ضبط فياس لوحات الدوائر المطبوعة

دعنا نتحدث عن تصميم vias - للإلكترونيات الخطيرة ، جودتها مهمة للغاية. في بداية المقال ، سلطت الضوء على العوامل التي تؤثر على سلامة الإشارة ، ثم عرضت أمثلة لحساب وضبط مقاومة الاختلاف الفردي والتفاضلي.



مرحبا بالجميع ، اسمي فياتشيسلاف. أقوم بتطوير لوحات الدوائر المطبوعة لمدة 5 سنوات ، وخلال هذا الوقت ، لم أقرأ الكثير من القواعد والتوصيات الخاصة بالتتبع فحسب ، بل وجدت المصدر أيضًا وعملت معهم.

في أنظمة الحوسبة المعقدة التي تقوم YADRO بتطويرها ، تغطي الإشارات عالية السرعة في الطريق من جهاز الإرسال إلى جهاز الاستقبال مسافات كبيرة ، مروراً بالعديد من الألواح وتقوم بالعشرات من عمليات الانتقال بين الطبقات. في ظل هذه الظروف ، ستقدم كل أسوار مصممة بلا مبالاة مساهمة صغيرة في تدهور الإشارة ، ونتيجة لذلك ، قد لا تعمل الواجهة.

سلامة الإشارة

Vias (يشار إليها فيما يلي p / o ، الإنجليزية عبر) هي عدم تجانس في خط النقل. مثل عدم تجانس الآخرين ، فإنها تفسد الإشارة. هذا التأثير واضح في الترددات المنخفضة ، لكنه يزيد بشكل ملحوظ مع زيادة التردد. غالبًا ما يولي المطورون اهتمامًا ضئيلًا بشكل غير مرغوب به إلى بنية vias: يمكن نسخهم من مشروع "مجاور" ، مأخوذ من ورقة بيانات ، أو غير محدد على الإطلاق في CAD (الإعداد الافتراضي).

قبل استخدام الهيكل المحسوب ، من الضروري أن نفهم لماذا تم صنعه بهذه الطريقة؟ التكرار الأعمى يمكن أن يضر فقط.

تتأثر سلامة الإشارة في القناة عند المرور عبر vias بالأساس بالعوامل التالية:

• انعكاس إشارة بسبب التغيرات في مقاومة الموجة.
• تدهور الإشارة بسبب السعة الشاردة والحث.
• الانعكاسات من الامتداد غير المستخدم من البلاستيك شبه أثناء الانتقال إلى الطبقة الداخلية (يشار إليها فيما يلي باسم كعب الروتين من اللغة الإنجليزية عبر كعب الروتين) ؛
• الحديث المتبادل (محادثات الصليب الإنجليزية) ؛
• تدخل في الحافلات السلطة.

دعونا نفكر بمزيد من التفصيل في أسباب هذه الآثار وطرق القضاء عليها.

عامل 1. موجة مقاومة ع / س

في لوحة مصممة بشكل مثالي ، لا تتغير المعاوقة خلال مسار المسار ، بما في ذلك عند التبديل إلى طبقة أخرى. في الواقع ، يبدو عادةً ما يشبه هذا:


الشكل 1. التغير في مقاومة الموجة عند الانتقال إلى طبقة أخرى.

كلما كانت مقاومة الموجة أفضل ، كلما كان انعكاس الإشارة أقل. كيف تؤثر على هذا؟

النظر في هيكل ع / س على متن الطائرة [1].


الشكل 2. هيكل ع / س على متن الطائرة.


عن طريق تغيير عناصر p / o ، نقوم بتغيير مقاومة الموجة للانتقال. هدفنا هو مطابقة مقاومة الهيكل الانتقالي مع مقاومة الموصلات لتقليل الانعكاسات. دعونا نفكر في كيفية تغير المعاوقة عند تغير عناصر بنية السعر / العائد.

العامل 2. الحث الزائف والسعة

يمكن تصنيع الموصلات الموجودة على لوحة الدوائر المطبوعة بمقاومة موجية تقع في نطاق عريض ، لكن غالبًا ما تكون 50 أوم. من ناحية ، يرجع ذلك إلى الاستمرارية التاريخية: تمت معايرة مقاومة 50 أوم للكابلات المحورية كحل وسط بين مستوى تحميل السائق وفقدان طاقة الإشارة. من ناحية أخرى ، من السهل تصنيع موصل 50 أوم في لوحة قياسية.

بالنسبة للمطور ، ليس من المهم القيمة المحددة لمقاومة الموجة بقدر ثباتها في خط النقل بأكمله.

من أجل إنشاء خط نقل ذي قيمة ثابتة لمقاومة الموجة ، يختار المطور عرض المسار والمسافة إلى الطبقة المرجعية ، أي يغير السعة الخطية ومحاثة خط النقل إلى قيمة معينة .

في ع / س ، المكون الاستقرائي كبير جدا. في التقريب الأول ، يجب علينا ، في إطار معقول ، تقليل الحث الشارد إلى أقصى حد ممكن ، ثم تغيير معلمات p / o لتحقيق سعة معينة ، وبالتالي مقاومة.

سيؤدي الانخفاض المفرط في سعة نصف الموجة إلى زيادة محلية في المعاوقة ، ونتيجة لذلك ، انعكاسات الإشارة.

العامل 3. ​​عبر كعب

ماذا يحدث عندما تمر إشارة عبر كعب عبر ثقب؟


الشكل 3. ثقب التحول مع كعب ، صدى في الطول الموجي.

في مثالنا ، تنتشر الإشارة من أعلى إلى أسفل من الطبقة العليا. بعد الوصول إلى طبقة الإشارة الداخلية ، يتم فصل الإشارة: يتحرك جزء على طول المسار على الطبقة الداخلية ، ويستمر جزء في تحريك الأسطوانة ، ثم ينعكس من الطبقة السفلية. بعد أن تصل الإشارة المنعكسة إلى الطبقة الداخلية ، يتم فصلها مرة أخرى ، جزء يتحرك على طول المسار ، ويعود جزء إلى المصدر.

سيتم تلخيص الإشارة المنعكسة مع الأصل وتشويهها ، والتي سيتم التعبير عنها في تضييق النافذة على مخطط العين ، وزيادة مستوى فقدان الإدراج (فقدان الإدراج في المهندس).

في أسوأ الحالات ، سيكون مقطع TD مساوياً ¼ لطول الموجة للإشارة ، ثم تصل الإشارة المنعكسة إلى المسار على الطبقة الداخلية مع تأخير قدره نصف الفترة ، متداخلة مع الإشارة الأصلية في الطور المضاد.

عند تحليل السلامة ، يوصى بالنظر في عرض النطاق الترددي بعرض 5 ترددات Nyquist. ويعتبر تقريب جيد كعب مقبول ، وإعطاء صدى في 7 التوافقيات وفوق [2].


الشكل 4. الرسم البياني لمستوى فقدان الإدراج ل / س مع بذرة 0 ، 0.65 ، 1.2 مم.

ويبين الشكل 4 صدى ضخم على ترددات حول 24 غيغاهرتز. يمكننا أن نستنتج أنه إذا كانت إشارة لدينا تعمل على تردد من 2،3 غيغاهرتز ، لا يمكننا تحمل عدم القضاء على كعب ، لأنه في غضون 7 التوافقيات "كل شيء هادئ".

يمكنك إجراء تقييم سريع لأهمية كعب الروتين في الآلة الحاسبة القطبية :


الشكل 5. صورة من polarinstruments.com . يعد طول كعب الروتين 2.5 مم مقبولًا للإشارات التي تزيد أوقات ارتفاعها عن 500 ps.

الصيغ الواردة في [2] تعطي نتيجة أكثر دقة قليلاً. تأخذ في الاعتبار هندسة p / o وتسمح بحساب تصحيح ثابت العزل للعزل الكهربائي على طول المحور Z.

يمكنك التخلص من كعب الروتين باستخدام "backdrilling" (الإنجليزية Backdrilling) ، أو باستخدام التحولات الدقيقة (الإنجليزية أعمى ودفن دفن). يعتمد الاختيار على ميزات المشروع. الحفر العكسي أسهل وأرخص. بعد تصنيع اللوح ، مع حفر قطر أكبر ، يتم حفر كعب الروتين على عمق محدد مسبقًا. يُطلب من المطور تعيين مسافة بادئة إضافية للطبولوجيا في منطقة الحفر ، كما أنه متاح أيضًا للشركة المصنعة لتحديد متطلبات الحفر في وثائق التصميم. أنظمة CAD الحديثة تدعم هذه الوظيفة.

تقاطع المجهرية بشكل أساسي للوحات ذات الكثافة العالية (HDI الإنجليزية) ، ولكن في بعض الحالات يمكن استخدامها من خلال تسوية التكلفة العالية لرفض الحفر وتقليل عدد الطبقات على اللوحة. عند تطوير لوحات HDI ، هناك بعض الأشياء التي يجب وضعها في الاعتبار:

• كل نوع جديد من كشوف المرتبات يزيد من تكلفة اللوحة.
• بالنسبة للحفر بالليزر ، يتم استخدام مواد مسبقة محسّنة خاصة قد تختلف خصائصها ؛
• يؤدي معدنة الثقوب العمياء إلى زيادة سماكة النحاس على الطبقات الداخلية.

يوصى بشدة بالاتفاق على هيكل اللوحة مع الشركة المصنعة مسبقًا.

عامل 4. الحديث المتبادل

الحديث المتبادل - انتقال إشارة غير المرغوب فيها من سطر إلى آخر. يحدث هذا النقل لأن اثنين من الموصلات متباعدة بشكل وثيق لديها اقتران بالسعة والاستقرائي.

طبيعة الحديث المتبادل لموصلات الإشارة و p / o مختلفة قليلاً.
لا تحتوي الإشارة على طبقة مرجعية في n / a ، حيث تتدفق التيارات الخلفية على طول n / a المجاورة ، وتشكل حلقة كبيرة. الحديث المتبادل للإشارات في n / a بسبب المكون الاستقرائي.

يمكن تحقيق أكبر تأثير على تقليل الحديث المتبادل من خلال زيادة المسافة بين ع / س. ومع ذلك ، في كثير من الأحيان لا يكون لدى الطوبولوجي مساحة كبيرة.

لا يؤدي تقارب p / o في الزوج التفاضلي إلى تقليل المساحة المشغولة فحسب ، بل له أيضًا تأثير إيجابي على مناعة الضوضاء [3].

هناك طريقة شائعة لتقليل الحديث المتبادل بين الإشارة المجاورة p / o وهي وضع p / o واقي بينهما. مع هذه الطريقة ، سيكون من الضروري إجراء إشارات بزيادات تبلغ حوالي 2 مم (الشكل 6). إذا لم تكن هناك مساحة كافية ، فيمكنك استخدام خطوة أصغر مع إزاحة (نمط متدرج باللغة الإنجليزية) ، كما في الشكل 7. باستخدام المحاكاة ، يمكنك تحديد زاوية التحول المثالية [4].


الشكل 6. التقليل من الحديث المتبادل باستخدام التدريع نصف الأسلاك.


الشكل 7. التقليل من الحديث المتبادل باستخدام تحول "الشطرنج" قطري.

يمكن أيضًا تقليل Crosstalk بطرق غريبة ، على سبيل المثال ، بكعب طويل (بسبب إزاحة التوازن الاستقرائي بالسعة p / o) [5]. أيضًا ، يمكن تقليل التداخل في مرحلة تصميم غلاف الرقاقة [6].

عامل 5. قوة حافلة التدخل

بالإضافة إلى دارات الإشارة المجاورة ، قد تتأثر جودة الإشارة بالتداخل من الطبقات الداخلية.

التيارات الكبيرة يمكن أن تتدفق عبر مواقع اختبار الأغذية. بسبب الزيادة في الحث على حواف المضلعات ، تشكل التيارات المتدفقة حقول حافة (حقول Fringing الإنجليزية) على طول جميع حدود المضلع ، بما في ذلك القواطع. تعد حقول الحافة مصدرًا للإشعاع الكهرومغناطيسي (الانبعاثات الناتجة عن إطلاق الحافة) في الفضاء. للحد من انبعاث الإشعاع الكهرومغناطيسي ، يتم تطبيق قاعدة 20H (الشكل 8) ، والذي يتكون في تضييق مساحة امدادات الطاقة بالنسبة إلى مساحة الأرض.


الشكل 8. حقول الحافة وقاعدة 20H.

لحماية p / o من التداخل ، إذا كان ذلك ممكنًا ، من الضروري زيادة المضاد الحيوي في نطاقات الطعام. يصعب توفير قاعدة 20H لـ p / o ، ولا داعي لذلك ، يوصى عادةً بمقاومة مانعة للقطر يبلغ قطرها حوالي 2 مم (الشكل 9).


الشكل 9. تعزيز مكافحة الإفلات على طبقات الطعام

أحادية الممانعة حساب

استنادًا إلى المعرفة حول تأثير عناصر p / o على المعاوقة ، يمكننا تصميم نموذج p / o المثالي. بداية رائعة لحساب الممانعة في الحاسبة.

مهندسي تصميم PCB مثل الآلات الحاسبة مثل Saturn PCB Design Toolkit و Polar Instruments Si9000e . كلاهما يسمح لك بحساب بسرعة مقاومة p / س واحد.

النتيجة التي تم الحصول عليها في هذه الآلات الحاسبة مختلفة جدا عن بعضها البعض. هذا يرجع إلى حقيقة أن هذه الأدوات لديها نهج مختلف.

يحسب Polar الممانعة في طائرة ثنائية الأبعاد ، حيث يعبر خط إمداد الطاقة عن نطاق القدرة. لا يتم إعطاء صيغ الحساب. تم إثبات أنه تم إجراء الحساب وفقًا لصيغة المعاوقة للكبل المحوري:

$$

$$z_0 = \ frac {138 \ frac {AP} {VP}} {\ sqrt {Er1}}$$

الشكل 10. صورة من polarinstruments.com

يوضح الرسم التوضيحي قيمة منخفضة إلى حد ثابت للثنائي Er1 ، مقارنةً بالمعيار. ويرجع ذلك إلى عدم تجانس الهيكل العازل: يتكون من الراتنج (Er 3.2) وخيوط الألياف الزجاجية (Er 6.1) ، وبالتالي لديه ثابت عازل متوسط ​​حوالي 4.1. هذه القيمة يمكن أن تختلف محليا تماما. لذلك ، يسود الراتنج بالقرب من السطح السفلي ، وبالتالي ، يتم إعادة حساب ثابت العزل الكهربائي لأسفل [7].

زحل PCB يحسب مقاومة من الصيغة:

$$

$$z_0 = \ sqrt {\ frac {ViaInductance} {ViaCapacitance * 0.001}}$$

عندما يتغير طول ع / س ، تتغير قيم الحث والسعة بشكل غير متناسب ، تتغير المعاوقة. مقاومة نفس الطول ع / 1.6 مم بالضبط ، بحساب زحل ثنائي الفينيل متعدد الكلور 128 أوم! (الشكل 11)


الشكل 11. حساب البرنامج في مجموعة أدوات تصميم زحل PCB.

السؤال الذي يطرح نفسه على الفور: من يصدق؟

نحاكي في محلل ثلاثي الأبعاد للحقول الكهرومغناطيسية (Solver ثلاثي الأبعاد باللغة الإنجليزية) كيف سيبدو على لوح حقيقي بسمك 8 طبقات يبلغ 1.6 مم (الشكل 12)


الشكل 12. هيكل الانتقال بين الطبقات ذات الفتحة لتيار العودة.

في حالتنا ، مقاومة حوالي 70 أوم. عن طريق تقريب العائد ع / س ، يمكنك تحقيق انخفاض قدره 5 أوم أخرى. بعد "لعب" بحجم المضاد ، يمكنك ضبط المعاوقة بدقة على القيمة المستهدفة (الشكل 13).


الشكل 13. مقاومة المعاوقة مع نصف موجة على الرسم البياني الوقت.

في مجال التردد ، يتم التعبير عن "أفضل" المعلمات في قيمة أقل من معامل الانعكاس من المدخلات (الشكل 14).


الشكل 14. معلمات p / o واحدة في مجال التردد.

كان الحساب القطبي أقرب إلى النتيجة. ربما ، من أجل الحصول على نتيجة كافية في زحل ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، يلزم إجراء تصحيحات. إذا كان لدى شخص ما تجربة إيجابية في حساب الممانعة في زحل ، شارك في التعليقات!

التفاضلية حساب المعاوقة حساب

حساب التفاضلية ع / س يشبه المفرد ، إلا أنه الآن ليس لدينا آلة حاسبة: الأدوات المذكورة أعلاه لا تفكر في ع / ف. أيضًا ، الآن يمكننا تغيير خطوة p / o في الفرق. زوج.

خذ نفس الهيكل: لوح 8 طبقات بسماكة 1.6 مم. النظر في 9 تكوينات للبرنامج (الشكل 15).

أول 3 ع / ث لديها فجوات تبلغ 0.125 ملم وتختلف فقط في موقع الثقوب لتيار العودة. جميع ع / س مع 4 فصاعدا لديها الملعب من 1 ملم. P / o من 6 فصاعدا لديها زيادة المضادة للإسقاط (0.250 مم) وتتميز المسافة البادئة للثقوب لتيار العودة.


الشكل 15. vias.

النظر في الرسم البياني مقاومة (الشكل 16).


الشكل 16. المعاوقة ع / س في مجال الوقت.

على الرسم البياني ، يكون "الحدبة" مرئيًا بشكل واضح ، والذي يتوافق مع القسم الرأسي من الصدفة النصفية - "الزجاج" (بالإنجليزية عبر برميل).

بعد فحص الاعتماد على التردد لمعامل الانعكاس VIA1-3 (الشكل 17) ، نرى أنه على الرغم من الأداء الجيد عند التردد المستهدف وهو 6 GHz ، هناك صدى في الترددات المنخفضة. من الأفضل التحسين من خلال 7 إلى 9 ، وإذا لم ينجح الأمر ، فعندئذٍ من خلال 4-5 لتقليل "الحدبة" بسبب تحول الرسوم البيانية إلى اليمين.


الشكل 17. معامل الانعكاس من المدخلات ع / س.

قلل من السقوط المضاد لـ VIA9 لتحصل على فجوات تبلغ 0.125 ملم. بالنسبة لـ VIA4 ، نقوم بتخفيض درجة p / o إلى 0.75 مم وننظر في النتيجة التي تم الحصول عليها (الشكل 18).


الشكل 18. مقارنة مقاومة مقاومة ع / س.

في مجال التردد ، يكون هناك تحول في الرسم البياني لمعامل الانعكاس من الإدخال إلى اليمين (الشكل 19).


الشكل 19. مقارنة معامل الانعكاس للبرنامج المعدل.

التوصيات النهائية

التباين في لوحات الدوائر المطبوعة هو بنية معقدة وغير متجانسة. من أجل الحساب الصحيح للمعلمات ، يلزم توفير حلول ثلاثية الأبعاد باهظة الثمن وكفاءات وتكاليف زمنية كبيرة.

إذا لم يكن من الممكن تجنب استخدام انتقالات الإشارات الحرجة إلى طبقات أخرى ، فمن الضروري أولاً وقبل كل شيء تقييم درجة تأثير عدم التجانس الناتج على سلامة الإشارات. إذا كان عدم التجانس قصيرًا كهربائيًا (وقت التأخير أقل من 1/6 من الأمام) ، فإن صدى كعب الرنين عند ترددات خارج نطاق المرور - لا يوجد أي نقطة في إضاعة الوقت والمال في التحسين.

في التقريب الأول ، من المريح استخدام الهياكل الجاهزة من أوراق البيانات أو اللوحات السابقة ، ولكن تذكر ميزات المشروع الحالي.

تتيح لك الآلات الحاسبة تقييم معلمات البرنامج بسرعة ، لكنها تستخدم نماذج مبسطة للغاية تؤثر سلبًا على النتيجة.