Trace-impedantie begrijpen: waarom het belangrijk is in PCB-ontwerp

In printplaten worden draden en banen typisch gevormd uit koper omdat het het minst weerstand biedende element is na zilver. Leg een ohm-meter over een baan en de DC-weerstand is bijna verwaarloosbaar.

Hetzelfde kan niet gezegd worden van AC-impedantie. Impedantie, in tegenstelling tot weerstand, is gebaseerd op frequentie. Alle draden en banen zullen ten minste enige impedantie genereren voor stroom die van een driver stroomt. Hoewel u meestal een redelijk snelle stijgtijd voor uw signalen nodig hebt voordat baanimpedantie een probleem wordt, is het belangrijk dat u zich bewust bent dat baanimpedantie bestaat en een probleem kan worden.

Maar waarom moeten we ons zorgen maken over baanimpedantie? Waarom bestaat het en is het mogelijk om het te controleren? Als u de term "gecontroleerde impedantie" heeft gehoord, bent u waarschijnlijk al bewust dat het mogelijk is om impedantie te controleren. Maar om te begrijpen hoe en waarom, is het belangrijk om een beetje te begrijpen over de aard van baanimpedantie.

Hoe baanimpedantie werkt

Elke baan heeft een kleine, nauwelijks onderscheidbare serie-inductie die verdeeld is langs de baan met een inverse relatie tot de doorsnede van de baan. Naarmate stijgtijden toenemen, wordt de resulterende impedantie merkbaarder. Op dezelfde manier heeft elke baan capaciteit die verdeeld is langs de baan en het terugsignaalpad, wat een functie is van de breedte van de baan en de dielectrische constante van het materiaal tussen het signaalterugpad en de baan. Opnieuw, als stijgtijden voldoende toenemen, kan de impedantie die ontstaat wanneer de stroom probeert door deze capaciteit te stromen, significant zijn.

Uw drivers lezen alle banen als verdeelde LC-circuits en uw baan AC-impedantie komt van deze verdeelde LC-circuit. Dit wordt ongekontroleerde impedantie genoemd. We maken geen inspanning om de baanomgeving te ontwerpen om rekening te houden met deze impedantie, waardoor de inductie en capaciteit kunnen variëren zoals ze willen langs de baan. Aangezien de resulterende impedantie meestal geen effect heeft op de werking, is er geen behoefte om tijd of geld te verspillen aan het ontwerpen van manieren om het te controleren.

Gecontroleerde impedantie

Maar wat als we ons zorgen maken over het effect van impedantie op onze operaties? We kunnen een bord ontwerpen waar de baan eruitziet als een transmissielijn, waardoor we reflecties kunnen voorkomen door het te beëindigen in zijn karakteristieke impedantie. Hoe werkt het ontwerpen van een gecontroleerde impedantiecircuit?

Wanneer we impedantie controleren, zorgen we ervoor dat de impedantie constant is op elk punt langs de baan in plaats van te variëren van punt tot punt zoals in een normale ongekontroleerde impedantiesituatie. Om impedantie te controleren, moeten we drie kenmerken van de geometrie van het circuit controleren: de breedte van de baan, de afstand tussen het signaalterugpad en de signaalbaan en de dielectrische coëfficiënt van het materiaal rondom de baan. U kunt ook de dikte van de baan willen adresseren. Een coaxiale kabel is bijvoorbeeld een gecontroleerde impedantie-transmissielijn.

U kunt deze geometrische kenmerken veranderen en nog steeds gecontroleerde impedantie behouden zolang u andere kenmerken zo nodig verandert zodat de relatie tussen deze aspecten niet verandert en de impedantie constant blijft.

Hoe PCB-baanimpedantie te bepalen

Om gecontroleerde impedantie printplaten te produceren, moet men in staat zijn om impedantie te meten. De beste manier om baanimpedantie te berekenen is door een baanimpedantiecalculator te gebruiken. U kunt baanimpedantiecalculators online of in uw CAD-software vinden. Er zijn verschillende parameters om te overwegen bij het bepalen van impedantie, inclusief:

• Baanbreedte
• Baandikte
• Laminatdikte
• Dielektrische dikte
• Kopergewicht

Zodra u alle relevante parameters heeft berekend, kunt u al het bovenstaande (meestal de baanbreedte) aanpassen om bij de impedantie te komen die u zoekt. Zodra u denkt dat u een acceptabele impedantie bereikt heeft, kunt u de effectiviteit van het bord testen met testcoupons die op hetzelfde paneel op hetzelfde moment geproduceerd zijn, zodat u een goede impedantiebeoordeling kunt krijgen zonder de uitdagingen van het benaderen van de banen op het daadwerkelijke bord. De testcoupon-banen moeten identiek zijn aan de bordbanen om een nauwkeurige test te krijgen.

Typisch zal de fabrikant testcoupons aan beide uiteinden van het productiepaneel bouwen zodat door beide coupons te testen, u een heel betrouwbare impedantielezing krijgt zonder het bord te beschadigen. Testers meten impedantie met een Time Domain Reflectometer (TDR) of een netwerkanalyzer.

Impedantie kan gemeten worden met een netwerkanalyzer, een laboratorium Time Domain Reflectometer (TDR) of een gecontroleerde impedantietestsysteem dat TDR-technieken gebruikt. Een ingenieur met ervaring in het gebruik van gecontroleerde impedantietestsystemen zal de impedantietest uitvoeren om hoogwaardige resultaten te garanderen.

Voor meer informatie over gecontroleerde impedantie printplaten of om PCB's voor uw industrie te bestellen, neem vandaag nog contact op met Millennium Circuits Limited.