Согласование импеданса при проектировании печатной платы с примерами и расчетами


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.

Согласование импеданса при проектировании печатных плат

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.

Несовпадение импеданса дорожки на печатной плате

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.

Необходимые значения импеданса для платы модуля SIM800

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:

  1. Ширина и толщина медных дорожек (во всех слоях).
  2. Диэлектрическая проницаемость материалов сердцевины.
  3. Расстояние от других котлов медных проводников.
  4. 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.

Пример для расчета импеданса на печатной плате

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:

  1. Печатная плата - FR4 с диэлектрической проницаемостью 4,6 Er.
  2. Толщина основной меди и покрытия составляет 35 мкм.
  3. Высота проводника была выбрана равной 0,254 мм.
  4. Дифференциальные пары будут проложены либо в верхнем, либо в нижнем слое.

Давайте рассчитаем толщину дорожек и расстояние между ними.

Пример расчета импеданса дорожки на печатной плате с помощью программы Saturn

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.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
18 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *