ทำไมการควบคุมอิมพีแดนซ์จึงจำเป็นสำหรับ PCB ความเร็วสูง

เพื่อให้สัญญาณมีความเสถียรบนวงจรความเร็วสูง คุณต้องควบคุมอิมพีแดนซ์บน PCB ของคุณ หากไม่มีการจัดการ PCB อิมพีแดนซ์ที่เหมาะสม สัญญาณอาจสะท้อนกลับและทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการกำหนดเวลาที่รบกวนวงจรของคุณ มาตรฐาน 50 โอห์มซึ่งพบได้ในข้อบังคับและเอกสารข้อมูลจำนวนมาก ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเนื่องจากให้ความสมดุลที่ดีระหว่างพลังงาน แรงดันไฟฟ้า และการสูญเสียสัญญาณ ปัจจุบัน ระบบ PCB อิมพีแดนซ์ 50 โอห์มเป็นเรื่องปกติในอุปกรณ์ไร้สายและเทคโนโลยีอัจฉริยะ การเลือกการออกแบบ PCB อิมพีแดนซ์ที่ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันปัญหาทั่วไปมากมายที่ต้องเผชิญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่

ประเด็นสำคัญ

# การควบคุมอิมพีแดนซ์ช่วยให้สัญญาณมีความชัดเจนและแข็งแกร่ง สิ่งนี้จะหยุดข้อผิดพลาดและการสูญเสียสัญญาณใน PCB ความเร็วสูง - ขนาดร่องรอย การเลือกวัสดุ และการตั้งค่าเลเยอร์ PCB เปลี่ยนอิมพีแดนซ์และคุณภาพสัญญาณ - ใช้เครื่องมือออกแบบและทำงานร่วมกับผู้ผลิตเพื่อตรวจสอบอิมพีแดนซ์ก่อนทำการผลิตบอร์ด - การทดสอบด้วยเครื่องมือต่างๆ เช่น Time Domain Reflectometry (TDR) และคูปองทดสอบจะตรวจสอบว่า PCB ของคุณเป็นไปตามกฎอิมพีแดนซ์หรือไม่ - การควบคุมอิมพีแดนซ์ที่ดีทำให้อุปกรณ์เร็วขึ้น ลดการรบกวน และทำให้เชื่อถือได้มากขึ้น

พื้นฐาน PCB อิมพีแดนซ์

อิมพีแดนซ์ควบคุมคืออะไร

อิมพีแดนซ์ควบคุมหมายความว่าคุณสร้าง PCB ของคุณเพื่อให้ร่องรอยสัญญาณแต่ละเส้นมีค่าอิมพีแดนซ์ที่ตั้งไว้และคงที่ คุณเลือก ความกว้างของร่องรอย ความหนาของทองแดง ความหนาของไดอิเล็กทริก และชนิดของวัสดุ อย่างระมัดระวัง การรักษาอิมพีแดนซ์ให้เหมือนเดิมตลอดทั้งร่องรอยช่วยให้สัญญาณเคลื่อนที่ได้อย่างราบรื่นตั้งแต่ต้นจนจบ สิ่งนี้สำคัญมากสำหรับสัญญาณความเร็วสูง แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในอิมพีแดนซ์ก็อาจทำให้เกิดปัญหาได้

ลักษณะ ในการควบคุมอิมพีแดนซ์ ให้ดูสิ่งเหล่านี้:

ความกว้างของร่องรอย: ร่องรอยที่กว้างขึ้นทำให้อิมพีแดนซ์ต่ำลง

ความหนาของทองแดง: ทองแดงที่หนากว่ายังทำให้อิมพีแดนซ์ต่ำลงด้วย

ความหนาของไดอิเล็กทริก: ไดอิเล็กทริกที่หนากว่าทำให้อิมพีแดนซ์สูงขึ้น

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก: วัสดุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกต่ำทำงานได้ดีกว่าสำหรับการควบคุมอิมพีแดนซ์

วงจรความเร็วสูงและ RF ส่วนใหญ่ใช้ค่าอิมพีแดนซ์มาตรฐาน เช่น 50 โอห์มสำหรับร่องรอยของวงจรค่านี้ช่วยให้สัญญาณมีความแข็งแกร่งและชัดเจน มีประโยชน์มากเมื่อคุณใช้ความถี่สูงกว่า 200 MHz หรือเมื่อร่องรอยมีความยาวเมื่อเทียบกับเวลาขึ้นของสัญญาณ

นี่คือภาพรวมอย่างรวดเร็วของพารามิเตอร์หลักและค่าปกติ:

แนะนำกระบวนการของผู้ผลิต

คุณต้องควบคุมอิมพีแดนซ์เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรความเร็วสูงของคุณทำงานได้ดี หากคุณไม่ควบคุมอิมพีแดนซ์ สัญญาณอาจสะท้อนกลับไปมาบนร่องรอย ซึ่งทำให้เกิดการสะท้อน การบิดเบือนสัญญาณ และข้อผิดพลาดของข้อมูล เมื่อคุณจับคู่อิมพีแดนซ์ของร่องรอยของคุณกับแหล่งที่มาและโหลด สัญญาณจะไปถึงจุดสิ้นสุดโดยไม่สูญเสียความแข็งแกร่งหรือสับสน

นี่คือเหตุผลหลักบางประการว่าทำไมการควบคุมอิมพีแดนซ์จึงมีความสำคัญมากสำหรับการออกแบบ PCB อิมพีแดนซ์ของคุณ:

: ก่อนที่คุณจะสร้างบอร์ด คุณสามารถใช้ซอฟต์แวร์ออกแบบเพื่อทดสอบอิมพีแดนซ์ สิ่งนี้ช่วยให้คุณเห็นว่าการออกแบบร่องรอยของคุณจะทำงานหรือไม่คุณ หยุดการบิดเบือนสัญญาณ การสะท้อน และการสูญเสียดังนั้นสัญญาณจึงยังคงสะอาดและแข็งแกร่ง

: คุณสามารถใช้เครื่องมือออนไลน์เพื่อเดาค่าอิมพีแดนซ์ เครื่องคิดเลขเหล่านี้ให้แนวคิดอย่างรวดเร็วก่อนที่จะส่งการออกแบบของคุณไปยังโรงงานคุณลดการครอสทอล์ก ดังนั้นสัญญาณบนร่องรอยใกล้เคียงจึงไม่รบกวนซึ่งกันและกัน

: หลังจากทำการผลิตบอร์ด ผู้ผลิตใช้เครื่องมือพิเศษเพื่อวัดอิมพีแดนซ์จริง วิธีหนึ่งที่ใช้กันทั่วไปคือ คุณหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดของข้อมูลและปัญหาการกำหนดเวลา ซึ่งอาจทำให้วงจรของคุณล้มเหลว

: ผู้ผลิตมักจะใส่คูปองทดสอบขนาดเล็กบนแผงเดียวกับ PCB ของคุณ คูปองเหล่านี้คัดลอกสแต็กอัพและรูปร่างของร่องรอยของบอร์ดจริงของคุณ การทดสอบเหล่านี้ให้ผลลัพธ์ที่มักจะอยู่ภายใน 5% ของค่าเป้าหมายของคุณ หากคุณต้องการความแม่นยำยิ่งขึ้น คุณสามารถขอให้ใส่คูปองทดสอบลงบนบอร์ดของคุณได้โดยตรงคุณลดการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ทำให้ความปลอดภัยของอุปกรณ์ของคุณและเชื่อถือได้มากขึ้น

5. คุณรองรับอัตราข้อมูลที่สูงขึ้น ดังนั้นวงจรของคุณจึงสามารถทำงานได้เร็วขึ้นโดยไม่มีปัญหา

6. คุณรักษาเวลาและการซิงโครไนซ์ให้ถูกต้อง ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับระบบดิจิทัล

หากคุณไม่ควบคุมอิมพีแดนซ์ คุณอาจมีปัญหามากมาย:

หมายเหตุ: มาตรฐานอุตสาหกรรมกล่าวว่าให้รักษาอิมพีแดนซ์ภายใน ±10% ถึง ±15% สำหรับ PCB แบบแข็งส่วนใหญ่ สำหรับวงจรความถี่สูงและ RF คุณอาจต้องมีขีดจำกัดที่เข้มงวดกว่า เช่น ±5% ถึง ±7% คุณสามารถใช้เครื่องมือต่างๆ เช่น Time Domain Reflectometry (TDR) เพื่อตรวจสอบว่า PCB อิมพีแดนซ์ของคุณเป็นไปตามกฎเหล่านี้หรือไม่

เมื่อคุณออกแบบ PCB อิมพีแดนซ์ คุณต้องเผชิญกับปัญหาต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงความกว้างของร่องรอยอย่างกะทันหัน การเปลี่ยนผ่านผ่าน และการรักษารูปทรงของร่องรอยให้เหมือนเดิมคุณยังต้องจัดการกับสแต็กอัพและเลือกวัสดุที่เหมาะสม การวางแผนที่ดีและการทำงานอย่างใกล้ชิดกับผู้ผลิตของคุณช่วยให้คุณแก้ปัญหาเหล่านี้และได้รับผลลัพธ์ที่ดีที่สุด

ความสมบูรณ์ของสัญญาณ

การสะท้อนและการสูญเสีย

เมื่อคุณสร้าง PCB ความเร็วสูง คุณต้องระวังการสะท้อนของสัญญาณ สิ่งเหล่านี้เกิดขึ้นหากอิมพีแดนซ์ของร่องรอยของคุณไม่ตรงกับชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ แม้แต่การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความกว้างของร่องรอยหรือการเพิ่ม vias ก็อาจทำให้เกิด การไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้น สัญญาณบางส่วนจะสะท้อนกลับไปที่จุดเริ่มต้น สัญญาณที่สะท้อนกลับจะผสมกับสัญญาณหลัก สิ่งนี้ทำให้สัญญาณยุ่งเหยิงและมีเสียงดัง

ลักษณะ พยายามรักษาอิมพีแดนซ์ของร่องรอยของคุณให้เหมือนกันทุกที่ อย่าเปลี่ยนความกว้างอย่างกะทันหันและรักษาระนาบอ้างอิงของคุณให้แข็งแกร่ง

หลายสิ่งหลายอย่างอาจทำให้เกิดการสะท้อนและการสูญเสียสัญญาณใน PCB ของคุณ:

การไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ระหว่างร่องรอยและชิ้นส่วนที่เชื่อมต่อ

ร่องรอยที่ยาวทำให้การสะท้อนแย่ลง เนื่องจากความแตกต่างของเฟส

การสิ้นสุดที่ไม่ดีในตอนท้ายของร่องรอย เช่น ปลายเปิดหรือปลายสั้น

Via stubs และทองแดงใกล้เคียงสามารถทำให้ยุ่งเหยิงกับอิมพีแดนซ์ได้

การเปลี่ยนแปลงความกว้างของร่องรอยหรือระนาบกราวด์ที่ขาดหายไปทำให้เกิดอิมพีแดนซ์ที่ไม่สม่ำเสมอ

หากอิมพีแดนซ์ไม่ตรงกัน พลังงานสัญญาณบางส่วนจะสะท้อนกลับและไม่เคยไปถึงจุดสิ้นสุด พลังงานที่ สูญเปล่านี้จะเปลี่ยนเป็นความร้อน และลดประสิทธิภาพพลังงานของวงจรของคุณ ในระยะทางไกล การสะท้อนเหล่านี้ทำให้สัญญาณอ่อนลง สิ่งนี้ทำให้ยากสำหรับอุปกรณ์ของคุณในการอ่านข้อมูลที่ถูกต้อง ที่ความถี่สูง แม้แต่การไม่ตรงกันเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดปัญหาใหญ่ได้ คุณอาจเห็นแรงดันไฟฟ้าเกิน การเกิดเสียงก้อง และสัญญาณที่อ่อนลง

เพื่อให้สัญญาณของคุณแข็งแกร่งและชัดเจน ให้จับคู่อิมพีแดนซ์ของร่องรอยของคุณกับแหล่งที่มาและโหลด สิ่งนี้ช่วยหยุดการสูญเสียสัญญาณและทำให้วงจรความเร็วสูงของคุณทำงานได้ดี

ข้อผิดพลาดในการกำหนดเวลาและข้อมูล

การไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์ทำมากกว่าแค่ทำให้เกิดการสะท้อน พวกเขายังทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการกำหนดเวลาและข้อมูลในวงจรความเร็วสูง เมื่อสัญญาณสะท้อนกลับ มันสามารถผสมกับสัญญาณถัดไป สิ่งนี้ทำให้เกิด เสียงก้องและสัญญาณเป็นคลื่นปัญหาเหล่านี้เปลี่ยนรูปร่างของสัญญาณของคุณ หากสัญญาณยุ่งเหยิงเกินไป อุปกรณ์ของคุณอาจอ่านค่าผิด

คุณอาจเห็นข้อผิดพลาดในการกำหนดเวลาและข้อมูลเหล่านี้:

ข้อผิดพลาดบิตจากรูปคลื่นที่ยุ่งเหยิง

เสียงก้องและสัญญาณเป็นคลื่นที่เปลี่ยนเวลา

ระดับแรงดันไฟฟ้าข้ามเส้นตรรกะในเวลาที่ไม่ถูกต้อง ดังนั้นบิตจึงถูกอ่านผิด

ข้อมูลยุ่งเหยิงจากเสียงรบกวนและการรบกวนขอให้ผู้ผลิตของคุณทำคูปองทดสอบอิมพีแดนซ์

ส่วนต่างๆ ของวงจรของคุณสูญเสียการซิงค์ซึ่งกันและกัน

ที่ความถี่สูง แม้แต่การสะท้อนเล็กน้อยก็สามารถเปลี่ยนเวลาของสัญญาณได้ สัญญาณดิจิทัลที่รวดเร็วมีขอบที่คมชัด ดังนั้นจึงมีความไวต่อการไม่ตรงกันของอิมพีแดนซ์มาก หาก PCB ของคุณไม่สามารถควบคุมอิมพีแดนซ์ได้ดี คุณอาจได้รับข้อผิดพลาดในข้อมูลและการกำหนดเวลา ปัญหาเหล่านี้อาจทำให้อุปกรณ์ของคุณล้มเหลวหรือทำงานผิดปกติ

หมายเหตุ: การควบคุมอิมพีแดนซ์ที่ดี ช่วยให้สัญญาณสะอาดและทำให้แน่ใจว่าข้อมูลมาถึงตรงเวลา สิ่งนี้สำคัญมากสำหรับวงจรดิจิทัลความเร็วสูง ซึ่งแม้แต่ข้อผิดพลาดเล็กน้อยก็อาจทำให้เกิดปัญหาใหญ่ได้

เมื่อคุณออกแบบ PCB ของคุณ ให้มองหาสถานที่ที่ อิมพีแดนซ์เปลี่ยนแปลงเสมอ ใช้เครื่องมือจำลองและทำงานร่วมกับผู้ผลิตของคุณเพื่อให้แน่ใจว่าร่องรอยของคุณมีอิมพีแดนซ์ที่ถูกต้อง สิ่งนี้ช่วยหยุดปัญหาข้อมูลและทำให้วงจรความเร็วสูงของคุณทำงานได้ดี

ปัจจัยอิมพีแดนซ์

รูปทรงเรขาคณิตของร่องรอย

คุณสามารถเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ได้โดยการเปลี่ยนรูปร่างและขนาดของร่องรอย หากคุณทำให้ร่องรอยกว้างขึ้น อิมพีแดนซ์จะต่ำลง หากคุณทำให้มันบางลง อิมพีแดนซ์จะสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น ร่องรอยกว้าง 0.3 มม. บน FR-4 ให้ประมาณ 50 โอห์มหากคุณทำให้กว้าง 0.5 มม. อิมพีแดนซ์จะลดลงเหลือประมาณ 40 โอห์ม สิ่งนี้อาจทำให้สัญญาณเด้งและทำให้เกิดปัญหาใน PCB อิมพีแดนซ์ของคุณ คุณต้องเลือกความกว้างของร่องรอยที่เหมาะสมสำหรับอิมพีแดนซ์เป้าหมายและกระแสไฟที่ต้องรับ

ความหนาของร่องรอยหรือความหนาของทองแดงก็มีความสำคัญเช่นกัน ร่องรอยที่หนากว่ามีความต้านทานน้อยกว่าและสามารถเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ได้เล็กน้อย PCB ส่วนใหญ่ใช้ทองแดงหนา 35 μmหากคุณต้องการกระแสไฟมากขึ้น คุณอาจใช้ 70 μm ความหนาของร่องรอยไม่ได้เปลี่ยนอิมพีแดนซ์มากเท่ากับความกว้าง แต่มันยังช่วยให้คุณปรับแต่ง PCB อิมพีแดนซ์ของคุณได้

ระยะห่างระหว่างร่องรอยส่งผลกระทบต่อการครอสทอล์ก นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ในคู่ดิฟเฟอเรนเชียล การวางแผนรูปทรงเรขาคณิตของร่องรอยที่ดีช่วยให้สัญญาณมีความชัดเจนและหยุดการสะท้อนที่ไม่ต้องการ

ลักษณะ ใช้เครื่องมือออกแบบ PCB เพื่อค้นหาความกว้างและความหนาของร่องรอยที่ดีที่สุดสำหรับอิมพีแดนซ์เป้าหมายของคุณ

วัสดุและสแต็กอัพ

วัสดุที่คุณใช้และวิธีการวางเลเยอร์มีผลต่ออิมพีแดนซ์ด้วย วัสดุไดอิเล็กทริกอยู่ระหว่างร่องรอยและระนาบกราวด์ ความหนาและ ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก (Dk) ของมันเปลี่ยนอิมพีแดนซ์ทั้งคู่หากคุณใช้ไดอิเล็กทริกที่หนากว่า อิมพีแดนซ์จะสูงขึ้น ตัวอย่างเช่น หากคุณทำให้ ไดอิเล็กทริกหนาขึ้นจาก 0.2 มม. เป็น 0.4 มม. อิมพีแดนซ์อาจเปลี่ยนจาก 50 โอห์มเป็นประมาณ 65 โอห์มค่าคงที่ไดอิเล็กทริกที่สูงขึ้นทำให้อิมพีแดนซ์ต่ำลงและทำให้สัญญาณช้าลง

Stack-up หมายถึงวิธีการจัดเรียงเลเยอร์ใน PCB ของคุณจำนวนเลเยอร์ ระยะห่าง และวัสดุทั้งหมดกำหนดอิมพีแดนซ์ ตัวอย่างเช่น ในบอร์ดสี่เลเยอร์ คุณอาจวางเลเยอร์สัญญาณไว้ข้างระนาบกราวด์ ความกว้างของร่องรอย ความหนาของไดอิเล็กทริก และ Dk ทำงานร่วมกันเพื่อให้คุณได้อิมพีแดนซ์ที่ถูกต้อง คุณสามารถใช้สูตรทางคณิตศาสตร์หรือซอฟต์แวร์ออกแบบเพื่อช่วยให้คุณได้รับค่าที่คุณต้องการ

การเลือกวัสดุและสแต็กอัพที่เหมาะสมช่วยให้คุณควบคุม PCB อิมพีแดนซ์ได้ สิ่งนี้ช่วยให้สัญญาณของคุณแข็งแกร่งและเชื่อถือได้

การควบคุมอิมพีแดนซ์

กลยุทธ์การออกแบบ

ส่งข้อสอบของคุณตรงมาหาเรา