Управление импедансом через дизайн стека печатной платы с использованием опорных плоскостей

Контроль импеданса, управление импедансом и контролируемый диэлектрик - это три термина, которые условно взаимозаменяемы и относятся к различным методам установки импеданса, воспринимаемого сигналами на печатной плате (PCB). Инструменты для расчета импеданса, такие как бесплатные онлайн-инструменты и программы EDA, могут помочь вам рассчитать импеданс дорожки, и вы можете получить очень точное значение импеданса. Однако настоящее испытание происходит в процессе производства, и созданный вами дизайн должен быть произведен таким образом, чтобы он действительно достигал целевого импеданса.

Очевидно, что ни один процесс производства не идеален, и любая печатная плата, сходящая с производственной линии, будет иметь некоторые вариации в импедансе дорожек, причем вариации более заметны на более высоких скоростях передачи данных (т.е., при более широких полосах пропускания сигнала). Кроме того, если импеданс не указан в соответствии с реальной структурой слоев или данными диэлектрика материала, производителю придется изменить ваши дизайнерские данные, чтобы обеспечить достижение целевого импеданса.

Контроль импеданса против контролируемого диэлектрика

Проектирование плат, требующих определенной спецификации импеданса или нескольких спецификаций импеданса, обычно включает в себя два подхода: дизайн с контролируемым диэлектриком или дизайн с контролируемым импедансом.

Некоторые конструкторы (включая меня) используют термин "контролируемое сопротивление" для обозначения процесса расчета импеданса дорожки на основе заданного слоя стека. При условии, что известны диэлектрическая постоянная и толщина, тогда можно рассчитать импеданс дорожки. Некоторые производители печатных плат могут называть это дизайном с "контролируемым диэлектриком":

Дизайн с контролируемым диэлектриком требует, чтобы конструктор знал диэлектрическую постоянную для ламинатов, поддерживающих слои, где требуется спецификация импеданса. Другими словами, конструктору необходимо знать значение Dk из стандартного стека или материала "с полки", а также толщину слоя. Размещение опорных плоскостей (земляных плоскостей) не требуется указывать в стандартном стеке.

Некоторые производители предоставляют калькуляторы импеданса, которые могут помочь вам определить правильные размеры дорожек, необходимые для данной конфигурации дорожка/земляная плоскость и требуемого значения импеданса. Однако, эти калькуляторы по сути позволяют осуществлять дизайн с контролируемым диэлектриком, до тех пор, пока вы вводите известные значения Dk и толщины для диэлектриков.

Другой подход заключается в контролируемом импедансе. При этом подходе дизайнер просто выбирает желаемую ширину/расстояние между дорожками и импеданс, которого хочет достичь. Затем производитель выбирает комбинацию диэлектриков и толщин слоев для достижения этой цели и тестирует это на тестовом образце.

Модификация расположения слоев стека, толщины диэлектрика, толщины препрега и толщины ламината изменяют импеданс, воспринимаемый сигналами на плате. Как дизайнер, вам просто нужно предоставить таблицу импедансов или таблицу передачи линий, а также чертеж стека в ваших производственных заметках.

Что производители обычно не будут делать, так это изменять ширину и расстояние между дорожками для достижения целевых значений импеданса. Они могут выполнять такие операции, как добавление слезинок и компенсацию травления в рамках своего инженерного обзора, но такого уровня модификации лучше всего достигать в ваших исходных файлах CAD, а не в данных Gerber. В общем, вы не будете отправлять производителю ваши исходные файлы дизайна печатной платы, поэтому они не будут вносить такие изменения в ваши дорожки за вас. В случае, если они не смогут достичь вашей цели с их наборами материалов, они вернут плату вам для модификации.

Сколько уникальных профилей импеданса на слой?

Если вы дизайнер и принимаете подход с контролируемым диэлектриком, вас может заманить идея рассчитать несколько профилей импеданса для одного слоя. В общем, предпочтительнее использовать уникальные профили импеданса на одном слое. Например, ваши профили импеданса 50/100 (Ethernet, HDMI и т.д.) могут быть объединены на одном слое, но вы бы не хотели использовать их на другом слое, который посвящен USB, DDR и т.д., так как все они имеют свои уникальные профили импеданса.

Пример показан ниже, где различные уникальные профили импеданса посвящены разным слоям. Хотя один профиль может применяться более чем к одному протоколу, здесь разделение выполняется по профилю для данного слоя. Если вам нужно, чтобы ваш производитель смешивал и сочетал материалы для достижения вашей цели, тогда вам нужно будет указать значения ширины/расстояния в дизайне и целевой импеданс, которого вы намерены достичь.

• Узнайте больше о спецификации требований к контролю импеданса

Причина этого в том, что это позволяет использовать как подход с контролируемым импедансом, так и подход с контролируемым диэлектриком. При использовании подхода с контролируемым импедансом это позволяет производителю регулировать данные диэлектрика только для одного слоя, если это необходимо, и это будет изменять только те целевые профили импеданса, сохраняя все остальные. Например, в верхних и нижних слоях производитель может выбрать диэлектрическую постоянную и толщину, необходимые для конкретной цели импеданса, при условии, что вы укажете ширину/расстояние следа и целевое значение импеданса.

Как я предпочитаю подходить к дизайну с контролируемым импедансом/диэлектриком

После работы с достаточным количеством дизайнов, я нашел два подхода, которые, как правило, очень хорошо работают для создания дизайна с контролируемым импедансом (или скорее диэлектриком) для высокоскоростной цифровой системы или системы РЧ:

• Выберите конкретные материалы из доступных на складе, используйте информацию о диэлектрических свойствах из технического описания и проверьте наличие материалов у производителя перед началом работы.
• Получите информацию о материале/техническое описание, значения импеданса и соответствующую структуру слоев от вашего производителя; это обычно указывается в стандартной структуре слоев.

Когда я могу контролировать эти решения в дизайне, я предпочитаю первый вариант, потому что я обычно работаю с ограниченным набором материалов (Isola, ITEQ и Rogers), которые есть в наличии у моих предпочтительных производителей печатных плат. Затем я могу использовать создатель структуры слоев (такой как Simbeor и Layer Stack Manager в Altium Designer), чтобы рассчитать необходимые профили импеданса на каждом слое.

Второй вариант выбирается, когда любые базовые материалы подойдут, но дизайн все еще требует спецификации импеданса. В этом случае мне просто нужно знать значение Dk и толщину слоев, которые будут присутствовать в структуре, и я могу рассчитать ширину и расстояния для достижения требуемой спецификации импеданса.

Когда вам нужно спроектировать многослойную печатную плату с контролируемым импедансом, используйте лучший в отрасли редактор стека слоев с интегрированным решателем электромагнитного поля в Altium Designer^®. Когда вы закончили свой проект и хотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.