Zarządzanie impedancją poprzez projektowanie układu warstw PCB z wykorzystaniem płaszczyzn odniesienia

Kontrola impedancji, zarządzanie impedancją i kontrolowany dielektryk to trzy terminy, które są luźno wymienne i odnoszą się do różnych metod ustawiania impedancji widzianej przez sygnały w PCB. Narzędzia do obliczania impedancji, takie jak darmowe narzędzia online oraz programy EDA, mogą pomóc w obliczeniu impedancji ścieżki i można uzyskać bardzo dokładną wartość impedancji. Jednak prawdziwa próba następuje podczas produkcji, a projekt, który tworzysz, będzie musiał być wyprodukowany tak, aby faktycznie osiągnął docelową impedancję.

Oczywiście, żaden proces produkcyjny nie jest doskonały, i każda płyta PCB, która schodzi z linii produkcyjnej, będzie miała pewne zmiany w impedancji ścieżek, a zmiany te są bardziej widoczne przy wyższych prędkościach transmisji danych (tj. szerszych pasmach sygnałów). Ponadto, jeśli impedancja nie jest określona zgodnie z rzeczywistym układem warstw lub danymi dielektrycznymi materiału, producent będzie musiał zmodyfikować dane Twojego projektu, aby zapewnić osiągnięcie docelowego poziomu impedancji.

Kontrola Impedancji vs. Kontrolowany Dielektryk

Projektowanie płyt wymagających określonej specyfikacji impedancji, lub wielu specyfikacji impedancji, ogólnie obejmuje dwa podejścia: projektowanie z kontrolowanym dielektrykiem lub projektowanie z kontrolowaną impedancją.

Niektórzy projektanci (w tym ja sam) używają terminu kontrolowana impedancja, odnosząc się do działania obliczania impedancji ścieżki na podstawie określonego układu warstw. Dopóki znane są stała dielektryczna i grubość, impedancja ścieżki może być obliczona. Niektórzy producenci PCB mogą określać to jako projektowanie z "kontrolowanym dielektrykiem":

Projektowanie z kontrolowanym dielektrykiem wymaga, aby projektant znał stałą dielektryczną dla laminatów wspierających warstwy, gdzie wymagana jest specyfikacja impedancji. Innymi słowy, projektant musi znać wartość Dk z standardowego układu warstw lub materiału dostępnego w sprzedaży, jak również grubość warstwy. Umieszczenie płaszczyzn odniesienia (płaszczyzn masy) nie musi być podane w standardowym układzie warstw.

Niektórzy producenci dostarczają kalkulatory impedancji, które mogą pomóc w określeniu odpowiednich wymiarów ścieżek wymaganych dla danego układu ścieżka/płaszczyzna masy i wymaganej wartości impedancji. Jednakże, te kalkulatory w zasadzie umożliwiają projektowanie z kontrolowanym dielektrykiem, pod warunkiem że wprowadzisz znane wartości Dk i grubości dla dielektryków.

Innym podejściem jest kontrolowana impedancja. W tym podejściu projektant po prostu wybiera szerokość/odstępy ścieżek, które chce i impedancję, jaką osiągną. Producent następnie dobiera mieszankę dielektryków i grubości warstw, aby osiągnąć ten cel, i będą to testować na kuponie testowym.

Modyfikowanie układu warstw, grubości dielektryka, grubości prepregu i grubości laminatu zmienia impedancję widzianą przez sygnały na płycie. Jako projektant, musisz tylko dostarczyć tabelę impedancji lub tabelę linii transmisyjnych, jak również rysunek układu warstw, w swoich notatkach produkcyjnych.

To, czego producenci zazwyczaj nie będą robić, to modyfikowanie szerokości ścieżek i odstępów w celu osiągnięcia celów impedancyjnych. Mogą oni stosować takie rozwiązania jak dodawanie łezek czy kompensacja trawienia jako część ich przeglądu inżynieryjnego, ale ten poziom modyfikacji najlepiej jest wykonać w rodzimych plikach CAD, a nie w danych Gerbera. Ogólnie, nie będziesz wysyłać producentowi rodzimych plików projektowych PCB, więc nie będą oni wchodzić w projekt i dokonywać tego poziomu modyfikacji ścieżek dla Ciebie. W przypadku, gdy nie mogą osiągnąć Twojego celu z ich zestawami materiałów, odesłą płytę do Ciebie w celu modyfikacji.

Ile Unikalnych Profili Impedancyjnych na Warstwę?

Jeśli jesteś projektantem i stosujesz kontrolowane podejście dielektryczne, możesz być skłonny do obliczenia wielu profili impedancyjnych dla pojedynczej warstwy. Ogólnie, preferowane jest używanie unikalnych profili impedancyjnych na pojedynczej warstwie. Na przykład, Twoje profile impedancyjne 50/100 (Ethernet, HDMI itp.) mogą być połączone na tej samej warstwie, ale nie chciałbyś używać ich na innej warstwie dedykowanej dla USB, DDR itp., ponieważ wszystkie te mają swoje własne unikalne profile impedancyjne.

Poniżej przedstawiono przykład, w którym różne unikalne profile impedancji są dedykowane różnym warstwom. Chociaż jeden profil może dotyczyć więcej niż jednego protokołu, tutaj separacja jest dokonywana według profilu dla danej warstwy. Jeśli potrzebujesz, aby producent mieszał i dopasowywał materiały, aby osiągnąć cel, musisz określić wartości szerokości/odstępów w projekcie oraz docelową impedancję, którą zamierzasz osiągnąć.

• Dowiedz się więcej o określaniu wymagań dotyczących kontroli impedancji

Powodem tego jest umożliwienie zarówno kontrolowanego podejścia do impedancji, jak i kontrolowanego podejścia do dielektryka. Przyjmując kontrolowane podejście do impedancji, pozwala to producentowi na dostosowanie tylko danych dielektrycznych dla pojedynczej warstwy, jeśli jest to potrzebne, co zmodyfikuje tylko te docelowe profile impedancji, zachowując wszystkie inne. Na przykład, w warstwach górnej i dolnej, producent może wybrać stałą dielektryczną i grubość potrzebną do osiągnięcia określonego celu impedancji, pod warunkiem że określisz szerokość/odstępy ścieżek oraz docelową wartość impedancji.

Jak wolę podchodzić do projektowania z kontrolowaną impedancją/dielektrykiem

Po zajmowaniu się wystarczającą ilością projektów, znalazłem dwa podejścia, które ogólnie bardzo dobrze sprawdzają się przy projektowaniu z kontrolowaną impedancją (a raczej dielektrykiem) dla systemów cyfrowych wysokiej prędkości lub systemów RF:

• Wybierz konkretne materiały dostępne w sprzedaży, użyj informacji o dielektryku z karty katalogowej i sprawdź, czy producent ma te materiały na stanie, zanim przejdziesz dalej.
• Uzyskaj informacje o materiale/kartę katalogową, wartości impedancji oraz powiązany układ warstw od swojego producenta; jest to zazwyczaj określone w standardowym układzie warstw.

Gdy mam kontrolę nad tymi decyzjami w projekcie, wolę podążać pierwszą ścieżką, ponieważ zwykle pracuję z ograniczoną grupą materiałów (Isola, ITEQ i Rogers), które są dostępne u moich preferowanych producentów PCB. Mogę wtedy użyć kreatora układu warstw (takiego jak Simbeor i Layer Stack Manager w Altium Designer), aby obliczyć wymagane profile impedancji na każdej warstwie.

Druga ścieżka jest wybierana, gdy dowolne podstawowe materiały będą odpowiednie, ale projekt nadal wymaga specyfikacji impedancji. W tym momencie muszę znać wartość Dk i grubości warstw, które pojawią się w układzie warstw, i mogę obliczyć szerokości i odstępy, aby osiągnąć wymaganą specyfikację impedancji.

Kiedykolwiek potrzebujesz zaprojektować układ warstw PCB z kontrolowaną impedancją, użyj najlepszego w branży edytora układów warstw zintegrowanego z rozwiązaniem do rozwiązywania problemów pola elektromagnetycznego w Altium Designer^®. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.