Контроль импеданса - это основа проектирования современных высокоскоростных цифровых и высокочастотных аналоговых схем.
1. Что такое контроль импеданса?
Контроль импеданса (ImpedanceControl) – это совокупность мер при проектировании и производстве печатных плат (ПП), направленных на то, чтобы волновое сопротивление (импеданс) проводников на печатной плате имело строго заданное значение.
Проще говоря, это технология, которая заставляет дорожку на печатной плате вести себя не как простой провод, а как предсказуемый коаксиальный кабель или волновод.
Зачем это нужно?
На низких частотах (примерно до 10 - 20 МГц) дорожка – это просто проводник, соединяющий две точки. Но когда сигналы становятся быстрыми (высокие частоты) и/или импульсными (крутые фронты), дорожка начинает вести себя как линия передачи.
Если импеданс линии передачи не совпадает с импедансом источника и приёмника сигнала, возникает отражение сигнала (signalreflection).
Отражения приводят к:
· Искажениям формы сигнала (звон, выбросы).
· Ложным срабатываниям логических элементов.
· Снижению помехоустойчивости.
· Полному отказу работы высокоскоростных интерфейсов (PCIe, USB, DDR, HDMI, Ethernet).
Как задается импеданс?
Волновое сопротивление одиночной дорожки (микрополосковая линия) зависит от трёх основных пар��метров:
Ширина дорожки (W) – Чем уже дорожка, тем выше импеданс.
Толщина диэлектрика (H) – Чем толще слой диэлектрика между дорожкой и плоскостью, тем выше импеданс.
Диэлектрическая проницаемость (єr) материала основания – Чем выше єr, тем ниже импеданс.
Наши инженеры - конструкторы, получая от вас чертежи, рассчитывают и подбирают эти параметры (чаще всего регулируя ширину дорожки в пределах допусков), чтобы добиться требуемого импеданса (например, 50 Ом для одиночной линии или 100 Ом для дифференциальной пары).
2. Одиночные проводники (Single-EndedTraces).
Это самый распространённый тип линии передачи на печатной плате. Сигнал передаётся по одной дорожке относительно земляной плоскости (GND).
Типичные значения импеданса: 50 Ом или 75 Ом.
50 Ом – промышленный стандарт для большинства цифровых и RF-интерфейсов.
Применение.
Тактовые сигналы, линии управления, линии адреса и данных (в не самых скоростных шинах), RF-тракты, входы/выходы общего назначения.
Преимущества: простота, требует меньше места на печатной плате.
Недостатки: чувствительность к внешним помехам, сами являются источником электромагнитных помех (ЭМП).
3. Дифференциальные пары (DifferentialPairs)
Это два проводника, по которым передаются два сигнала: прямой (P) и инверсный (N). Полезный сигнал определяется как разность напряжений между этими двумя проводниками: V_diff = V_P - V_N.
Типичные значения импеданса:
1. Дифференциальный импеданс (Z_diff).
Сопротивление, которое «видит» дифференциальный сигнал, проходя по паре. Стандарт – 90 Ом (USB), 100 Ом (Ethernet, HDMI, PCIe, DDR), 120 Ом (некоторые промышленные интерфейсы).
2. Синфазный импеданс (Z_comm).
Сопротивление, которое «видит» синфазный сигнал (помеха), пришедшая на оба проводника одновременно.
Ключевые принципы проектирования дифференциальных пар:
- Согласованность длины (LengthMatching).
Два проводника в паре должны быть точно одинаковой длины. Если один проводник длиннее другого, возникает перекос фазы (skew), что приводит к превращению части дифференциального сигнала в синфазную помеху и снижению помехоустойчивости. Для компенсации длины более короткой дорожки делают «зигзаг» (meander).
- Постоянный межпроводниковый зазор (Gap).
Расстояние между двумя проводниками пары должно быть постоянным по всей длине. Это необходимо для поддержания постоянного дифференциального импеданса.
- Симметричность.
Оба проводника должны быть одинаковой ширины и проходить в одинаковых условиях (на одном слое, на одинаковом расстоянии от опорного слоя).
Преимущества дифференциальных пар:
1) Высокая помехоустойчивость.
Внешняя помеха, наводящаяся на оба проводника, является синфазной и вычитается на приемнике.
2) Меньшее излучение ЭМП. Э
лектромагнитные поля от двух противоположных сигналов частично компенсируют друг друга.
3) Устойчивость к изменениям опорной земли.
Не так критично, чтобы у приёмника и передатчика была идеально общая «земля», так как сигнал определяется разностью напряжений.
4) Более низкое напряжение питания.
Позволяет использовать низкое напряжение (например, 0.8В) при высокой помехоустойчивости, что снижает энергопотребление.
1. Процесс обеспечения контроля на производстве
Расчёт на этапе проектирования.
Инженер использует калькуляторы импеданса (например, встроенные в CAD-системы типа Altium, или отдельные утилиты от PolarInstruments). Он задает параметры материалов (толщину меди, диэлектрика) и получает требуемую ширину трассы.
Указание в производственных данных.
В Gerber-файлах все трассы выглядят просто как рисунки. Критически важная информация об импедансе передаётся отдельно в виде спецификации (stack-up) и чертежа печатной платы, где указывается:
· Структура слоев (толщина меди и диэлектрика для каждого слоя).
· Целевые значения импеданса для определенных классов цепей (например, «Все линии на верхнем слое шириной 0.12 мм должны иметь Z0 = 50 Ом ±10%»).
Контроль на производстве.
Производитель печатных плат использует свои технологии и материалы, чтобы добиться указанных толщин, и проводит тестовые измерения (TDR - TimeDomainReflectometry) на тестовых купонах на той же заготовке, что и ваша печатная плата, чтобы убедиться, что импеданс попадает в заданный допуск.
Итог.
Контроль импеданса – это не опция, а необходимость для обеспечения целостности сигналов в современных электронных устройствах. Выбор между одиночным и дифференциальным проводником зависит от требований интерфейса к скорости, помехоустойчивости и уровню электромагнитных излучений.
Больше о производстве печатных плат здесь: