проектирования высокоскоростных трасс печатных плат
Для высокоскоростная печатная плата Работают, как правило, следующие варианты:
- Односторонние цифровые трассы обычно рассчитаны на 50 Ом.
- Базовая полоса коаксиального кабеля обычно составляет 50 Ом.
- Для некоторых диапазонов частот обычно используется 75 Ом.
- Витые пары для дифференциальных сигналов обычно проектируются в диапазоне от 85 до 100 Ом.
8. Заключительные замечания и простые правила для запоминания
- Импеданс влияет на то, насколько хорошо трасса проводит быстрый сигнал. Контролируйте его, чтобы избежать потери сигнала и искажений.
- Покрытие и отделка поверхности платы могут изменить импеданс с течением времени и под воздействием влаги. Выберите правильное покрытие и контролируйте процесс, чтобы сохранить импеданс стабильным.
- Если источник и нагрузка не совпадают, используйте согласующие цепи из конденсаторов и индукторов или подберите длину линии, чтобы уменьшить отражения.
- Для цифровых сигналов ориентируйтесь на стандартное сопротивление трассы, например, 50 Ом для односторонних линий и 85-100 Ом для дифференциальных пар.
