Справедливо рассматривать саму печатную плату как компонент, в котором соединены несколько дорожек. Каждая дорожка различна: некоторые высокоскоростные, некоторые низкоскоростные, некоторые шумные, некоторые используются для обратного тока цепи и т. д. Как мы все знаем, существует множество вариаций идеальных схем и реальных схем. Предположим, что высокочастотная дорожка изготовлена из меди толщиной 7 мм и шириной 0,5 мм. Это добавит индуктивность, емкость и сопротивление на дорожку, что создает сложную ситуацию для высокочастотных сигнальных линий, поскольку емкость и индуктивность могут изменить частоту сигнала, а конечная точка трассы будет давать совершенно другие результаты, чем начальная точка трассы. Ухудшение сигнала в данном случае происходит из-за несогласованного импеданса на трассе печатной платы. В этой статье мы узнаем больше о согласовании импеданса печатной платы и о том, почему это важно.
Что такое импеданс?
Импеданс - по сути, это сопротивление переменному току. Импеданс также измеряется в Омах, как и сопротивление, но он сильно отличается от сопротивления. Сопротивление в Омах работает в характеристиках постоянного тока, а импеданс используется в переменном токе, имеющем определенную частоту.
Чтобы гарантировать что трасса сигнала тщательно спроектирована и качество сигнала не ухудшается по дорожкам платы, необходимо тщательно контролировать их импеданс. К сожалению, импеданс дорожек печатной платы обычно не контролируется и достаточно часто это приводит к плачевным результатам.
Важность согласования импедансов при проектировании печатных плат
По сути, контроль импеданса в конструкции печатной платы означает согласование свойств материала подложки с размерами и расположением трасс, чтобы гарантировать, что импеданс сигнала трассы находится в пределах определенного процента от определенного значения. Платы с контролируемым импедансом обеспечивают повторяемые характеристики на высоких частотах.
Ниже приведены причины необходимости контроля импеданса при проектировании печатной платы.
- На высоких частотах сигнал, отображаемый на печатной плате, представляет собой не просто соединение, а действует как компонент. Даже одна дорожка имеет разные характеристики в разных точках.
- Всякий раз, когда сигнал движется дальше по дорожкам, разное сопротивление вызывает отражение сигнала, которое зависит от разницы между двумя несовпадающими импедансами. Большее рассогласование импедансов приводит к большему отражению и влияет на целостность сигнала.
- Отражение сигнала накладывается на фактический или первичный сигнал, который из-за этого неправильно воспринимается высокочастотным аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), схемами высокоскоростной обработки и в результате не удается декодировать фактический сигнал.
Стандартные значения импеданса для проектирования печатных плат
Различные трассы сигнала требуют разных характеристик импеданса по всем трассам сигнала. В зависимости от типов сигнала и скорости передачи данных или частоты, приведенный ниже список дает широко распространенное контролируемое сопротивление для различных трасс сигнала печатной платы.
Важно помнить, что импеданс необходимо поддерживать на всем пути прохождения сигнала.
| Стандарт сигнала | Целевой импеданс (Ом) | Принятые допуски |
| USB | 90 | +/- 15% |
| HDMI | 95 | +/- 15% |
| IEEE 1394 | 108 | +/- 2% |
| Displayport | 100 | +/- 20% |
| VGA | 75 | +/- 5% |
| DVI | 95 | +/- 15% |
| PCIe | 85 | +/- 15% |
| Ethernet Cat.5 | 100 | +/- 5% |
Таким образом, при трассировке трасс сигнала важно поддерживать указанные выше импедансы для обеспечения целостности сигнала.
Однако, кроме этого, конкретные требования к импедансу всегда указаны в технических характеристиках соответствующего компонента. Рекомендуется просмотреть таблицу данных, чтобы получить информацию о высокочастотных трассах и требованиях к сопротивлению конкретного сигнала.
Пример согласования импеданса печатной платы
Например, давайте выберем популярный радиочастотный модуль SIM800, который широко популярен в тематике интернета вещей (IoT) благодаря своей низкой стоимости и легкой доступности. Многие люди используют этот модуль и разрабатывают печатную плату, которая может подойти для хобби-проектов, но когда эта плата будет проверена на целостность уровня сигнала, выходной сигнал SIM800 будет очень плохим. Мало того, в самых серьезных случаях РЧ-антенна может давать плохие результаты, а SIM800 не будет работать в сети. Основной причиной этого почти во всех случаях является плохой дизайн печатной платы, особенно маршрутизация радиочастотного сигнала. Радиочастотная антенна принимает данные в диапазоне GSM и работает с очень высокочастотным сигналом. Поэтому трассы такой платы необходимо правильно спроектировать для уменьшения отражения на высоких частотах. В техническом описании указано, что целевой импеданс RF Trace должен составлять 50 Ом в качестве контролируемого импеданса.
Измерение и расчет импеданса печатной платы
Сигнала, передаваемые по одиночным дорожкам печатной платы, а также использующие импеданс дифференциальной пары, имеют несимметричный импеданс.
Величина импеданса дорожек печатной платы зависит от следующих факторов:
- Ширина и толщина медных дорожек (во всех слоях).
- Диэлектрическая проницаемость материалов сердцевины.
- Расстояние от других котлов медных проводников.
- Толщина сердцевины.
Теперь давайте согласуем импеданс сигнала, передаваемого по дифференциальной паре - необходимо добиться правильного согласования импеданса.
Для расчета импеданса будем использовать программу калькулятора импеданса печатной платы Saturn , Inc — PCB Toolkit V8.05, которая является бесплатной программой и хорошо известна разработчикам. Необходимо получить приблизительное значение необходимого интервала импеданса и т. д.
Таким образом, импеданс должен быть согласован на линиях D+ и D- USB. Поскольку это сигнал USB, требуемое сопротивление составляет 90 Ом.
Ниже приведены параметры, которые мы будем использовать для расчета:
- Печатная плата - FR4 с диэлектрической проницаемостью 4,6 Er.
- Толщина основной меди и покрытия составляет 35 мкм.
- Высота проводника была выбрана равной 0,254 мм.
- Дифференциальные пары будут проложены либо в верхнем, либо в нижнем слое.
Давайте рассчитаем толщину дорожек и расстояние между ними.
Итого с допуском 15% и целевым сопротивлением 90 Ом требуемая ширина проводника составит 0,254 мм, расстояние между ними — 0,127 мм.
Таким образом, если мы проложим дифференциальную пару на плате FR-4 с медью толщиной 35 мкм и такой же толщиной покрытия, целевой импеданс будет близок к 90 Ом. Ее необходимо прокладывать аккуратно, чтобы расстояние между двумя проводниками не увеличивалось и не уменьшалось более чем на 0,127 мм, а ширина дорожки не увеличивалась и не уменьшалась более чем на 0,254 мм.
Однако идеальное значение импеданса и его согласование после прокладки трассы могут быть выполнены только производителем. Производителю необходимо сообщить, что плата требует контроля импеданса, а целевое сопротивление составляет 90 Ом в дифференциальной паре и 60 Ом при несимметричном импедансе. Производитель печатной платы изготовит печатную плату с заданным импедансом.
Похожие статьи
(Проголосуй первым!)
Загрузка...