PCBインピーダンスの不連続性? 5つの実用的なソリューションと最適化手法

の畑で 高速PCB設計 およびRFサーキット, インピーダンスの連続性は、信号の整合性にとって重要です. 特徴的なインピーダンスの不一致は、信号反射につながる可能性があります, 鳴る, と歪み, システムのパフォーマンスに深刻な影響を与えます. この記事では、インピーダンスの不連続性の原因を掘り下げ、エンジニアが最適化するのを支援する業界が実証するソリューションを提供します PCBデザイン.

特徴的なインピーダンスとその重要性を理解する

特徴的なインピーダンスは、コアコンセプトです 高周波プリント基板 信号伝送. IPC-2141A標準によると, 信号として伝送ラインに沿って伝播します, 信号線と基準面の間に電界が形成されます, 瞬時電流を作成します. 伝送ラインが均一な場合, 同等の抵抗が形成されます, 電圧と電流の比率として定義されます (z = v/i). これが特徴的なインピーダンスです.

特徴的なインピーダンスが伝送経路に沿って変化するとき, 信号反射は、不連続性の時点で発生します. この反射は、信号の歪みを引き起こす可能性があります, タイミングエラー, および電磁干渉 (エミ) 問題. IEEEの調査によると, インピーダンス偏差を超える偏差 10% 信号の完全性をひどく分解できます.

特徴的なインピーダンスに影響する重要な要因

特徴的なインピーダンスは、主に4つのパラメーターの影響を受けます: 誘電率 (DK), 基質の厚さ (h), トレース幅 (w), および銅の厚さ (t). マイクロストリップラインの特徴的なインピーダンス式は、:
Z0 = (87 / √(εr + 1.41)) * ln(5.98h / (0.8w + t))
ここで、εrは基質の相対誘電率です. この式, IPC-2141標準から派生, 予備計算に適しています, ただし、プロのインピーダンス計算ツールは、実際の設計に使用する必要があります.

5つの一般的なインピーダンスの不連続性とその解決策

1. 突然のトレース幅の変化とテーパーラインのデザイン

多くのRFコンポーネントには、パッケージサイズが小さいです, SMDパッド幅は潜在的に小さいほど小さい 12 ミル, 一方、RF信号トレースには、多くの場合、上記の幅が必要です 50 ミル. このサイズの違いは、大きなインピーダンスの不連続性を引き起こします.

• 解決: 遷移にはテーパーラインを使用します; 突然の幅の変化を避けてください. テーパーは滑らかでなければなりません, そして、その長さは過剰であってはなりません. IPC-2221ガイドラインによると, テーパースロープは間に維持する必要があります 1:3 そして 1:5 漸進的なインピーダンスの変更を確実にするため.

2. トランスミッションラインコーナーの最適化

RF信号トレースの右角曲がりは、有効なトレース幅を増加させます, インピーダンスの不連続性と信号反射につながります.

解決: マイターまたは丸い角を塗ります. 丸い角の半径はrを満たす必要があります > 3w (ここで、Wはトレース幅です) 不連続性を効果的に減らす. 45°マイテルコーナーは、もう1つの効果的な方法です, マイターの長さは通常より大きくなります 1.5 トレース幅の倍.

3. 大きなパッドの容量性効果を軽減します

大きなコンポーネントパッドが50オームのマイクロストリップラインに配置されたとき, 寄生容量を導入します, 特徴的なインピーダンスを混乱させます.

解決: 改善のための2つの方法を組み合わせます: マイクロストリップ基板の厚さを増やし、クリアランスを作成します (または “切り取る”) 容量性効果を減らすためにパッドの下の地上面で. クリアランスエリアは少なくとも延長する必要があります 20 十分な分離を提供するために、あらゆる側面のパッドの向こうのミル.

4. 設計による最適化されたPCB

Viasは、寄生パラメーターのためにインピーダンスの不連続性の主な原因です, 高速信号伝送に影響します.
* 寄生容量式を介して:
c = (1.41 * εr * T * D1) / (D2 – D1)
*ここで、Tはボードの厚さです, D1はVIAパッドの直径です, D2はアンチパッド直径です, εrは誘電率です。*
* 寄生性インダクタンス式を介して:
l = 5.08 * h * [ln(4h / d) + 1]
ここで、hはviaの長さです (スタブの長さ), Dはドリルの直径です.

• ソリューション:

  • パッドのサイズを最小限に抑えるために、パッドインチーケなテクノロジーを使用します.

  • アンチパッドの直径を最適化します (通常 10-20 MILSはViaパッドよりも大きい).

  • バックドリルを使用して、非機能的なスタブを介して削除します.

  • 1GHzを超える信号の場合, HFSや最適化などのツールを使用してシミュレーションと最適化を実行する.

5. スルーホール同軸コネクタの最適化

スルーホール同軸コネクタは、同様のインピーダンスの不連続性の課題をviasとして提示します.

• 解決: VIASに使用されるのと同じ最適化手法を適用します, ヴィアインパッドを含む, 適切なファンアウト, およびパッド直径の最適化. 接地バイアは、コネクタの周りに均一に配置する必要があります (少なくとも 4) 優れた地盤の連続性を確保するため.

インピーダンス制御のための高度なPCB製造技術

最新のPCB製造は、インピーダンス制御のための強化された機能を提供します:

1. 厳密に制御された積層: ±10％以内の公差で均一な基質の厚さを保証します.

2. レーザー直接イメージング (LDI): 非常に正確なトレース幅制御を提供します, 精度が±0.2ミルまで.

3. 表面仕上げの選択: 右の表面仕上げを選択します (例えば。, 同意する, 浸漬シルバー) インピーダンスへの影響を最小限に抑えるのに役立ちます.

IPC-6012dによると, クラスのインピーダンス制御耐性 3 (高信頼性) 製品は±10％以内に維持する必要があります. いくつかの要求の厳しいアプリケーションには、±5％またはより厳格な耐性がさらに強い必要があります.

設計検証とテストの推奨事項

インピーダンスの連続性を確保するため, 次の測定値を実装します:

1. プレイアウトシミュレーション: SI9000やPolar Instrumentsなどのツールを使用してインピーダンス計算を実行します.

2. レイアウト後のシミュレーション: 実際のスタックアップパラメーターを使用して計算を検証します.

3. TDRテスト: タイムドメイン反射計を使用して、生産後の実際のインピーダンス値を測定する.

4. 断面分析: 実際の誘電体の厚さとトレース幅をチェックすることにより、定期的に生産ライン機能を監査します.

結論

PCB設計におけるインピーダンスの不連続性は避けられません, しかし、その影響は、科学設計の方法論と高度な製造技術によって最小限に抑えることができます. この問題に対処するための鍵は、インピーダンスの変動の根本原因を理解し、適切な設計戦略を適用することにあります. 高速および高周波アプリケーション用, ような経験豊富なサプライヤーと提携することをお勧めします UGPCB, 最先端の生産機器とインピーダンス制御に関する広範な専門知識を持っています. このようなサプライヤーは、PCB製造を提供できます PCBAアセンブリ 厳しいパフォーマンス要件を満たすサービス.

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