چرا 50، 90 و 100 اهم بر امپدانس PCB غالب هستند: علم و استانداردهای پشت امپدانس کنترل شده

در دنیای صفحه های مداری چاپی (PCB) ، مقادیر مقاومت ۵۰، ۹۰ و ۱۰۰ اوم در همه جا وجود دارد. این اعداد تصادفی نیستند. آنها نتیجه دهه های تحقیقات مهندسی هستند.همکاری صنعتبرای طراحی های دیجیتال و RF با سرعت بالا، انتخاب مقاومت مناسب بسیار مهم است: آن را از بازتاب سیگنال جلوگیری می کند، از دست دادن را به حداقل می رساند،و اطمینان از سازگاری با کانکتورها، کابل ها و دستگاه های خارجی.

این راهنما توضیح می دهد که چرا 50، 90 و 100 اوم تبدیل به استاندارد طلا برای مقاومت PCB شده اند. ما به اصول فنی پشت هر مقدار غوطه ور خواهیم شد.کاربردهای عملی آنها (از فرستنده های RF تا پورت های USB)این که آیا شما در حال طراحی یک آنتن 5G یا یک رابط USB-C هستید، درک این مقادیر مقاومت به شما کمک می کند تا یکپارچگی سیگنال را بهینه سازی کنید.کاهش EMI، و مطمئن شوید که PCB شما با سایر اجزای دیگر کار می کند.

نکات کلیدی
1.50 اوم: استاندارد جهانی برای ردیاب های رادیویی تک پایانی و دیجیتال با سرعت بالا، کنترل قدرت تعادل، از دست دادن سیگنال و تحمل ولتاژ که برای سیستم های 5G، Wi-Fi و هوافضا حیاتی است.
2.90 اوم: گزینه اصلی برای جفت های دیفرانسیل USB (2.0/3.x) ، برای به حداقل رساندن crosstalk و به حداکثر رساندن سرعت داده در الکترونیک مصرفی انتخاب شده است.
3.100 اوم: بر رابط های Ethernet ، HDMI و SATA تسلط دارد ، برای ایمنی سر و صدا در سیگنال های تفاضلی در مسافت های طولانی تر بهینه شده است.
4مزایای استاندارد سازی: استفاده از این مقادیر، سازگاری با کابل ها، کانکتورها و تجهیزات آزمایش را تضمین می کند و پیچیدگی طراحی و هزینه های تولید را کاهش می دهد.
5کنترل مقاومت: هندسه ردیابی، مواد زیربنایی و استایل لایه به طور مستقیم بر مقاومت تاثیر می گذارد حتی انحرافات کوچک می تواند باعث بازتاب سیگنال و خطاهای داده شود.

علم مقاومت PCB
مقاومت (Z) مقاومت یک مدار را با جریان متناوب (AC) اندازه گیری می کند، که ترکیبی از مقاومت، ظرفیت و حثیت است.مقاومت کنترل شده تضمین می کند که سیگنال ها بدون تحریف گسترش یابنددر این حالت، این سیگنال ها به سرعت به سرعت حرکت می کنند و به طور مداوم به سرعت حرکت می کنند.افزایش EMI، و محدوده را کاهش دهید.

چه چیزی مانع ردیابی PCB را تعیین می کند؟
مقاومت بستگی به پنج عامل کلیدی دارد که همه آنها باید در طول طراحی و تولید به شدت کنترل شوند:

1. عرض ردیاب: ردیاب های گسترده تر مانع (قدرت بیشتر) را کاهش می دهند ، در حالی که ردیاب های باریک تر آن را افزایش می دهند.
2ضخامت ردی: مس ضخیم تر (به عنوان مثال ، 2 اونس) در مقایسه با مس نازک تر (0.5 اونس) مانع را کاهش می دهد.
3ضخامت دی الکتریک: فاصله بین ردیف و نزدیکترین سطح زمین، دی الکتریک ضخیم تر مانع را افزایش می دهد.
4ثابت دی الکتریکی (Dk): مواد مانند FR-4 (Dk = 4.0 √4.8) گسترش سیگنال آهسته؛ مواد Dk پایین تر (به عنوان مثال، Rogers 4350، Dk = 3.48) مانع را افزایش می دهند.
5فاصله ردیابی: برای جفت های دیفرانسیل، فاصله نزدیک تر باعث کاهش مقاومت به دلیل افزایش اتصال ظرفیت است.

مهندسان از ابزارهای حل کننده میدان (به عنوان مثال، Polar Si8000) برای محاسبه این متغیرها و دستیابی به مقاومت هدف با تحمل ±10٪ استفاده می کنند که برای طرح های با سرعت بالا حیاتی است.

چرا ۵۰ اوم استاندارد جهانی برای ردیاب های یک طرفه است؟
50 اوم بیشترین مقاومت مورد استفاده در PCB ها است، به ویژه برای سیگنال های RF تک سر و سیگنال های دیجیتال با سرعت بالا. تسلط آن ناشی از تعادل کامل سه معیارهای عملکردی مهم است:
1تعادل قدرت، از دست دادن و ولتاژ
مهندسان RF اولیه کشف کردند که هیچ مقدار مقاومت واحد نمی تواند تمام سه پارامتر کلیدی را بهینه کند:

a.حداقل از دست دادن سیگنال: ~77 اوم (به مثابه ارتباطات دور از هم مانند پیوندهای مایکروویو).
b.حداکثر کنترل قدرت: ~30 اوم (در فرستنده های با قدرت بالا استفاده می شود، اما مستعد شکست ولتاژ است).
c.حداکثر ولتاژ تحمل: ~60 اوم (در برابر قوس مقاومت می کند اما از دست دادن سیگنال بیشتر است).

50 اوم به عنوان سازش عملی ظاهر شد، ارائه عملکرد قابل قبول در تمام سه دسته.برای اکثر برنامه ها، از ایستگاه های پایه 5G تا روترهای Wi-Fi، این تعادل عملکرد قابل اعتماد بدون قطعات تخصصی را تضمین می کند..

2سازگاری با کابل ها و کانکتورها
50 اوم استاندارد شد زیرا کابل های کواکسیال، ستون فقرات سیستم های RF، در این مقاومت بهترین عملکرد را دارند. طرح های اولیه کواکسیال (به عنوان مثال،RG-58) استفاده شده 50 اوم مقاومت برای به حداقل رساندن از دست دادن و به حداکثر رساندن انتقال قدرتاز آنجا که PCB ها با این کابل ها ادغام می شوند، 50 اوم به حالت پیش فرض تبدیل می شود تا از عدم مطابقت مقاومت در کانکتورها جلوگیری شود.

امروزه، تقریباً همه کانکتورهای RF (SMA، نوع N، BNC) برای 50 اوم درجه بندی شده اند، که اجتناب از این استاندارد در طراحی های بی سیم را غیرممکن می کند.یک ردیابی PCB 50 اوم با یک کانکتور 50 اوم و کابل تضمین می کند که بازتاب سیگنال <1٪ برای حفظ محدوده در سیستم های رادار 5G ضروری است.

3تولید عملی با FR-4
FR-4، رایج ترین بستر PCB، دستیابی به ردپای 50 اوم را ساده می کند.6 میلی متر ضخامت) با یک آونس از مس 13 میلی متر عرض بیش از 50 میلی متر لایه دی الکتریک به طور طبیعی 50 اوم می رسداین سازگاری پیچیدگی تولید و هزینه ها را کاهش می دهد، زیرا سازندگان می توانند از فرآیندهای استاندارد برای دستیابی به تحمل های مقاومت تنگ استفاده کنند.

4کاربردهای واقعی ۵۰ اوم
50 اوم در هر طرحی که دارای سیگنال های فرکانس بالا با یک انتهای باشد ضروری است:

a.5G و سلولی: ایستگاه های پایه، سلول های کوچک و تجهیزات کاربر (UE) برای انتقال سیگنال مطابق با 3GPP به مسیرهای 50 اوم متکی هستند.
ب. هوافضا و دفاع: سیستم های رادار، فرستنده های ماهواره ای و رادیوهای نظامی از 50 اوم برای ارتباطات قابل اعتماد دوربرد استفاده می کنند.
ج. تجهیزات آزمایش: اسیلوسکوپ ها، ژنراتورهای سیگنال و تحلیلگرهای طیف برای 50 اوم کالیبر شده اند، که اندازه گیری های دقیق را تضمین می کند.
رادار خودرو: ماژول های رادار ADAS 77GHz از ردیاب های 50 اوم برای به حداقل رساندن تلفات در طرح های جمع و جور استفاده می کنند.

چرا ۹۰ و ۱۰۰ اوم بر جفت های تفاوتی تسلط دارند؟
سیگنال گذاری تفکیکی با استفاده از دو ردیابی مکمل (مثبت و منفی) ، در سیستم های دیجیتال با سرعت بالا، سر و صدا و سر و صدا را کاهش می دهد.جفت های دیفرانسیل به موانع دیفرانسیل متکی هستند (موانع بین دو ردیف)، با 90 و 100 اوم در حال ظهور به عنوان استانداردهای رابط های خاص.

1۹۰ آمم: استاندارد USB
USB (Universal Serial Bus) در الکترونیک مصرفی انقلابی ایجاد کرد و استفاده از مقاومت تفاوتی 90 اوم تصادفی نبود.انجمن پیاده سازان USB (USB-IF) 90 اوم را برای تعادل سه نیاز کلیدی انتخاب کرد:

a. نرخ داده: USB 2.0 (480Mbps) و USB 3.x (520Gbps) نیاز به crosstalk کم دارند، که جفت های 90 اوم از طریق فاصله ردیابی تنگ (معمولا 5 8 میلی لیتر برای مس 1 اونس) به دست می آورند.
ب. سازگاری کابل: کابل های USB از جفت های پیچیده با مقاومت 90 اوم استفاده می کنند؛ مطابقت ردیابی PCB از بازتاب در کانکتور جلوگیری می کند.
c. قابل ساخت: جفت های 90 اوم در PCB های استاندارد FR-4 آسان ساخته می شوند. یک ردیاب USB 3.0 معمولی (8 میلی متر پهن ، 6 میلی متر فاصله ، 1 اونس مس) 90 اوم را با تحمل ± 10٪ می رسد.

2. 100 اوم: اترن، اچ دی ام ای و SATA
100 اوم استاندارد برای جفت های دیفرانسیل در رابط های دیجیتال فاصله طولانی تر است، که در آن ایمنی سر و صدا حیاتی است:

a.ایترنت: استانداردهای IEEE 802.3 (10BASE-T تا 100GBASE-T) موانع فرقی 100 اوم را تعیین می کنند. این مقدار باعث به حداقل رساندن صدای متقاطع در کابل های Cat5e / Cat6 می شود ، که همچنین از جفت های پیچیده 100 اوم استفاده می کنند.ردپای PCB (عرض 10 مایل)، فاصله 8 مایل) با این مقاومت مطابقت دارد و انتقال داده های قابل اعتماد را در فاصله های 100 متر تضمین می کند.
b.HDMI: رابط چندرسانه ای با وضوح بالا از جفت های 100 اوم برای انتقال سیگنال های ویدئویی / صوتی تا 48 گیگابایت در ثانیه (HDMI 2.1) استفاده می کند. کنترل مقاومت سخت EMI را کاهش می دهد که برای سیستم های سینمای خانگی بسیار مهم است.
c.SATA: رابط های سریال ATA (که در هارد دیسک ها استفاده می شود) برای دستیابی به سرعت داده 6Gbps با حداقل خطاها به جفت های 100 Ohm تکیه می کنند.

3. چرا مقاومت دیفرانسیل از یک طرفه متفاوت است
مقاومت دیفرانسیل دو برابر مقدار تک پایانه نیست. به عنوان مثال، یک جفت دیفرانسیل 100 اوم شامل دو ردیف تک پایانه 50 اوم نیست. در عوض،بستگی به اتصال بین دو ردیف دارد.:

a.گرفتن ظرفیت: ردیف های نزدیک تر ظرفیت را افزایش می دهند و مانع فرقی را کاهش می دهند.
ب.پیوند محرک: فاصله تنگتر باعث کاهش محرک حلقه می شود و همچنین مانع را کاهش می دهد.

این اتصال به این دلیل است که 90 × 100 اوم برای جفت های دفرنسیل بهینه است. آنها تعادل اتصال و ایمنی سر و صدا را بدون نیاز به فاصله ردیابی غیر عملی کوچک دارند.

عواقب نادیده گرفتن مقادیر استاندارد مقاومت
استفاده از مقاومت غیر استاندارد (به عنوان مثال ، 60 اوم برای RF ، 80 اوم برای USB) ممکن است به نظر یک انتخاب طراحی جزئی برسد ، اما منجر به مشکلات قابل اندازه گیری عملکرد می شود:
1بازتاب سیگنال و خطاهای داده
عدم تطابق مقاومت باعث می شود سیگنال ها از قطعیت ها منعکس شوند (به عنوان مثال ، یک ردیاب 50 اوم متصل به یک کانکتور 75 اوم). این بازتاب ها با سیگنال اصلی مخلوط می شوند و ایجاد می کنند:

a. زنگ زدن: نوساناتی که داده های دیجیتال را خراب می کنند (به عنوان مثال، یک 1 به یک 0 تبدیل می شود).
b.Overshoot/Undershoot: افزایش ولتاژ که به اجزای حساس (به عنوان مثال FPGAs) آسیب می رساند.
جتر زمان بندی: تغییرات در زمان بندی سیگنال که نرخ داده را کاهش می دهد.

در 10 گیگابایت در ثانیه، حتی یک عدم تطابق مقاومت 10٪ (50 اوم در مقابل 55 اوم) می تواند نرخ خطای بیت (BER) را 10 برابر افزایش دهد تا یک لینک با سرعت بالا غیرقابل استفاده باشد.

2افزایش EMI و ناکامی های نظارتی
موانع نامناسب باعث ایجاد اشعه الکترومغناطیسی می شود، زیرا سیگنال های منعکس شده مانند آنتن های کوچک عمل می کنند. این EMI می تواند:

a. دخالت در مدارهای نزدیک (به عنوان مثال، یک ماژول 5G که گیرنده GPS را مختل می کند).
b. به دلیل شکست در آزمایشات انتشار FCC / CE، تاخیر در راه اندازی محصول.
ج. نقض استانداردهای خودرو (به عنوان مثال، CISPR 25) که برای سیستم های ADAS حیاتی است.

3عدم سازگاری با کابل ها و تجهیزات آزمایش
اکثر اجزای آماده (کابل ها، کانکتورها، سونوگ ها) برای ۵۰، ۹۰ یا ۱۰۰ اوم طراحی شده اند. استفاده از مقادیر غیر استاندارد اجزای سفارشی را مجبور می کند که:

a. افزایش هزینه ها به میزان 20٪ تا 50٪ (به عنوان مثال، کابل های هم محوری 60 اوم سفارشی).
ب.مدت های پیشرو را افزایش دهید (کانکتورهای تخصصی ممکن است 12+ هفته زمان پیشرو را نیاز داشته باشند).
c. گزینه های آزمایش را محدود کنید (اکثر اسیلوسکوپ ها و ژنراتورهای سیگنال دارای ورودی 50 اوم هستند).

4مطالعه موردی: هزینه یک عدم تطابق 10 اوم
تولید کننده ای از سوئیچ های صنعتی اترنت به طور تصادفی مسیرهای تفاوتی ۹۰ اوم به جای ۱۰۰ اوم را طراحی کرد. نتیجه:

a. بازتاب سیگنال باعث از دست دادن 10 درصد بسته ها در سرعت 1 گیگابایت در ثانیه شد.
b.بررسی مجدد و طراحی مجدد 8 هفته به جدول زمانی پروژه اضافه شد.
ج.کابل های 90 اوم سفارشی هزینه های BOM را 15 دلار در هر واحد افزایش می دهند.
d.این محصول مطابق IEEE 802.3 نبود و نیاز به بازگشت داشت.

چگونگی دستیابی به مقاومت کنترل شده در طراحی PCB
طراحی برای ۵۰، ۹۰ یا ۱۰۰ اوم نیازمند توجه دقیق به هندسه، مواد و فرآیندهای تولید است.
1مواد مناسب را انتخاب کنید
ثابت دی الکتریک (Dk) مواد PCB شما به طور مستقیم بر مقاومت تاثیر می گذارد.

a.FR-4: برای طرح های کم هزینه مناسب است (Dk = 4.0~4.8) ، اما Dk با فرکانس و رطوبت متفاوت است.
b.Rogers 4350B: ایده آل برای طرح های فرکانس بالا (>10GHz) (Dk = 3.48 ± 0.05) ، ارائه مقاومت پایدار در سراسر دمای.
c. مواد مبتنی بر PTFE: در هوافضا استفاده می شود (Dk = 2.2) ، اما گران قیمت و سخت تر برای تولید است.

برای جفت های تفاوتی (90/100 اوم) ، FR-4 برای اکثر وسایل الکترونیکی مصرفی کافی است، در حالی که مواد راجرز برای طرح های 10Gbps + اختصاص داده شده است.

2.جئومتري رد را بهینه سازيد
استفاده از ابزار حل کننده میدان برای محاسبه عرض ردیاب، فاصله و ضخامت دی الکتریک:

a. تک سر (50 اوم): یک اثر مس 1 اونس بر روی FR-4 (Dk = 4.5) با دی الکتریک 50 میلی لیتر نیاز به عرض 13 میلی لیتر دارد.
b.USB (90 اوم): دو خط 8 میلی متر با فاصله 6 میلی متر در 50 میلی متر دی الکتریک 90 اوم را به دست می آورند.
c.ایثرنت (100 اوم): دو مسیر 10 میلی متر با فاصله 8 میلی متر در 50 میلی متر دی الکتریک 100 اوم را به دست آورد.

همیشه یک سطح زمین را مستقیماً زیر خطوط قرار دهید، این مانع را ثبات می دهد و EMI را کاهش می دهد.

3با سازنده ات همکاری کن
سازنده ها توانایی های منحصر به فردی دارند که بر مقاومت تاثیر می گذارند:

a.تضامن های حکاکی: اکثر فروشگاه ها ±10٪ کنترل مقاومت را به دست می آورند، اما تولید کنندگان پیشرفته (به عنوان مثال، LT CIRCUIT) ±5٪ برای طرح های حیاتی ارائه می دهند.
ب.تغییر پذیری مواد: اطلاعات آزمایش Dk را برای دسته شما از مواد FR-4 یا Rogers درخواست کنید، زیرا Dk می تواند ±0 متفاوت باشد.2.
ج.بررسی انبار: درخواست گزارش انبار قبل از تولید برای تایید ضخامت دی الکتریک و وزن مس.

4. تست و تایید
پس از تولید، مقاومت را با:

a. Time Domain Reflectometry (TDR): اندازه گیری بازتاب برای محاسبه مقاومت در امتداد مسیر.
ب. تحلیلگر شبکه بردار (VNA): آزمایش مقاومت در فرکانس (مهم برای طرح های RF).
c. شبیه سازی یکپارچگی سیگنال: ابزارهایی مانند Keysight ADS نمودارهای چشم و BER را پیش بینی می کنند و رعایت استانداردهای مانند USB 3.2 یا اترنت را تضمین می کنند.

پرسش های متداول: افسانه ها و تصورات نادرست مربوط به مقاومت
س: آیا می توانم به جای ۵۰ اوم از ۷۵ اوم برای طرح های RF استفاده کنم؟
A: 75 اوم از دست دادن سیگنال را به حداقل می رساند (برای تلویزیون کابلی ایده آل است) ، اما اکثر کانکتورهای RF، تقویت کننده ها و تجهیزات آزمایش از 50 اوم استفاده می کنند.یک PCB 75-اوم در هنگام اتصال به اجزای 50-اوم از بازتاب سیگنال 20-30٪ رنج می برد، کاهش محدوده و افزایش EMI.

س: چرا USB و اترنت از مقاومت های فرقی متفاوت استفاده می کنند؟
A: USB اولویت های فشرده (کابل های کوتاه تر، فاصله ردیابی تنگ تر) را ترجیح می دهد، 90 اوم را ترجیح می دهد. اترنت بر انتقال فاصله طولانی (100m +) تمرکز می کند، که 100 اوم در کابل های چند جفت کاهش می دهد.این مقادیر به استانداردهای مربوطه آنها برای اطمینان از قابلیت همکاری متصل می شوند.

س: آیا تمام لایه های PCB نیاز به مقاومت کنترل شده دارند؟
A: تنها سیگنال های با سرعت بالا (> 100Mbps) نیاز به مقاومت کنترل شده دارند. لایه های برق، زمین و دیجیتال با سرعت پایین (به عنوان مثال، I2C، SPI) می توانند از مقاومت کنترل نشده استفاده کنند.

سوال: تحمل مقاومت باید چقدر باشد؟
A: برای اکثر طرح ها، ±10٪ قابل قبول است. رابط های با سرعت بالا (به عنوان مثال، USB4، 100G Ethernet) نیاز به ±5٪ برای برآورده کردن الزامات BER دارند. طرح های نظامی / هوافضا ممکن است ±3٪ را برای قابلیت اطمینان شدید مشخص کنند.

س: آیا می توانم مقادیر مقاومت را روی یک PCB مخلوط کنم؟
A: بله ٪ اکثر PCB ها دارای ردیف های RF 50 اوم ، جفت های USB 90 اوم و جفت های Ethernet 100 اوم هستند. از انزوا (طرح های زمین ، فاصله گذاری) برای جلوگیری از تماس متقابل بین دامنه های معاوضات مختلف استفاده کنید.

نتیجه گیری
تسلط 50، 90 و 100 اوم در طراحی PCB تصادفی نیست.این مقادیر نشان دهنده تعادل مطلوب عملکرد، سازگاری و قابلیت تولید است.50 اوم در سیستم های رادیویی تک پایانی و سیستم های دیجیتال با سرعت بالا است، در حالی که 90 و 100 اوم متناسب با نیازهای سیگنال های فرقی در USB، Ethernet و HDMI است.مهندسان مطمئن می شوند که طرح های آنها با کابل های موجود کار می کنند، کانکتورها و تجهیزات آزمایش کاهش ریسک، هزینه و زمان به بازار.

نادیده گرفتن این مقادیر مانع پیچیدگی غیر ضروری را معرفی می کند: بازتاب سیگنال، EMI و مشکلات سازگاری که می تواند پروژه ها را از خط خارج کند.این که آیا شما در حال طراحی یک گوشی هوشمند 5G یا یک سوئیچ صنعتی اترنت هستیداین یک اصل طراحی پایه ای است که به طور مستقیم بر عملکرد و قابلیت اطمینان تاثیر می گذارد.

همانطور که فن آوری های با سرعت بالا تکامل می یابند (به عنوان مثال، 100G Ethernet، 6G بی سیم) ، 50، 90 و 100 اوم همچنان مهم خواهند بود.طول عمر آنها ناشی از توانایی آنها در انطباق با مواد جدید و فرکانس های بالاتر در حالی که حفظ قابلیت همکاری است که صنعت الکترونیک را هدایت می کند.

برای مهندسان، نتیجه واضح است: این استانداردها را بپذیرید، با تولید کنندگان همکاری کنید تا کنترل مانع را تأیید کنید و از ابزارهای شبیه سازی برای تأیید طرح استفاده کنید.شما PCB ها را ایجاد می کنید که به طور مداوم تولید می کنند، عملکرد قابل اعتماد حتی در سخت ترین برنامه های کاربردی.

دفعه بعد که یک طرح PCB را مرور می کنید، به یاد داشته باشید: این اعداد ۰۵۰، ۹۰، ۱۰۰ ۰ بیش از مقادیر مقاومتی هستند.ارتباط برقرار کنید، و انجام به عنوان مورد نظر.