การควบคุมความต้านทานของ PCB

เช่นพีซีบี ความเร็วในการเปลี่ยนสัญญาณยังคงเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง นักออกแบบ PCB ในปัจจุบันจำเป็นต้องเข้าใจและควบคุมความต้านทานของการติดตาม PCB ด้วยเวลาการส่งสัญญาณที่สั้นลงและอัตรานาฬิกาที่สูงขึ้นของวงจรดิจิทัลสมัยใหม่ การติดตาม PCB จึงไม่ใช่การเชื่อมต่อที่ง่ายอีกต่อไป แต่เป็นสายส่ง

ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องควบคุมความต้านทานการติดตามที่ความเร็วส่วนขอบดิจิทัลสูงกว่า 1ns หรือความถี่อะนาล็อกที่สูงกว่า 300Mhz พารามิเตอร์ที่สำคัญประการหนึ่งของการติดตาม PCB คือความต้านทานลักษณะเฉพาะ (เช่น อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าต่อกระแสของคลื่นขณะเคลื่อนที่ไปตามสายส่งสัญญาณ) ความต้านทานลักษณะของตัวนำแผงวงจรพิมพ์เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของการออกแบบแผงวงจรโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการออกแบบพีซีบีของวงจรความถี่สูง ต้องพิจารณาว่าลักษณะเฉพาะอิมพีแดนซ์ของตัวนำและอุปกรณ์หรือสัญญาณที่ต้องการโดยลักษณะเฉพาะอิมพีแดนซ์เหมือนกัน จะเข้ากันหรือไม่ก็ตาม สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับสองแนวคิด: การควบคุมอิมพีแดนซ์และการจับคู่อิมพีแดนซ์ บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ปัญหาการควบคุมอิมพีแดนซ์และการออกแบบการซ้อน

การควบคุมอิมพีแดนซ์ ตัวนำในแผงวงจรจะมีการส่งสัญญาณที่หลากหลาย เพื่อปรับปรุงอัตราการส่งและต้องปรับปรุงความถี่ของตัวสายเอง หากเกิดจากการกัดเซาะ ความหนาของชั้นเคลือบ ความกว้างของตัวนำ และปัจจัยอื่นๆ ที่แตกต่างกัน จะส่งผลให้อิมพีแดนซ์มีค่าควรแก่การเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้สัญญาณผิดเพี้ยนไป ดังนั้นตัวนำในแผงวงจรความเร็วสูงจึงควรควบคุมค่าอิมพีแดนซ์ภายในช่วงที่กำหนดเรียกว่า "การควบคุมอิมพีแดนซ์"

อิมพีแดนซ์ของการติดตาม PCB จะถูกกำหนดโดยการเหนี่ยวนำ ความต้านทาน และการนำไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำและแบบคาปาซิทีฟ ปัจจัยที่ส่งผลต่อความต้านทานของเส้นลวดทองแดง ได้แก่ ความกว้างของเส้นลวดทองแดง ความหนาของเส้นลวดทองแดง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของเส้นลวด ความหนาของเส้นอิเล็กทริก ความหนาของแผ่นอิเล็กโทรด ทางเดินของเส้นลวดกราวด์ เส้นรอบเส้นลวด ฯลฯ อิมพีแดนซ์ของ PCB อยู่ระหว่าง 25 ถึง 120 โอห์ม

ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องควบคุมความต้านทานการติดตามที่ความเร็วส่วนขอบดิจิทัลที่สูงกว่า 1ns หรือความถี่อะนาล็อกที่สูงกว่า 300Mhz พารามิเตอร์ที่สำคัญประการหนึ่งของการติดตาม PCB คือความต้านทานลักษณะเฉพาะ (เช่น อัตราส่วนของแรงดันไฟฟ้าต่อกระแสของคลื่นขณะเคลื่อนที่ไปตามสายส่งสัญญาณ) ลักษณะอิมพีแดนซ์ของตัวนำแผงวงจรพิมพ์เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของการออกแบบแผงวงจรโดยเฉพาะในการออกแบบ PCB ของวงจรความถี่สูงต้องพิจารณาว่าลักษณะอิมพีแดนซ์ของตัวนำและอุปกรณ์หรือสัญญาณที่ต้องการโดยอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ เหมือนกันไม่ว่าจะเข้ากันหรือไม่ก็ตาม สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับสองแนวคิด: การควบคุมอิมพีแดนซ์และการจับคู่อิมพีแดนซ์ บทความนี้มุ่งเน้นไปที่ปัญหาการควบคุมอิมพีแดนซ์และการออกแบบการซ้อน

การควบคุมอิมพีแดนซ์ ตัวนำในแผงวงจรจะมีการส่งสัญญาณที่หลากหลาย เพื่อปรับปรุงอัตราการส่งและต้องปรับปรุงความถี่ของตัวสายเอง หากเกิดจากการกัดเซาะ ความหนาของชั้นเคลือบ ความกว้างของตัวนำ และปัจจัยอื่นๆ ที่แตกต่างกัน จะส่งผลให้อิมพีแดนซ์มีค่าควรแก่การเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้สัญญาณผิดเพี้ยนไป ดังนั้นตัวนำในแผงวงจรความเร็วสูงจึงควรควบคุมค่าอิมพีแดนซ์ภายในช่วงที่กำหนดเรียกว่า "การควบคุมอิมพีแดนซ์"

อิมพีแดนซ์ของการติดตาม PCB จะถูกกำหนดโดยการเหนี่ยวนำ ความต้านทาน และการนำไฟฟ้าแบบเหนี่ยวนำและแบบคาปาซิทีฟ ปัจจัยที่ส่งผลต่อความต้านทานของเส้นลวดทองแดง ได้แก่ ความกว้างของเส้นลวดทองแดง ความหนาของเส้นลวดทองแดง ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของเส้นลวด ความหนาของเส้นอิเล็กทริก ความหนาของแผ่นอิเล็กโทรด ทางเดินของเส้นลวดกราวด์ เส้นรอบเส้นลวด ฯลฯ อิมพีแดนซ์ของ PCB อยู่ระหว่าง 25 ถึง 120 โอห์ม ในทางปฏิบัติ สายส่ง PCB มักจะประกอบด้วยเส้นลวด ชั้นอ้างอิงหนึ่งชั้นขึ้นไป และวัสดุฉนวน การติดตามและเลเยอร์จะสร้างอิมพีแดนซ์ควบคุม PCB มักจะมีหลายชั้นและสามารถสร้างอิมพีแดนซ์ควบคุมได้หลายวิธี อย่างไรก็ตาม ไม่ว่าจะใช้วิธีการใดก็ตาม ค่าของอิมพีแดนซ์จะถูกกำหนดโดยโครงสร้างทางกายภาพและคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุฉนวน:

       ความกว้างและความหนาของการติดตามสัญญาณ

       ความสูงของแกนหรือวัสดุที่เติมไว้ล่วงหน้าทั้งสองด้านของร่องรอย

       การกำหนดค่าของร่องรอยและชั้นของบอร์ด

       ค่าคงที่ของฉนวนของแกนกลางและวัสดุที่เติมไว้ล่วงหน้า

       สายส่ง PCB มีสองรูปแบบหลัก: Microstrip และ Stripline

       ไมโครสตริป:

       ไมโครสตริปเป็นลวดริบบิ้น ซึ่งหมายถึงสายส่งที่มีระนาบอ้างอิงอยู่ที่ด้านเดียวเท่านั้น โดยด้านบนและด้านข้างสัมผัสกับอากาศ (หรือเคลือบ) เหนือพื้นผิวของแผ่น Er คงที่ที่เป็นฉนวน ซึ่งอ้างอิงถึงระนาบกำลังหรือกราวด์

       หมายเหตุ: ตามความเป็นจริงการผลิต พีซีบีผู้ผลิตบอร์ดมักจะเคลือบพื้นผิวของ PCB ด้วยชั้นน้ำมันสีเขียว ดังนั้นในการคำนวณความต้านทานจริง แบบจำลองที่แสดงด้านล่างมักจะใช้สำหรับเส้นไมโครสตริปบนพื้นผิว:

       สตริปไลน์:

       แถบเส้นคือแถบลวดที่วางอยู่ระหว่างระนาบอ้างอิง 2 ระนาบ ดังแสดงในรูปด้านล่าง และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของไดอิเล็กทริกที่แสดงโดย H1 และ H2 อาจแตกต่างกันได้

       สองตัวอย่างข้างต้นเป็นเพียงการสาธิตทั่วไปของเส้นไมโครสตริปและแถบสตริปไลน์ มีเส้นไมโครสตริปและเส้นสตริปเฉพาะหลายประเภทหลายประเภท เช่น เส้นไมโครสตริปเคลือบ ฯลฯ ซึ่งทั้งหมดนี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างการซ้อนของ PCB เฉพาะ

       สมการที่ใช้ในการคำนวณอิมพีแดนซ์คุณลักษณะจำเป็นต้องมีการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน ซึ่งมักใช้วิธีการแก้ไขภาคสนาม รวมถึงการวิเคราะห์องค์ประกอบขอบเขต ดังนั้นการใช้ซอฟต์แวร์คำนวณอิมพีแดนซ์เฉพาะทาง SI9000 สิ่งที่เราต้องทำคือควบคุมพารามิเตอร์ของอิมพีแดนซ์คุณลักษณะ:

       ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของชั้นฉนวน Er, ความกว้างของการจัดตำแหน่ง W1, W2 (สี่เหลี่ยมคางหมู), ความหนาของการจัดตำแหน่ง T และความหนาของชั้นฉนวน H.