Navrhovanie dosiek s plošnými spojmi pre dnešné čoraz zložitejšie elektronické obvody sa neobmedzuje len na jednoduché usporiadanie komponentov a smerovanie ciest. Čoraz častejšie umiestňujeme vysokorýchlostné procesory, DDRAM pamäte, vysokorýchlostné komunikačné rozhrania atď. na jednu dosku, čo si vyžaduje extrémnu starostlivosť o integritu signálu. Jedným z rozhodujúcich faktorov správneho šírenia signálu na doske plošných spojov je preto zachovanie vhodných impedancií spojov.

Dosiahnutie stavu, v ktorom možno elektronický obvod považovať za správne fungujúci, si často vyžaduje úzku spoluprácu medzi návrhárom DPS a dodávateľom dosky plošného spoja, teda jej výrobcom. Vo prvotnej fáze návrhu nie je vždy možné predvídať všetky nuansy, ktoré určujú chyby, ktoré neboli prítomné vo fáze simulácie. Dokonca ani akýkoľvek pokročilý softvér vám neposkytne stopercentnú istotu, že skutočný obvod bude fungovať tak, ako bolo zamýšľané. Rozhodujú o tom rôzne technologické parametre, ako sú hrúbka a šírka ciest, elektrická priepustnosť laminátu, hrúbka predimpregnovaných vrstiev na viacvrstvových doskách plošných spojov, poradie umiestnenia vrstiev, impedancie priechodov, presluchy medzi cestami a čas šírenia signálov od vysielača k prijímaču. Hoci moderný softvér používaný na návrh DPS zohľadňuje mnohé uvedené faktory, konečné overenie funkčnosti je možné len v reálnych obvodoch. Žiaľ, nedá sa vylúčiť, že prvé kópie DPS skončia v koši.

Aby sme sa pochopili - úvedená úvaha však neznamená, že všetky softwarové pomôcky sú zbytočné a možno sa ich vzdať. Naopak, ich vynechanie môže mať za následok úplné zlyhanie projekčnej práce. Preto sa oplatí dôverovať matematike opisujúcej javy prebiehajúce na doske plošných spojov.

V systémoch, ktoré zahŕňajú vysokorýchlostné digitálne signály, je obzvlášť dôležitá celková dĺžka ich cesty od vysielača k prijímaču. Pritom sa musí analyzovať celá cesta signálu, t. j. cesta signálu a spätná cesta. Ak má spojenie dĺžku rovnajúcu sa aspoň jednej štvrtine vlnovej dĺžky signálu, malo by sa spojenie považovať za prenosové vedenie. V praxi je spätnou cestou základná rovina umiestnená na vnútornej vrstve dosky plošných spojov, t. j. nad alebo pod signálovou cestou. Medzi impedanciou prenosového vedenia a odporom pre jednosmerný prúd sa dá urobiť analógia. Obe veličiny sa vyjadrujú v ohmoch. Zrejmý zostáva aj vzťah medzi napätím, impedanciou a prúdom v prenosovom vedení. Podľa neho je potrebné zvýšiť napätie, ak sa má pri zvýšení impedancie udržať konštantný prúd. Vplyv impedancie prenosového vedenia začína byť významný pri signáloch nad 100 MHz. V obvodoch, kde je nesúlad medzi charakteristickou impedanciou prenosového vedenia a impedanciou obvodov k nemu pripojených, dochádza k odrazom, čo vedie k výraznému narušeniu prenosu a v kritických prípadoch dokonca k úplnej strate prenosu. Tieto odrazy sa zväčšujú s rastúcim impedančným nesúladom.

Faktory ovplyvňujúce impedanciu obvodu

Medzi faktory, od ktorých závisí impedancia prenosového vedenia, patria:

• plocha prierezu trasy (šírka × výška),
• hrúbka dielektrika medzi prenosovým vedením a referenčnou rovinou,
• dielektrická konštanta dielektrika,
• vzdialenosť medzi líniami diferenciálneho prenosového vedenia.

Kontrola impedancie je náročná úloha vzhľadom na vysokú zložitosť matematických vzťahov, ktoré ju opisujú. Preto je dobrým postupom zdokumentovať požiadavky na impedanciu, čo je to oveľa zložitejšia úloha, ako by sa mohlo na prvý pohľad zdať. Aby toho nebolo málo, výrobcovia dosiek plošných spojov nemajú vždy správne znalosti, takže sa nemôžete vždy spoľahnúť na ich podporu. Musíte nanajvýš počítať s tým, že spoločnosť, ktorá spracováva objednávky, vykoná len operácie požadované konštruktérom pri zadávaní podkladov objednávky. Preto zvyčajne nestačí len sformulovať parametre, ako je požadovaná impedancia alebo tolerancie materiálu. Je potrebné presne formulovať požiadavky, ktoré by mali byť samozrejme v rámci technologických možností výrobcu. Akékoľvek podcenenie môže skončiť výrobou nefunkčných dosiek, teda ako sme spomenuli vyššie - skončia s určitosťou v koši. V súčasnosti môžu výrobcovia dosiek plošných spojov zvyčajne vykonať testy dosiek plošných spojov pred ich odovzdaním zákazníkovi. Takto sa dá veľká časť chybných kusov odstrániť už v tejto fáze bez potreby montáže komponentov.

Matematický opis impedancie

Už vieme, že existuje matematický opis impedancie prenosového vedenia realizovaného na doske plošných spojov. Zostáva teda rozhodnúť -  v ktorej fáze sa má tento matematický nástroj použiť? Je to už počas návrhu plošného spoja alebo až po tejto fáze, keď sú už všetky spoje vytvorené?

Použitie impedančného kalkulátora pomáha konštruktérom vybrať správne parametre ciest a, čo je dôležité, definovať aj ich tolerancie. Takto sa dá predísť problémom s nesúladom signálov, ktoré by sa prejavili až vo fáze výroby. Ide teda o dvojitú kontrolu a nie jediný nástroj na určenie správnosti impedancie.

Matematický opis je aj pre najjednoduchšie prípady je veľmi zložitý. Napríklad: kalkulačka impedancie založená na IPC-2141 používa rovnicu pre mikropáskové vedenia. V rovnici pre výpočet impedancie mikropáskových vedení podľa štandardu IPC-2141 sa používa vzorec známy ako "Wheelerov vzorec". Všeobecný tvar tohto vzorca je nasledovný:

Z = √((87.45 / εr) * (h / w + 1.41 * (w / h)²(1/2) * ln(1.0 + 4.0 * h / w)))

Kde:

• Z je impedancia mikropáskového vedenia (v ohmoch)
• εr je relatívna permitivita (dielektrická konštanta) materiálu
• h je výška dielektrika nad vodivou vrstvou (v milimetroch)
• w je šírka vodivej vrstvy (v milimetroch)

Je dôležité si uvedomiť, že táto rovnica poskytuje približnú hodnotu impedancie a môže sa líšiť od presných výsledkov získaných pomocou pokročilejších simulačných nástrojov alebo softvéru. Pre presné výpočty je odporúčané použiť sofistikovanejšie simulačné metódy alebo nástroje, ktoré sú k dispozícii v oblasti návrhu dosiek plošných spojov. Tento vzorec je všeobecný vzorec pre výpočet impedancie mikropáskového vedenia, ale nezahŕňa dĺžku stopy. Predložený matematický vzorec, aj keď vyzerá pomerne zložito, predstavuje len určité matematické zjednodušenie javov prebiehajúcich v mikropáskovom vedení. Prijaté zjednodušenia vedú k chybe vo výpočte impedancie, ktorá môže pri vysokých rýchlostiach dosiahnuť až 7 %. Pre zjednodušenie výpočtu môžete použiť našu online kalkulačku výpočtu odporu medenej stopy na základe šírky, dĺžky, hrúbky a teploty, alebo priamo kalkulačku nižšie, ktorá priamo vychádza z normy IPC-2141.

Obr. 1. Znázornenie princípu výpočtu impedancie prenosového vedenia. W - šírka mikropáskového vedenia,T - výška mikropáskového vedenia, H - hrúbka dielektrika

Dosiahnutie očakávaného konečného výsledku závisí od úzkej spolupráce medzi konštruktérom DPS a výrobcom DPS, Parametre uvedené vo vyššie uvedenom matematickom vzorci majú pri praktickej realizácii určitú toleranciu plus/mínus. Aby sa všetky technologické operácie súvisiace s výrobou DPS vykonávali správne, výrobca musí pochopiť význam každej z nich. Všetky závery vyplývajúce zo skúšok vyrobených dosiek by mal výrobca zhromažďovať a využívať pri realizácii ďalších zákaziek. Je dôležité priebežne korigovať výrobnú dokumentáciu s prihliadnutím na tieto závery. To umožňuje lepšiu kontrolu impedancie pri ďalších projektoch. Zodpovednosť za prípadné chyby však nemôže niesť výlučne výrobca. Zákazník - projektant si musí byť vedomý technologických možností výrobcu a zohľadniť ich už vo fáze návrhu. Možno tak predísť neskoršiemu nákladnému prepracovaniu.

Zdroj : Matt Stevenson, "Controlled Impedance: Th e Devil Is in the (Math) Details", Design 007 Magazine, 8/2022