کنترل انسداد و یکپارچگی سیگنال در PCB: یک راهنمای جامع

تصاویری که توسط مشتری به وجود آمده است

در دنیای الکترونیک با سرعت بالا، جایی که سیگنال ها با کسری از سرعت نور حرکت می کنند، حتی ناسازگاری های کوچک می توانند عملکرد را خراب کنند.و سیستم های ارتباطی فرکانس بالا، کنترل موانع فقط یک جزئیات فنی نیست بلکه اساس یکپارچگی قابل اعتماد سیگنال است. یک عدم تطابق موانع 5٪ می تواند باعث انعکاس سیگنال شود که سرعت داده را کاهش می دهد، خطاها را وارد می کند،یا حتی کل سیستم ها رو خراب میکنه.

این راهنما کنترل مانع و نقش حیاتی آن در حفظ یکپارچگی سیگنال را آشکار می کند. از درک فیزیک خطوط انتقال تا اجرای استراتژی های طراحی عملی،ما بررسی خواهیم کرد که چگونه کنترل مقاومت را برای PCB ها که عملکرد بی نقصی در سخت ترین برنامه های کاربردی امروز دارند، کنترل کنیم..

نکات کلیدی
1کنترل انسداد تضمین می کند که خطوط انتقال سیگنال مقاومت ثابت (به عنوان مثال 50Ω برای تک پایان، 100Ω برای جفت های تفاضلی) را حفظ کنند و بازتاب و از دست دادن سیگنال را به حداقل برسانند.
2برای سیگنال های بالاتر از 1 گیگابایت در ثانیه، حتی یک عدم تطابق مقاومت 10٪ می تواند سرعت انتقال داده را 30٪ کاهش دهد و نرخ خطا را 10 برابر افزایش دهد.
3پارامترهای PCB عرض ردیاب، ضخامت دی الکتریک و وزن مس به طور مستقیم بر مقاومت تاثیر می گذارد، با تحمل های نزدیک به ± 5٪ برای برنامه های 25Gbps + مورد نیاز است.
4ابزار پیشرفته ای مانند حل کننده های میدان و TDR (TDR) ، اعتبار سنجی دقیق مقاومت را امکان پذیر می کند، در حالی که قوانین طراحی (به عنوان مثال، اجتناب از زاویه های 90 °) از تخریب سیگنال جلوگیری می کند.

مقاومت در طراحی PCB چیست؟
مقاومت (Z) مقاومت کل یک خط انتقال را به یک سیگنال جریان متناوب (AC) ، ترکیبی از مقاومت، حثیت و ظرفیت اندازه گیری می کند. در PCB ها،که توسط رابطه بین:
a.مقاومت (R): از دست دادن از هادی (مس) و مواد دی الکتریک.
b.اندوکتانس (L): مقاومت در برابر تغییرات جریان، ناشی از هندسه ردیابی.
c.Capacitance (C): انرژی ذخیره شده در میدان الکتریکی بین خط مسیر و زمین.
برای سیگنال های با سرعت بالا، مقاومت به فرکانس وابسته است، اما طراحان PCB بر روی مقاومت مشخص (Z0) تمرکز می کنند.به طور معمول 50Ω برای ردیف های تک سرانه و 100Ω برای جفت های دیفرانسیل (در USB استفاده می شود)، اترنت و PCIe).

چرا کنترل موانع مهم است؟
هنگامی که سیگنال از یک منبع (به عنوان مثال یک میکرو پروسسور) به یک بار (به عنوان مثال یک تراشه حافظه) سفر می کند، هر گونه عدم تطابق مقاومت بین منبع، خط انتقال و بار باعث انعکاس سیگنال می شود.تصور کنيد که يه موج به ديوار برخورد ميکنهکه با سيگنال اصلي تداخل ميکنه
فکر کردن به:
a. تحریف سیگنال: همپوشانی سیگنال های اصلی و منعکس شده باعث ایجاد " زنگ زدن " یا " بیش از حد " می شود ، که برای گیرنده تشخیص 1s و 0s دشوار است.
ب.خطای زمان بندی: انعکاس ها ورود سیگنال را به تاخیر می اندازند و زمان تنظیم / نگه داری را در سیستم های دیجیتال با سرعت بالا نقض می کنند.
c.EMI (مداخلات الکترومغناطیسی): انرژی منعکس شده به عنوان سر و صدا تابش می کند و سایر قطعات را مختل می کند.
در سیستم های 10 گیگابایت در ثانیه، عدم تطابق 20٪ مانع می تواند یکپارچگی سیگنال را تا نقطه از دست دادن کامل داده کاهش دهد. برای ایستگاه های پایه 5G که در 28 گیگاهرتز کار می کنند،حتی یک عدم تطابق 5٪ باعث 3dB از دست دادن سیگنال می شود که معادل نصف دامنه موثر است..

خطوط انتقال: ستون فقرات کنترل مقاومت
در طرح های با سرعت پایین (<100Mbps) ، ردیاب ها به عنوان هادی ساده عمل می کنند. اما بالاتر از 1Gbps، ردیاب ها به خطوط انتقال تبدیل می شوند که باید برای کنترل مقاومت طراحی شوند.

انواع خطوط انتقال در PCB ها

a.Microstrip: آسان برای مسیر و مقرون به صرفه، اما بیشتر مستعد EMI به دلیل ردپای آشکار است.
خط خط: محافظ EMI بهتر (به وسیله هواپیماهای زمینی احاطه شده است) اما مسیر سخت تر و گران تر است.
c.Coplanar Waveguide: برای سیگنال های 28GHz + ایده آل است، زیرا سطوح زمینی در همان لایه تشعشعات را به حداقل می رسانند.

فاکتورهای تاثیرگذار بر مقاومت در PCB
مقاومت توسط پارامترهای فیزیکی PCB تعیین می شود که باید در طول طراحی و تولید به شدت کنترل شود:
1. عرض و ضخامت ردیاب
a. عرض: رد های گسترده تر مانع را کاهش می دهد (توانایی بیشتری بین رد و زمین). یک ریز 50Ω بر روی 0.2mm FR4 (ثابت دی الکتریک = 4.2) نیاز به عرض رد ~ 0.3mm برای مس 1 اونس دارد.
b. ضخامت: مس ضخیم تر (2 اونس در مقابل 1 اونس) مقاومت را کاهش می دهد و مقاومت را کمی کاهش می دهد.اثر پوست (برقی که در نزدیکی سطح جریان دارد) باعث می شود ضخامت ردیابی کمتر از 1GHz باشد.

قانون انگشت شست: افزایش ۱۰ درصد پهنای ردیابی مانع را تا ۵ درصد کاهش می دهد.

2مواد دی الکتریک و ضخامت
a. ثابت دی الکتریکی (Dk): مواد با Dk بالاتر (به عنوان مثال ، FR4 دارای Dk = 4.2) ظرفیت را افزایش می دهد ، مانع را کاهش می دهد. مواد کم ضرر مانند Rogers RO4350 (Dk = 3.48) برای 5G برای به حداقل رساندن از دست دادن سیگنال استفاده می شود..
b. ضخامت (H): فاصله بین ردیف و سطح زمین. افزایش H ظرفیت را کاهش می دهد و مانع را افزایش می دهد. یک ریز 50Ω بر روی FR4 نیاز به H = 0.15mm برای عرض 0.3mm دارد.

3. نزديک بودن سطح زمين
یک مسطح زمینی محکم که مستقیماً زیر مسیر قرار دارد برای مقاومت ثابت ضروری است:
بدون یک سطح زمین، ظرفیت تغییر می کند و باعث نوسانات مقاومت می شود.
سوراخ ها یا شکاف ها در سطح زمین مانند آنتن ها عمل می کنند، سیگنال ها را تاب می دهند و کنترل مقاومت را کاهش می دهند.

بهترین شیوه: یک سطح زمین مستمر را در زیر مسیرهای با سرعت بالا حفظ کنید، بدون شکاف در عرض 3 برابر عرض مسیر.

4فاصله ردیابی (جفت های دیفرانسیل)
جفت های دیفرانسیل (دو ردیابی که سیگنال های مخالف را حمل می کنند) برای حفظ مقاومت به اتصال (تفاعل الکترومغناطیسی) متکی هستند. فاصله بین جفت (S) بر مقاومت تأثیر می گذارد:
فاصله نزدیک تر باعث افزایش اتصال می شود و مانع فرقی (Zdiff) را کاهش می دهد.
یک جفت دیفرانسیل 100Ω بر روی FR4 به طور معمول نیاز به عرض ردی = 0.2mm، فاصله = 0.2mm و H = 0.15mm دارد.

مهم: فاصله نامناسب (به عنوان مثال ، به دلیل مسیریابی ضعیف) باعث عدم تطابق مقاومت بین دو رد می شود ، رد سر و صدا حالت مشترک را کاهش می دهد.

طراحی برای کنترل مقاومت: مرحله به مرحله
دستیابی به مقاومت دقیق نیاز به یک رویکرد ساختاری دارد، از شبیه سازی تا تولید:
1. تعريف الزامات انسداد
با شناسایی مقاومت های هدف بر اساس:
a. استاندارد سیگنال: USB 3.2 از جفت های دیفرانسیل 90Ω استفاده می کند؛ PCIe 5.0 از 85Ω استفاده می کند.
b.سرعت داده: سرعت های بالاتر (25Gbps+) نیاز به تحملات تنگ تر (± 5٪ در مقابل ± 10٪ برای 10Gbps) دارند.
c. کاربرد: سیستم های RF اغلب از 50Ω استفاده می کنند؛ ردیابی قدرت ممکن است برای جریان بالا 25Ω نیاز داشته باشد.

2. از حل کننده های میدان برای شبیه سازی استفاده کنید
حل کننده های میدان (به عنوان مثال، Polar Si8000, Ansys HFSS) بر اساس پارامترهای PCB، محاسبه ایمپدانس را محاسبه می کنند، که تجزیه و تحلیل "چه اتفاقی می افتد" را ممکن می کند:
a. عرض ردیابی ورودی، ضخامت دی الکتریک، Dk و وزن مس.
b. پارامترها را برای رسیدن به مقاومت هدف تنظیم کنید (به عنوان مثال، ردیابی را از 0.2mm به 0.3mm گسترش دهید تا مقاومت را از 60Ω به 50Ω کاهش دهید).

مثال: یک مایکرو نوار 50Ω بر روی Rogers RO4350 (Dk=3.48) با مس 1 اونس نیاز به:

c. عرض رد = 0.25mm
d. ضخامت دی الکتریک = 0.127mm
e.طرح زمین به طور مستقیم زیر

3قوانین مسیر برای یکپارچگی مقاومت
حتی با شبیه سازی کامل، مسیریابی ضعیف می تواند کنترل مقاومت را خراب کند:
a.از زاویه های 90 درجه اجتناب کنید: گوشه های تیز ظرفیت را به صورت محلی افزایش می دهند و باعث کاهش مقاومت می شوند. از زاویه های 45 درجه یا گوشه های گرد استفاده کنید (قطر ≥3x عرض ردی).
ب.حفاظت بر عرض ردیابی ثابت: یک تغییر 0.1mm در عرض (از 0.3mm به 0.4mm) تغییر موانع با ~ 10% کافی برای ایجاد بازتاب در سیستم های 25Gbps است.
c.کمترین طول استوب: استوب ها (قطعات ردیابی استفاده نشده) به عنوان آنتن عمل می کنند و سیگنال ها را منعکس می کنند. استوب ها را <10٪ از طول موج سیگنال نگه دارید (به عنوان مثال ، <3mm برای سیگنال های 10Gbps).
d. طول ردیابی مطابقت (جفت های تفاوتی): عدم تطابق طول > 5 میلی متر در جفت های 10Gbps باعث انحراف زمان بندی می شود و ایمنی سر و صدا را کاهش می دهد. برای برابر کردن طول ها از مسیریابی serpentine استفاده کنید.

4انتخاب مواد
دی الکتریک ها را بر اساس فرکانس و الزامات از دست دادن انتخاب کنید:
a.<10Gbps: FR4 مقرون به صرفه است، با Dk = 4.2 و از دست دادن قابل قبول.
b.1025Gbps: FR4 با Tg بالا (Tg ≥170°C) از دست دادن در فرکانس های بالاتر را کاهش می دهد.
c.>25Gbps: Rogers یا PTFE کاهش از دست دادن، حیاتی برای 5G و ارتباطات مرکز داده است.

توجه: Dk با فرکانس FR4 متفاوت است Dk از 4.2 در 1GHz به 3.8 در 10GHz کاهش می یابد، بنابراین در فرکانس عملیاتی شبیه سازی می شود.

چالش های تولید برای کنترل انسداد
حتی بهترین طرح ها هم می توانند شکست بخورند اگر فرایندهای تولیدی تغییرات ایجاد کنند:
1تعصب در عرض و ضخامت ردیف
a.تولید کنندگان PCB معمولاً عرض ردیابی را به ± 0.025mm کنترل می کنند، اما این می تواند منجر به ± 5٪ تغییر مقاومت شود. برای تحمل های تنگ (± 3٪) ، فرآیندهای حکاکی پیشرفته را مشخص کنید.
b. ضخامت مس با ±10٪ متفاوت است، که بر مقاومت تاثیر می گذارد. برای اکثر طرح های با سرعت بالا از مس 1 اونس استفاده کنید، زیرا هزینه و کنترل را متعادل می کند.

2تغییر ضخامت دی الکتریک
a. ضخامت دی الکتریک (H) به طور قابل توجهی بر موانع تاثیر می گذارد. تغییرات ±0.01mm در H باعث تغییر موانع ±3٪ می شود.
ب.با تولید کنندگان کار کنید تا از تحمل ضخامت دی الکتریک ± 0.005mm برای طرح های حیاتی اطمینان حاصل کنید.

3. ماسک سولدر و پایان سطح
a. ماسک جوش دهنده یک لایه دی الکتریک نازک (0.01 × 0.03 میلی متر) را اضافه می کند و مانع را 2 × 5٪ کاهش می دهد.
b.پاکسازی سطح (ENIG، HASL) حداقل تأثیر بر مقاومت دارد اما بر قابلیت اطمینان جوانه های جوش تاثیر می گذارد که به طور غیر مستقیم بر یکپارچگی سیگنال تأثیر می گذارد.

آزمایش و تأیید مقاومت
کنترل موانع بدون تأیید کامل نیست. از این ابزارها برای تأیید عملکرد استفاده کنید:

1بازتاب سنجی دامنه زمان (TDR)
TDR یک پالس سریع را در مسیر ارسال می کند و بازتاب ها را اندازه گیری می کند و یک پروفایل مقاومت ایجاد می کند.
a. عدم تطابق (به عنوان مثال، یک بخش 60Ω در یک ردیاب 50Ω).
b.طول و قطعیت های استوب.
c.تغییرات مقاومت در امتداد مسیر (تسامح باید ±5٪ برای سرعت بالا باشد).

2. تحلیلگرهای شبکه
تحلیلگرهای شبکه بردار (VNAs) پارامترهای S (معادل انتقال/انعکاس) را در فرکانس اندازه گیری می کنند و بررسی می کنند:
a.از دست دادن ورودی (از دست دادن سیگنال از طریق ردیاب).
ب.از دست دادن بازگشت (قدرت منعکس شده، به طور ایده آل <-15dB برای 10Gbps).
c.Crosstalk (خروجی سیگنال بین ردیف های مجاور، <-30dB برای جفت های دیفرانسیل).

3نمودار چشم
یک نمودار چشم هزاران انتقال سیگنال را پوشش می دهد و نشان می دهد که گیرنده چگونه می تواند 1s و 0s را متمایز کند. یک چشم بسته نشان دهنده کنترل ضعیف مقاومت و تخریب سیگنال است.برای سیگنال های 25Gbps، چشم باید با حداقل ۲۰ درصد فاصله باز باشد.

اشتباهات و راه حل های رایج کنترل مانع

کنترل موانع در کاربردهای خاص
صنایع مختلف دارای الزامات معلولیت منحصر به فرد هستند، که توسط سرعت سیگنال و محیط هدایت می شود:
15G و ارتباطات بی سیم
a. فرکانس: 2860GHz (mmWave).
b.انبساط: 50Ω برای مسیرهای RF؛ 100Ω برای باند پایه.
c. چالش ها: از دست دادن زیاد در ام ویو نیاز به مواد کم Dk (Rogers) و کنترل مقاومت دقیق (± 3٪) دارد.
d. راه حل: موج راهنماهای coplanar با هواپیماهای زمین در همان لایه برای به حداقل رساندن تشعشعات.

2. مراکز داده (100Gbps + لینک)
a. سیگنال ها: PCIe 5.0 (32Gbps) ، Ethernet 400G (50Gbps در هر خط).
b.انبساط: 85Ω جفت فرقی (PCIe) ؛ 100Ω (ایترنت).
c. چالش ها: عبور از ردیف های متراکم.
d. راه حل: مسیرهای خط خطی با فاصله ≥3x عرض مسیر و coplanes زمین.

3. ADAS خودرو
a. سیگنال ها: لینک های دوربین (GMSL، 6Gbps) ، رادار (77GHz).
b.انبساط: تفاوت 100Ω (GMSL) ؛ 50Ω (رادار).
c. چالش ها: دمای شدید (-40 °C تا 125 °C) بر Dk و مقاومت تاثیر می گذارد.
d. راه حل: FR4 Tg بالا با Dk پایدار در درجه حرارت و آزمایش TDR در دمای شدید.

4تصویربرداری پزشکی
a. سیگنال ها: سونوگرافی (1020MHz) ، داده های سریع از سنسورها.
b.کمک: 50Ω برای مسیرهای آنالوگ؛ 100Ω برای دیجیتال.
c. چالش ها: EMI از تجهیزات تصویربرداری حساس.
d. راه حل: خطوط محافظ شده و محفظه های زمینی برای جدا کردن سیگنال ها.

سوالات عمومی
سوال: تفاوت بین مقاومت تک پایین و دیفرانسیل چیست؟
A: مقاومت تک سرانه (به عنوان مثال 50Ω) یک اثر را نسبت به زمین اندازه گیری می کند. مقاومت تفاوتی (به عنوان مثال 100Ω) مانع بین دو اثر جفت شده را اندازه گیری می کند، که برای سیگنال های ایمنی ضخیم حیاتی است.

س: میزان تحمل مقاومت چقدر باید باشد؟
A: برای <1Gbps: ±10٪. 1 ٪ 10Gbps: ±5٪. >10Gbps: ±3٪. نظامی / هوافضا اغلب نیاز به ±2٪ برای قابلیت اطمینان شدید دارد.

س: آیا می توانم از FR4 برای سیگنال های 25 گیگابایت در ثانیه استفاده کنم؟
A: FR4 کار می کند اما از دست دادن بیشتری نسبت به راجرز دارد. برای ردپای کوتاه (<10 سانتی متر) ، FR4 قابل قبول است؛ ردپای طولانی تر برای حفظ یکپارچگی سیگنال به مواد کم از دست نیاز دارد.

س: آیا طول مسیر بر مقاومت تاثیر می گذارد؟
ج: عدم عوارض تابع هندسه است، نه طول. با این حال، رد های طولانی تر باعث افزایش زیان (کم شدن) می شود، که مستقل از عوارض، یکپارچگی سیگنال را کاهش می دهد.

س: وایوس ها چگونه بر مقاومت تاثیر می گذارند؟
A: ویاس ها قطعیت را ایجاد می کنند و باعث افزایش مقاومت می شوند. از طریق استفاده به حداقل برسانید؛ در صورت لزوم، از ′′ back-drilling ′′ برای حذف استفاده نشده از طریق stubs و حفظ مقاومت استفاده کنید.

نتیجه گیری
کنترل موانع سنگ بنای یکپارچگی سیگنال در پی سی بی های با سرعت بالا است، تضمین می کند سیگنال ها بدون تحریف یا از دست دادن به مقصد خود برسند.هر انتخاب طراحی √ عرض مسیر، مواد دی الکتریک، مسیرگذاری بر مقاومت و در نهایت عملکرد تاثیر می گذارد.
با ترکیب شبیه سازی دقیق با مسیریابی دقیق و نظارت بر تولید، مهندسان می توانند تحملات مقاومت تنگ مورد نیاز برای 5G، هوش مصنوعی و الکترونیک نسل بعدی را به دست آورند.در حالی که سرعت داده ها همچنان در حال افزایش است (100Gbps و فراتر از آن)، تسلط بر کنترل مقاومت تنها به شدت مهم خواهد شد، جدا کردن طرح های کاربردی از آنهایی که نمی توانند نیازهای تکنولوژی مدرن را برآورده کنند.