การควบคุมอิมพีแดนซ์ในการออกแบบ PCB ของวงจรดิจิทัลความเร็วสูง

เทคโนโลยีการควบคุมอิมพีแดนซ์มีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบวงจรดิจิทัลความเร็วสูง ซึ่งจำเป็นต้องใช้วิธีการที่มีประสิทธิภาพเพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง

การคำนวณอิมพีแดนซ์และการควบคุมอิมพีแดนซ์ของสายส่งสัญญาณความเร็วสูงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

• แบบจำลองสมมูลบนสายส่ง

รูปที่ 1 แสดงผลเทียบเท่าของสายส่งบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ซึ่งเป็นโครงสร้างที่ประกอบด้วยตัวเก็บประจุ ตัวต้านทาน และตัวเหนี่ยวนำหลายตัวที่ต่อเรียงกัน (โมเดล RLGC)

ค่าความต้านทานแบบแทนเดิมโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงตั้งแต่ 0.25 ถึง 0.55 โอห์มต่อฟุต และค่าความต้านทานของตัวต้านทานหลายตัวมักจะยังคงอยู่ในระดับค่อนข้างสูง เมื่อมีการเพิ่มค่าความต้านทาน寄生 ค่าคาปาซิแตนซ์ และค่าอินดักแตนซ์ในสายส่งบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) แล้ว อิมพีแดนซ์โดยรวมบนสายส่งจะถูกเรียกว่าอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ (Z₀ค่าความต้านทานลักษณะจะมีค่าค่อนข้างต่ำเมื่อเส้นลวดมีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่ เส้นลวดอยู่ใกล้กับเพาเวอร์/กราวด์ หรือค่าคงที่ไดอิเล็กทริกมีค่าสูง รูปที่ 3 แสดงแบบจำลองสมมูลของสายส่งที่มีความยาว dz ซึ่งจากแบบจำลองนี้สามารถหาค่าความต้านทานลักษณะของสายส่งได้ตามสมการ:ในสูตรนี้Lหมายถึงค่าความเหนี่ยวนำต่อหนึ่งหน่วยความยาวบนสายส่ง ในขณะที่Cหมายถึงค่าคาปาซิแตนซ์ต่อหนึ่งหน่วยความยาวบนสายส่ง

• สูตรการคำนวณอิมพีแดนซ์และความหน่วงของสายส่งบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

สายส่งบนแผงวงจรพิมพ์	สูตรการคำนวณอิมพีแดนซ์และความหน่วงเวลา

ในสูตรข้างต้นZ₀หมายถึงอิมพีแดนซ์ (โอห์ม)ดับเบิลยูหมายถึงความกว้างของเส้น (นิ้ว)ทีหมายถึงความหนาของเส้น (นิ้ว)Hหมายถึงระยะห่างจากพื้นดิน (นิ้ว), หมายถึงค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์ของวัสดุฐาน, และต_พีดีหมายถึงเวลาแฝง (ps/นิ้ว)

• กฎการจัดวางควบคุมอิมพีแดนซ์ของสายส่ง

จากการวิเคราะห์ข้างต้น หน่วยหน่วงเวลาของอิมพีแดนซ์และสัญญาณไม่มีความสัมพันธ์กับความถี่ของสัญญาณ แต่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างของบอร์ด ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสัมพัทธ์ของวัสดุบอร์ด และคุณลักษณะทางกายภาพของการเดินลาย ข้อสรุปนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงและสำหรับการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง นอกจากนี้ ความเร็วการส่งผ่านของสัญญาณในสายส่งชั้นนอกจะสูงกว่าชั้นในมาก ดังนั้นปัจจัยเหล่านี้จึงต้องถูกนำมาพิจารณาในการจัดวางเลย์เอาต์ของลายวงจรสำคัญ

การควบคุมอิมพีแดนซ์เป็นข้อกำหนดสำคัญสำหรับการใช้งานการส่งสัญญาณ อย่างไรก็ตาม ตามโครงสร้างบอร์ดและสูตรการคำนวณอิมพีแดนซ์ของสายส่ง อิมพีแดนซ์จะขึ้นอยู่กับวัสดุแผงวงจรพิมพ์และโครงสร้างชั้น PCBด้วยความกว้างของลายวงจรและคุณสมบัติการเดินลายที่ไม่เปลี่ยนแปลงสำหรับลายเดียวกัน ดังนั้นอิมพีแดนซ์ของลายวงจรจะไม่เปลี่ยนไปในเลเยอร์ต่าง ๆ ของ PCB ซึ่งไม่เป็นที่ยอมรับในการออกแบบวงจรความเร็วสูง

สำหรับบทความนี้ได้ออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูงที่มีความหนาแน่นสูง และสัญญาณส่วนใหญ่บนบอร์ดมีข้อกำหนดด้านอิมพีแดนซ์ ตัวอย่างเช่น สายสัญญาณ CPCI ควรมีอิมพีแดนซ์ 65 โอห์ม สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียล 100 โอห์ม และสัญญาณอื่น ๆ ทั้งหมดอย่างละ 50 โอห์ม ตาม…การเดินลายวงจร PCBในพื้นที่ดังกล่าว จำเป็นต้องใช้การเดินสายอย่างน้อยสิบชั้น และได้กำหนดแผนการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์แบบ 16 ชั้น

เนื่องจากความหนาโดยรวมของบอร์ดต้องไม่เกิน 2 มม. จึงทำให้เกิดความยากลำบากบางประการในด้านการซ้อนชั้น โดยมีปัญหาบางอย่างที่ต้องคำนึงถึง ได้แก่:

1).แต่ละชั้นสัญญาณมีระนาบภาพที่อยู่ติดกันเพื่อปกป้องอิมพีแดนซ์และคุณภาพของสัญญาณ

2).แต่ละเพลนจ่ายไฟจะมีชั้นกราวด์ที่สมบูรณ์อยู่ติดกันเพื่อให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพของการจ่ายพลังงาน

3).การซ้อนกระดานต้องอาศัยความสมดุล และต้องหลีกเลี่ยงการโก่งงอของกระดาน

ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของตัวกลางถูกกำหนดให้เป็น 4.3 ตามการออกแบบการซ้อนชั้นด้านบน ความกว้างของลายวงจรและระยะห่างระหว่างลายวงจรควรถูกกำหนดตามผลการคำนวณเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของอิมพีแดนซ์สัญญาณ ความกว้างของลายวงจรถูกคำนวณได้ดังผลลัพธ์ต่อไปนี้:

1).ความกว้างของลายสัญญาณบนชั้นผิวหน้าคือ 5 mil โดยมีอิมพีแดนซ์ 58.7 โอห์ม

2).ความกว้างของเส้นสัญญาณ CPCI บนชั้นผิวคือ 4.5 mil โดยมีอิมพีแดนซ์ 61.7 โอห์ม

3).ความกว้างของลายสัญญาณในชั้นในคือ 4.5 mil โดยมีอิมพีแดนซ์ 50.2 โอห์ม

4).ความกว้างของลายในบริเวณ BGA ทั้งชั้นในและชั้นผิวหน้าคือ 4 mil โดยมีอิมพีแดนซ์ของชั้นผิวหน้า 64.6 โอห์ม และอิมพีแดนซ์ของชั้นใน 52.7 โอห์ม

5).ความกว้างของไมโครสตริปไลน์แบบดิฟเฟอเรนเชียลในเลเยอร์ด้านในคือ 5 มิล โดยมีระยะห่างระหว่างไลน์ 6 มิล และอิมพีแดนซ์ 100.54 โอห์ม

6).ความกว้างของเส้นสตริปลายน์ดิฟเฟอเรนเชียลในเลเยอร์ด้านในคือ 4.5 มิล โดยมีระยะห่างระหว่างเส้น 10 มิล และมีอิมพีแดนซ์ 96.6 โอห์ม

ระยะห่างระหว่างบรรทัดถูกกำหนดดังนี้:

1).ระยะห่างระหว่างเส้นสัญญาณ (5 mils) บนชั้นผิวหน้าคือ 5.0 mils.

2).ระยะห่างระหว่างสายสัญญาณ CPCI (4.5 mils) บนชั้นผิวหน้าคือ 9.0 mils.

3).ระยะห่างระหว่างเส้นสัญญาณ (4.5 mils) บนชั้นในคือ 7.0 mils.

4).ระยะห่างระหว่างเส้นบนชั้นผิวและชั้นด้านในคือ 4.0 มิลส์

5).ระยะห่างระหว่างสายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลบนชั้นใน และระหว่างสายเหล่านี้กับสายสัญญาณอื่น ควรมีอย่างน้อย 25 mil

6).ระยะห่างระหว่างสายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลบนชั้นผิว และระหว่างสายเหล่านี้กับสายสัญญาณอื่น ควรรักษาให้มีอย่างน้อย 20 mils

หลังจากการพิมพ์แผงวงจรพิมพ์ค่าความต้านทานของแผงทดสอบถูกทดสอบด้วยเครื่องทดสอบค่าความต้านทาน POLAR-Cits500 โดยมีผลการทดสอบแสดงไว้ในตารางต่อไปนี้ ข้อมูลแสดงให้เห็นว่าค่าความต้านทานจะต้องถูกควบคุมให้อยู่ในช่วง 50 โอห์มۯ%, 60 โอห์มۯ% และ 100 โอห์มۯ% ในกระบวนการออกแบบและผลิตแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง (High-speed PCB)

LVDS และการควบคุมอิมพีแดนซ์บนแผงวงจรพิมพ์ (PCB)

• แอลวีดีเอส

LVDS เป็นประเภทของระดับการส่งสัญญาณอนุกรมความเร็วสูง ซึ่งมีข้อดีคือความเร็วในการส่งข้อมูลสูง การใช้พลังงานต่ำ ความสามารถในการต้านทานสัญญาณรบกวนที่ดี ระยะทางการส่งที่ไกล และการแมตช์สัญญาณที่ทำได้จริง สนามการประยุกต์ใช้ของ LVDS รวมถึงคอมพิวเตอร์ การสื่อสาร และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค

• การออกแบบอิมพีแดนซ์ของ LVDS

LVDS มีลักษณะเด่นคือมีสวิงแรงดันเพียง 350mV โดยสามารถส่งสัญญาณได้ไกลกว่า 10 เมตร เพื่อให้มั่นใจว่าสัญญาณจะไม่ถูกรบกวนจากสัญญาณสะท้อนในระหว่างกระบวนการส่งสัญญาณบนสายส่ง จำเป็นต้องควบคุมอิมพีแดนซ์ของสายส่ง โดยให้อิมพีแดนซ์ของสายเดี่ยวเท่ากับ 50 โอห์ม และอิมพีแดนซ์แบบดิฟเฟอเรนเชียลเท่ากับ 100 โอห์ม ในการใช้งานจริง สามารถควบคุมอิมพีแดนซ์ได้โดยการกำหนดความหนาของโครงสร้างเลเยอร์และพารามิเตอร์ของไดอิเล็กทริกให้เหมาะสม ปรับความกว้างของลายวงจรและระยะห่างระหว่างลาย รวมทั้งคำนวณอิมพีแดนซ์ของลายเดี่ยวและลายดิฟเฟอเรนเชียลด้วยความช่วยเหลือของเครื่องมือวิเคราะห์การจำลองความเร็วสูงบางชนิด

อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่แล้วมักค่อนข้างยากที่จะตอบสนองข้อกำหนดของอิมพีแดนซ์แบบเส้นเดี่ยวและอิมพีแดนซ์แบบดิฟเฟอเรนเชียล ด้านหนึ่ง ช่วงการปรับของความกว้างลายทองแดง W และระยะห่างระหว่างลายทองแดง S ถูกจำกัดด้วยพื้นที่ออกแบบทางกายภาพ ตัวอย่างเช่น การเดินลายและความกว้างลายทองแดงในคอนเน็กเตอร์ขอบที่ใช้ BGA หรือ DIP จะได้รับอิทธิพลจากขนาดและระยะห่างของแพด อีกด้านหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงของ W และ S จะส่งผลต่อผลลัพธ์ของอิมพีแดนซ์แบบเส้นเดี่ยวและแบบดิฟเฟอเรนเชียล จนถึงปัจจุบัน การคำนวณความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างลายทองแดงและระยะห่างระหว่างลายทองแดงที่กำหนดไว้ล่วงหน้าทำได้ง่ายและสะดวก

• กฎการเดินสาย LVDS

โดยทั่วไปแล้ว การเดินสายสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลจะถูกดำเนินการตามกฎการออกแบบอิมพีแดนซ์ ซึ่งสามารถรับประกันคุณภาพของ LVDS ได้ ในการเดินสายจริง LVDS ควรเป็นไปตามกฎต่อไปนี้:

1).คู่สายดิฟเฟอเรนเชียลควรมีความสั้นให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เส้นทางเดินสายควรตรง และจำนวนรูทะลุควรถูกลดให้เหลือน้อยที่สุด ระยะห่างระหว่างเส้นสัญญาณในคู่สายดิฟเฟอเรนเชียลควรเท่ากัน กฎทั้งหมดนี้ช่วยหลีกเลี่ยงการเดินสายที่ยาวและการเลี้ยวเปลี่ยนทิศจำนวนมาก สำหรับการเลี้ยวเปลี่ยนทิศ ควรใช้การเลี้ยวที่มุม 45 องศาแทนมุม 90 องศา

2).ควรรักษาระยะห่างระหว่างคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลให้มากกว่า 10 เท่าเพื่อช่วยลดการครอสทอล์กระหว่างไลน์ เมื่อจำเป็น สามารถวางรูกราวด์ผ่านระหว่างคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลเพื่อการแยกสัญญาณ

3).ไม่สามารถแยก LVDS ข้ามพื้นผิวได้ แม้ว่าสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลสองเส้นจะเป็นเส้นทางกลับร่วมกันของกันและกัน แต่เส้นทางกลับของสัญญาณไม่สามารถถูกตัดขาดได้จากการแยกพื้นผิว อย่างไรก็ตาม สายส่งอาจทำให้เกิดความไม่ต่อเนื่องของอิมพีแดนซ์เนื่องมาจากการขาดระนาบอ้างอิง

4).หลีกเลี่ยงสัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลระหว่างเลเยอร์ ระหว่างการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ความแม่นยำของการจัดเรียงซ้อนระหว่างเลเยอร์จะต่ำกว่าความแม่นยำของการกัดลายภายในเลเยอร์เดียวกันมาก บวกกับการสูญเสียของตัวกลางระหว่างการซ้อนเลเยอร์ ซึ่งทั้งหมดนี้ทำให้ค่าความต้านทานดิฟเฟอเรนเชียลของคู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลเปลี่ยนแปลงไป

5).ในการออกแบบอิมพีแดนซ์ ควรใช้วิธีการคัปปลิงร่วมด้วย

6).ควรกำหนดโครงสร้างการซ้อนชั้นของ PCB ให้เหมาะสมเพื่อให้มั่นใจถึงการแยกกันระหว่างสัญญาณระดับแรงดันไฟฟ้าและ LVDS เมื่อเป็นไปได้ ควรกำหนดให้สัญญาณต่าง ๆ เช่น TTL/CMOS ความเร็วสูง อยู่บนเลเยอร์ที่แตกต่างกัน โดยแยกออกจากการเดินสาย LVDS ด้วยเลเยอร์กราวด์และเลเยอร์จ่ายไฟ

7).คู่สัญญาณดิฟเฟอเรนเชียลควรมีความสอดคล้องกับความยาวของการเดินสาย

การควบคุมอิมพีแดนซ์ถูกนำมาใช้ได้อย่างมีประสิทธิภาพมากในการออกแบบวงจรดิจิทัลความเร็วสูง เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการทำงานที่ดีของแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูง (PCB) โดยผ่านการควบคุมความกว้างของลายวงจร การจัดเรียงซ้อนของเลเยอร์ และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกอย่างรอบคอบ ผู้ออกแบบสามารถทำให้อิมพีแดนซ์อยู่ในระดับที่ถูกต้องตามที่ต้องการ เพื่อให้ลดการสะท้อนของสัญญาณให้เหลือน้อยที่สุดและคงไว้ซึ่งความสมบูรณ์ของสัญญาณ การวางลายและการวางแผนที่ถูกต้อง โดยเฉพาะสำหรับสัญญาณ LVDS ยังช่วยให้การส่งผ่านสัญญาณเป็นไปอย่างสมบูรณ์ มีความเชื่อถือได้ และปราศจากสัญญาณรบกวน

PCBCart เชี่ยวชาญด้านการออกแบบและการผลิตแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูง (High-speed PCB) ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับงานที่มีความต้องการสูง เทคโนโลยีล้ำสมัยและความเชี่ยวชาญขั้นสูงของเราช่วยให้มั่นใจได้ถึงการควบคุมอิมพีแดนซ์ที่แม่นยำ แผ่นวงจรพิมพ์คุณภาพสูง และการส่งสัญญาณที่มีประสิทธิภาพ ด้วยกระบวนการผลิตที่ล้ำสมัยและความมุ่งมั่นสู่ความเป็นเลิศ PCBCart จึงเป็นพันธมิตรอันดับหนึ่งของคุณสำหรับโครงการแผ่นวงจรพิมพ์ที่ซับซ้อน ขอใบเสนอราคาจาก PCBCart วันนี้ และสัมผัสบริการที่เหนือระดับในโซลูชันแผ่นวงจรพิมพ์ความเร็วสูง ซึ่งออกแบบมาเพื่อขับเคลื่อนนวัตกรรมและความสำเร็จของคุณ

เริ่มต้นการขอใบเสนอราคาสำหรับแผงวงจรความเร็วสูง

แหล่งข้อมูลที่เป็นประโยชน์
•ปัจจัยที่มีผลต่ออิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และแนวทางแก้ไข
•ข้อควรพิจารณาในการออกแบบอิมพีแดนซ์สำหรับแผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น-แข็ง
•วิธีการวิเคราะห์และลดอิมพีแดนซ์ของพาวเวอร์บนแผงวงจรพิมพ์ความเร็วสูง
•การควบคุมอิมพีแดนซ์ของเวียและอิทธิพลต่อความสมบูรณ์ของสัญญาณในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
•บริการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) แบบครบทุกฟังก์ชันจาก PCBCart - ตัวเลือกเสริมที่เพิ่มมูลค่าหลากหลาย
•บริการประกอบแผงวงจรพิมพ์ขั้นสูงจาก PCBCart - เริ่มต้นเพียง 1 ชิ้น