Nhu cầu kiểm soát trở kháng đường dẫn

| Created: Tháng Một 27, 2019 | Updated: Tháng Chín 7, 2023

Phương pháp thiết kế đường dẫn với trở kháng kiểm soát là một yếu tố quan trọng trong thiết kế PCB tốc độ cao, trong đó các phương pháp và công cụ hiệu quả phải được áp dụng để đảm bảo hiệu suất tốc độ cao mong muốn cho PCB của bạn. Vì vậy, trừ khi bạn thiết kế các đường dẫn trên PCB của mình một cách cẩn thận, trở kháng sẽ không được kiểm soát, và giá trị của nó sẽ thay đổi từ điểm này sang điểm khác trên đường dẫn. Và bởi vì các đường dẫn PCB của bạn không hoạt động như các kết nối đơn giản ở tần số cao, việc đảm bảo trở kháng được kiểm soát sẽ bảo toàn tính toàn vẹn của tín hiệu và cũng giảm thiểu khả năng phát ra bức xạ điện từ.

Yếu tố nào Xác định Trở kháng Kiểm soát?

Trở kháng của PCB được xác định bởi điện trở, dẫn điện, phản ứng cảm và dung của nó. Tuy nhiên, các yếu tố này là một chức năng của cấu trúc bảng mạch, tính chất của vật liệu dẫn điện và điện môi, cấu trúc và kích thước của các dẫn điện và khoảng cách của chúng so với các mặt phẳng trả về tín hiệu, cũng như tính chất của tín hiệu.

Ở mức cơ bản, giá trị trở kháng đường dẫn được xác định từ cấu trúc PCB và được tạo ra bởi các yếu tố này:

Độ dày của vật liệu điện môi (lõi/prepreg)
Hằng số điện môi của vật liệu (lõi/prepreg, lớp phủ hàn hoặc không khí)
Chiều rộng đường dẫn và trọng lượng đồng

Khi chúng ta nghiên cứu sâu hơn và xem xét các tần số cao hơn, trở kháng cũng được xác định bởi độ nhám của đồng (quyết định sự tăng của hiệu ứng bề mặt) và góc mất mát (tổn thất trong điện môi). Ngay cả khi bạn sử dụng đồng mịn nhất trong thiết kế của mình, quá trình làm thô cũng được sử dụng trong sản xuất PCB để đảm bảo một bề mặt thô cho việc kết dính các lớp phủ đồng và prepregs. Dù sao đi nữa, luôn luôn có một số độ nhám của đồng!

Cấu hình Tiêu biểu

Đầu tiên, hãy xem xét các cấu hình tiêu biểu. Có một số loại cấu hình dấu vết rộng lớn:

Đơn kết thúc: một dấu vết cô lập chỉ mang tín hiệu số hoặc tín hiệu RF
Dấu vết khác biệt: hai dấu vết được điều khiển cùng nhau với cực độ ngược nhau và bằng nhau
Không đồng mặt phẳng: một cấu hình dấu vết nơi không có đồng thêm trên cùng một lớp với dấu vết được định tuyến
Đồng mặt phẳng: một cấu hình dấu vết nơi có đổ đồng nối đất được bao gồm trên cùng một lớp với dấu vết

Khi xem xét một PCB đa lớp, các nhà thiết kế cần nhớ rằng các đường dẫn của họ có trở kháng được kiểm soát được bảo vệ bởi các mặt phẳng (tham chiếu), và do đó chỉ có độ dày điện mô giữa các mặt phẳng ở hai bên của đường dẫn mới cần được xem xét. Dưới đây là một số ví dụ về các cấu hình phổ biến nhất:

Er = Hằng số điện mô của vật liệu

H = chiều cao của vật liệu điện mô

T = Độ dày của đường dẫn

W1,W2 = Chiều rộng của đường dẫn ở mặt dưới và mặt trên của đường dẫn

Yếu tố Ăn mòn = T / [(W1 - W2) / 2]

S = Khoảng cách cặp dây dẫn khác pha

C = Độ dày của lớp phủ

CEr = Hằng số điện mô của lớp phủ

Cấu hình không đồng mặt phẳng

Microstrip Mặt: chứa một đường dẫn trên bề mặt tiếp xúc với không khí với một điện mô và một mặt phẳng ở một bên duy nhất.

Microstrip Phủ: chứa một đường dẫn trên bề mặt được phủ bằng lớp mặt nạ hàn, và với một điện mô và một mặt phẳng ở một bên duy nhất.

Stripline Lệch: chứa một đường dẫn được kẹp giữa trong PCB với một mặt phẳng ở cả hai bên của các điện mô (lõi/prepreg).

Microstrip Mặt Có Cạnh Ghép: là một cấu hình vi sai với hai đường dẫn có trở kháng kiểm soát trên bề mặt tiếp xúc với không khí, và một mặt phẳng ở phía bên kia của điện môi.

Microstrip Mặt Có Cạnh Ghép Phủ Sơn Mạch: là một cấu hình vi sai với hai đường dẫn có trở kháng kiểm soát trên bề mặt được phủ bởi lớp sơn mạch, và một mặt phẳng ở phía bên kia của điện môi.

Stripline Lệch Cạnh Ghép: là một cấu hình vi sai với hai đường dẫn có trở kháng kiểm soát nằm trong PCB, kẹp giữa hai mặt phẳng ở cả hai bên của điện môi (lõi/prepreg).

Cấu Hình Đồng Mặt

Lưu ý rằng cả đường dẫn đơn kết thúc và vi sai có thể là đồng mặt. Đường dẫn đồng mặt yêu cầu một tham số bổ sung: khoảng cách bên hoặc khoảng trống giữa mép của đường dẫn và mép của mặt đất trên cùng một lớp. Điều này cũng sẽ xác định trở kháng của đường dẫn vì khu vực mặt đất tạo ra dung kháng nhiễu thêm xung quanh microstrip. Ý tưởng tương tự cũng áp dụng cho stripline. Các tham số quan trọng cho microstrip được hiển thị bên dưới.

Nếu bạn dự định sử dụng microstrip đồng mặt phẳng, hãy chú ý cách tính toán khoảng cách cần thiết để đảm bảo rằng chiều rộng của một microstrip thông thường sẽ có cùng chiều rộng với microstrip đồng mặt phẳng. Trong hầu hết các trường hợp, giá trị S = 3W sẽ đủ và bạn có thể sử dụng tỷ lệ này để kích thước dấu vết nếu bạn không chắc cách tính khoảng cách đúng. Tùy thuộc vào lớp mỏng hơn (H nhỏ hơn), sau đó bạn có thể có S

Tìm hiểu thêm về việc xác định khoảng cách trong cấu hình đồng mặt phẳng

Đích Trở Kháng Nào Tôi Nên Xem Xét?

Nói chung, điều quan trọng không phải là giá trị, mà là việc kiểm soát trở kháng dọc theo toàn bộ chiều dài của dấu vết. Hầu hết các thiết kế sẽ có một số loại ràng buộc thông số kỹ thuật có thể xác định trở kháng mà bạn cần làm việc với (ví dụ: 90 Ohm cho các cặp vi sai trên giao diện USB). Đối với hầu hết các thiết kế được xây dựng theo các cấu hình dấu vết được hiển thị ở trên, trở kháng dấu vết PCB có thể kết thúc ở bất cứ đâu từ 40 đến 120 Ohm nếu bạn không thiết kế để đạt được một trở kháng cụ thể.

Đích Dung Sai Nào Tôi Nên Xem Xét?

Điều này được xác định theo hai cách có thể:

Dựa trên thông số kỹ thuật trong tiêu chuẩn tín hiệu bạn sử dụng
Dựa vào việc tính toán mức độ hao tổn trở lại

Quan trọng cần lưu ý rằng, xưởng sản xuất chỉ có thể đảm bảo trở kháng nhất định. Thông thường, trở kháng đường dẫn hoàn thiện sẽ ở mức khoảng +/-10% so với giá trị mục tiêu dựa trên độ chính xác của việc ăn mòn, góc của tấm PCB, sự biến đổi trong hằng số điện môi, và tần số mà Dk được đánh giá. Điều này cho phép nhà sản xuất có một số không gian để đạt được hiệu suất chấp nhận được. Vì vậy, độ chịu đựng không nên được các nhà thiết kế sử dụng để ước lượng giá trị trở kháng danh nghĩa!

Là một nhà thiết kế, nhiệm vụ của bạn là xác định phạm vi trở kháng chấp nhận được mà bạn có thể chấp nhận trên bảng mạch được sản xuất, và xưởng sản xuất cần xác định liệu họ có thể đáp ứng được thông số kỹ thuật của bạn hay không. Ví dụ, bạn có một đường dẫn hoàn thiện với mục tiêu trở kháng là 50 Ohms +/-10%, sau đó một đường dẫn được sản xuất với 55 Ohms nằm trong phạm vi chấp nhận, tuy nhiên điều này không để lại nhiều không gian cho nhà sản xuất của bạn để di chuyển, và điều này có thể làm giảm hiệu suất.

Cách Tính Trở Kháng Nhanh Chóng

Với nhiều bảng mạch truyền tải tín hiệu tốc độ cao thuộc về giao diện tiêu chuẩn, nhiều đường dẫn sẽ yêu cầu kiểm soát trở kháng. Việc kiểm soát này cần phải chính xác và được tính toán bằng một công cụ giải mô tả chính xác các tính chất của lớp xếp chồng thực tế của bạn, bao gồm cả tính chất vật liệu chính xác.

Để giúp bạn thiết kế theo giá trị trở kháng yêu cầu, Altium Designer^® bao gồm một máy tính trở kháng được cung cấp bởi bộ giải tích hợp trường Simbeor. Công cụ mô hình hóa chính xác cao này giúp người dùng nhanh chóng xác định trở kháng cho các giao diện tiêu chuẩn và sau đó áp dụng kết quả làm quy tắc thiết kế để sử dụng trong công cụ định tuyến của bạn. Tìm hiểu thêm về Trình quản lý Lớp Xếp Chồng trong Tài liệu Altium.

What is PCB Routing? PCB Routing in Altium Designer Design Rules for PCB Routing Efficient PCB Routing Tools (Webinar) Routing the PCB in Altium Designer

About Author

David currently serves as a Sr. Technical Marketing Engineer at Altium and is responsible for managing the development of technical marketing materials for all Altium products. He also works closely with our marketing, sales, and customer support teams to define product strategies including branding, positioning, and messaging. David brings over 15 years of experience in the EDA industry to our team, and he holds an MBA from Colorado State University and a B.S. in Electronics Engineering from Devry Technical Institute.