Rosnące zapotrzebowanie na zaawansowaną elektronikę napędza innowacje w zakresie możliwości i wydajności płytek drukowanych. Projektanci obwodów obecnie rutynowo pracują z większymi prędkościami sygnału. Sygnały o dużej prędkości, raz okazjonalne wyzwanie, stają się standardem w układach płytek drukowanych. Bezbłędna transmisja szybkich sygnałów wymaga od projektantów zrozumienia najlepszych praktyk w zakresie trasowania śladów na płytkach. Tras nie można już wyznaczać wyłącznie na podstawie estetyki lub kosztów. Priorytetem jest teraz stworzenie optymalnych ścieżek śledzenia, aby zapewnić integralność sygnału i zminimalizować problemy z wydajnością. Aby to osiągnąć, projektanci muszą zdobyć wiedzę na temat linii przesyłowej PCB. Przewodność cieplna uległaby zmniejszeniu, gdyby istniało wiele warstw wewnętrznych i na odwrót, przedstawimy rodzaje stosowanych linii przesyłowych, omów ich znaczenie, i podaj preferowane metody układu.
Co to jest linia transmisyjna PCB?
Linia transmisyjna płytki drukowanej przesyła sygnały między nadajnikami i odbiornikami na płytce drukowanej. Składa się z dwóch przewodników – ślad sygnału i droga powrotna, zazwyczaj płaszczyzna podłoża. Przewodniki są oddzielone warstwą dielektryka. Prądy przemienne o wysokiej częstotliwości wykazują propagację fal w liniach przesyłowych. Kluczową właściwością jest to, że w każdym punkcie na swojej długości, linia ma impedancję. co więcej, jeśli wymiary linii nie różnią się, impedancja ta pozostaje stała. Taki ślad nazywany jest linią przesyłową o kontrolowanej impedancji. Niejednorodne impedancje prowadzą do odbić i zniekształceń sygnału. Tak dla wysokich częstotliwości, kontrolowanie impedancji ścieżki przewiduje zachowanie sygnału.
Rodzaje linii przesyłowych PCB
Podczas projektowania płytek drukowanych, inżynierowie mają do rozważenia trzy podstawowe opcje przesyłania sygnałów na całej płytce:
- Mikropasek PCB
Linia transmisyjna mikropaskowa składa się z pojedynczej ścieżki przewodzącej, która pełni rolę nośnika sygnału, poprowadzone nad płaszczyzną podłoża odniesienia. Ta płaszczyzna odniesienia, zwykle znajduje się na jednej z zewnętrznych warstw Układ PCB, zapewnia ścieżkę zwrotną bezpośrednio pod ścieżką sygnału. Mikropaski najczęściej biegną wzdłuż warstw zewnętrznych ze względu na łatwość dostępu, jednak, możliwe jest także osadzenie tych ścieżek w wewnętrznych warstwach płyty. Płaszczyzna odniesienia dla wewnętrznego mikropaska nadal znajduje się na sąsiedniej warstwie zewnętrznej. Mikropaski umożliwiają proste trasowanie sygnałów single-ended, projekty o dużej gęstości śladów, i przydatność do elementów do montażu powierzchniowego.
- Linia paskowa PCB
Linie przesyłowe linii paskowej polegają na umieszczeniu trasowanej ścieżki przewodzącej pomiędzy dwiema referencyjnymi płaszczyznami uziemienia, zawarte w warstwach dielektrycznych płyty. Taka konfiguracja zapewnia ścieżki prądu powrotnego zarówno powyżej, jak i poniżej nośnej sygnału. Dodatkowa osłona z dwóch płaszczyzn zapewnia liniom paskowym naturalną odporność na zakłócenia elektromagnetyczne w porównaniu z liniami mikropaskowymi. Linie paskowe charakteryzują się doskonałą wszechstronnością – ślady można umieścić bliżej tej lub innej płaszczyzny odniesienia, aby poprawić wydajność, a wiele ścieżek można poprowadzić równolegle pomiędzy płaszczyznami. Większe płaszczyzny odniesienia zapewniają również doskonałą jakość transmisji sygnału. Linie paskowe mają bardziej złożoną produkcję w porównaniu z mikropaskami, ale umożliwiają doskonały, szybki sygnał.
- Współpłaszczyznowe linie przesyłowe
Współpłaszczyznowa linia transmisyjna umieszcza ścieżkę sygnału i ścieżkę powrotną na tej samej warstwie PCB. Składa się z centralnej ścieżki sygnału otoczonej dwiema szerszymi płaszczyznami uziemienia, z odstępami oddzielającymi przewody. Wszystkie elementy współpłaszczyznowe przebiegają przez materiał dielektryczny płytki. Precyzyjna kontrola odstępów między śladami, samoloty naziemne, i szerokości płaszczyzn są konieczne osiągnąć docelowe impedancje. Linie współpłaszczyznowe są rzadziej używane w porównaniu z mikropaskami lub liniami paskowymi, ale zapewniają pewne korzyści, takie jak łatwiejsza regulacja impedancji i brak konieczności wiercenia przelotek. Ich ekspozycja ułatwia również sondowanie w celu dokonania pomiarów. Jednak współpłaszczyznowe elementy mają bardziej rygorystyczne tolerancje produkcyjne i pozostają podatne na zakłócenia elektromagnetyczne bez płaszczyzn ekranujących.
Znaczenie linii przesyłowych w PCB
Ponieważ urządzenia i obwody elektroniczne dążą do szybszych prędkości przełączania i wyższych częstotliwości, uwzględnienie efektów linii przesyłowych w układach PCB staje się krytyczne. Przy częstotliwościach mikrofalowych sięgających zakresów gigaherców, śladów nie można już traktować po prostu jako połączeń między punktami. Raczej, prawa propagacji elektrycznej dyktują, że sygnały będą odbijane i dzwonić w oparciu o impedancję geometrii ścieżki. Brak kontroli nad tymi efektami powoduje zniekształcenie sygnałów, interferencja elektromagnetyczna, i zawodne działanie obwodu. Prawidłowo wdrażając linie transmisyjne – z kontrolowanymi wymiarami i odstępami w celu osiągnięcia docelowych impedancji charakterystycznych – projektanci płytek PCB mogą doskonale przenosić sygnały ze źródła do obciążenia. Znajomość linii przesyłowych, czy mikropaskowy, linia paskowa, lub konstrukcje współpłaszczyznowe, pomaga zapobiegać degradacji sygnału, jednocześnie umożliwiając zastosowanie najnowocześniejszych technologii. Przy dzisiejszych trendach miniaturyzacji i stale rosnących częstotliwościach, znajomość linii przesyłowych PCB jest podstawową umiejętnością przy projektowaniu dużych prędkości, płytki drukowane wysokiej częstotliwości.
Wskazówki dotyczące projektowania linii przesyłowej
Kontrolowanie impedancji charakterystycznej na całej długości ścieżki ma ogromne znaczenie w przypadku linii przesyłowych. Niespełnienie tego warunku powoduje zakłócające odbicia sygnału przy wysokich częstotliwościach, zakłócanie transmisji danych. Dostosowując szerokość linii w celu osiągnięcia docelowej impedancji, projektanci tworzą precyzyjne połączenia. Kalkulatory internetowe, Narzędzia CAD ze zintegrowanymi kalkulatorami, lub zasięgnięcie wskazówek u producentów płytek PCB ułatwia osiągnięcie dokładnych docelowych wartości impedancji, jakie standardy lubią IPC-2581 także ułatwić.
Z ustalonymi ścieżkami kontrolowanymi impedancją, dodatkowe praktyki projektowe optymalizują układy:
Unikaj zatłoczonych obszarów – Zapobiegaj nieciągłościom impedancji, prowadząc linie z dala od ciasnych przestrzeni. Rozcięcia lub przerwy w ścieżkach zakłócają ścieżkę prądu powrotnego.
Użyj jednej warstwy – Zminimalizuj przejścia pionowe, używając głównie jednej warstwy, aby ułatwić kontrolę impedancji i dostęp do płaszczyzny odniesienia.
Dodaj przelotki – Jeśli nie da się uniknąć przenoszenia pomiędzy warstwami, umieść przelotki wzdłuż ścieżek jako punkty odniesienia naziemne, utrzymując ścieżkę powrotną.
Trzymajcie pary razem – Pary różnicowe trasowania łączą się na tej samej ścieżce, aby dopasować długości linii, unikanie przeszkód, takich jak przelotki, które mogą zniekształcać sygnały.
W istocie, linie przesyłowe o kontrolowanej impedancji wymagają szczegółowego planowania i układu, aby zapewnić nieskazitelne sygnały o wysokich częstotliwościach. Istnieją niezliczone zasoby umożliwiające dokładne projektowanie geometrii ścieżek i odstępów dla docelowych impedancji przed trasowaniem. Po obliczeniu, należy zachować ostrożność, aby wdrażać linie w sposób konsekwentny i ciągły. Przy dzisiejszych prędkościach sygnału wchodzących w zakres mikrofal, wiedza specjalistyczna w zakresie zasad linii przesyłowych z dopasowaną impedancją stanowi nieoceniony zestaw umiejętności projektowania płytek PCB. Opanowanie śladów o kontrolowanej impedancji i łagodzenie nieciągłości umożliwia niezawodne trasowanie sygnałów o wysokiej częstotliwości.
Podsumowanie
W zamknięciu, Zrozumienie podstaw linii przesyłowych umożliwia projektantom obwodów drukowanych. Kontrola impedancji na całej długości ścieżki jest najważniejsza; nieciągłości zakłócają integralność sygnału. Obliczając wymiary fizyczne impedancji docelowych, jednolite połączenia wzajemne umożliwiają niezawodną transmisję danych z dużą szybkością.
Proszę o kontakt z wszelkimi nierozstrzygniętymi pytaniami dotyczącymi tego kluczowego tematu układu PCB. Niezależnie od tego, czy chodzi o obliczenia impedancji, konfiguracje linii przesyłowych, metody routingu, lub sygnalizować problemy z integralnością, chętnie wspieramy Cię w dążeniu do wiedzy specjalistycznej.
