Trở kháng của tín hiệu trên mạch PCB

1
1379

Trở kháng là gì?

Trong kỹ thuật điện, trở kháng là đại lượng vật lý đặc trưng cho sự cản trở dòng điện của một mạch điện khi có hiệu điện thế đặt vào. Nó thường được ký hiệu bằng chữ Z và được đo trong SI bằng đơn vị đo Ω. Trở kháng là khái niệm mở rộng của điện trở cho dòng điện xoay chiều, chứa thêm thông tin về độ lệch pha.

Kiểm soát trở kháng

Kiểm soát trở kháng là khớp các kích thước và vị trí vết PCB với các đặc tính của vật liệu nền để đảm bảo rằng cường độ của tín hiệu truyền dọc theo dây dẫn (trace) nằm trong phạm vi yêu cầu.  Sự gia tăng liên tục về tốc độ chuyển mạch thiết bị đang khiến các kỹ sư gặp phải các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu (SI) và cuối cùng, hầu hết các thiết bị sẽ phải đối phó với các vấn đề về SI.  Vì vậy, các trace (dây dẫn) của Bảng mạch in (PCB) không còn được coi là kết nối điểm-điểm đơn giản nữa.  Các trace (dây dẫn) cần được coi là đường truyền và việc kết hợp trở kháng trở nên cần thiết và bắt buộc để giảm bớt hoặc loại bỏ tác động lên SI.  Bằng cách tuân theo các phương pháp tiếp cận và thực hành thiết kế tốt, nhiều vấn đề tiềm ẩn về tính toàn vẹn của tín hiệu có thể được ngăn chặn hoặc giảm thiểu.  Vì vậy, ở đây chúng ta sẽ nói về tầm quan trọng của việc kiểm soát trở kháng, nguyên nhân gây ra các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu và cách tránh chúng.

Tại sao cần kết hợp trở kháng?

Chức năng của trace (dây dẫn) trên PCB là chuyển nguồn tín hiệu từ thiết bị điều khiển đến thiết bị nhận. Năng lượng cần được truyền trong suốt chiều dài của trace. Nhưng công suất tín hiệu tối đa chỉ có thể đạt được khi có trở kháng phù hợp trên PCB. Vì vậy, đó là lý do tại sao chúng ta cần phải kết hợp trở kháng. Chúng tôi muốn nhiều năng lượng từ trình điều khiển kết thúc ở đầu thu. Nếu không được chú ý đặc biệt trong giai đoạn bố trí PCB, thì tín hiệu tần số cao chắc chắn sẽ bị suy giảm khi chúng truyền từ trình bên truyền đến bên nhận. Nếu kết quả của điều này được xem trên sơ đồ mắt (eye diagram ), các tín hiệu sẽ rất méo và các mức công suất sẽ khác nhau khi tín hiệu truyền từ đầu đến cuối.

Tín hiệu hoặc mạch tốc độ cao là gì?

IPC định nghĩa tín hiệu tốc độ cao là tín hiệu khi thời gian tăng và giảm (rise and fall time) của tín hiệu đủ nhanh để tín hiệu có thể thay đổi từ trạng thái logic này sang trạng thái logic khác trong thời gian ngắn hơn thời gian cần thiết để nó di chuyển theo chiều dài của dây dẫn và ngược lại. Vì vậy, khi tín hiệu truyền từ nguồn đến máy thu và ngược lại – nếu thời gian tăng và giảm nhanh hơn thời gian đó, thì bạn chắc chắn đang xử lý thiết kế tốc độ cao và phải xem xét vấn đề tốc độ cao. Một quan niệm sai lầm là tốc độ xung nhịp của mạch quyết định xem mạch có hoạt động ở tốc độ cao hay không.

Một số yếu tố ảnh hưởng đến trở kháng là gì?

Một số biến mà trở kháng của một trace phụ thuộc vào đó ít nhiều được cố định bởi nhà sản xuất PCB và một số trong số chúng được xác định bởi nhà thiết kế PCB. Công suất được truyền đồng nhất theo chiều dài của trace trên PCB khi có trở kháng đồng nhất. Do đó, cần phải xây dựng một trace có dạng hình học mặt cắt ngang rất đồng đều. Nói cách khác, hình dạng và kích thước phải đồng nhất nhất có thể khi chạy trên một hằng số điện môi nhất quán của vật liệu mà nó chạy dọc theo chiều dài cho một lớp định tuyến nhất định. Và trace càng đồng đều thì hằng số điện môi càng nhất quán và chúng ta sẽ đạt được trở kháng nhất quán hơn và ít suy giảm công suất hơn. Các vấn đề nghiêm trọng có thể phát sinh nếu kết hợp trở kháng không được thực hiện. Sơ đồ này cho thấy một microstrip.

H đại diện cho khoảng cách giữa trace và mặt phẳng liền kề ngay bên dưới hoặc bên trên (Lớp- Layer). T là chiều cao trace hoặc chiều dày đồng. Thông thường, kích thước này sẽ là 35 hoặc 70 micron tùy thuộc vào cách xác định chất chồng lên nhau (Stack up).
“W” là chiều rộng của trace. Trong số 3 biến này, độ rộng trace I là biến nằm trong tầm kiểm soát hoàn toàn của người thiết kế. Trở kháng mục tiêu trên một trace PCB có thể đạt được bằng cách thay đổi độ rộng của nó. Điều quan trọng cần lưu ý là điện áp có thể thay đổi đáng kể khi nó được truyền dọc theo trace. Sự hiện diện của sự thay đổi trở kháng hoặc sự gián đoạn chắc chắn sẽ gây ra phản xạ trở lại nguồn của tín hiệu đó.
Một vấn đề lớn với các bo mạch không có kết hợp trở kháng là sự hiện diện của phản xạ. Vì vậy, một phần năng lượng của tín hiệu sẽ phản xạ về phía bên truyền và tín hiệu còn lại sẽ tiếp tục về phía trước. Khi bạn nhìn vào dạng sóng cho điều này, sẽ không thấy một sóng vuông thuần túy. Thay vào đó, sẽ quan sát thấy một dạng sóng bị bóp méo với các điểm vượt và thiếu và một số dao động gợn ringing. Bất kỳ trở kháng nào chưa đồng nhất trên 1 trace của PCB sẽ dẫn đến một số nhiễu điện từ (EMI). Kết quả là, sự thay đổi của trở kháng sẽ gây ra một số bức xạ điện từ trong khu vực cục bộ nơi xảy ra quá trình chuyển đổi này và nơi các phản xạ này xuất hiện. Bức xạ có thể kết hợp năng lượng của nó với các trace lân cận hoặc ảnh hưởng đến một số thành phần nhạy cảm trên bo mạch.

Khi vẽ PCB, cần đặc biệt chú ý đến bất kỳ sự sai lệch nào về trở kháng và cần phải cố gắng để đảm bảo rằng trở kháng được duy trì tốt nhất có thể trong suốt phần của tín hiệu được đi dây. Đối với các sản phẩm yêu cầu phê duyệt CE và EMC, cần đặc biệt xem xét đến vấn đề này.

Stack up PCB với trở kháng

Bao gồm các plane nguồn có thể cung cấp một đường trở lại (return path) tín hiệu bên dưới mỗi đường dẫn tín hiệu là một bước thiết yếu trong việc kiểm soát trở kháng.  Tốt hơn là, các plane này nên được phân tán qua bảng xếp chồng lên nhau và được thiết kế sao cho tối thiểu một plane tiếp giáp với mỗi lớp tín hiệu mang định tuyến trở kháng có kiểm soát. 

Bằng cách tránh sự gián đoạn (chẳng hạn như sự phân tách hoặc sự cố trong plane nguồn, bên dưới bất kỳ dây tín hiệu quan trọng nào), dòng điện trở lại chạy qua plane sẽ tìm cách đi theo cùng một đường dẫn vật lý như đường dẫn trên lớp tín hiệu.  Ngoài việc chọn thứ tự thích hợp cho các lớp tín hiệu và plane , các đặc tính vật liệu của mỗi lớp cần phải được xác định.  Điều này bao gồm: ›Độ dày đồng
› Độ dày điện môi
›Hằng số điện môi

 Cân nhắc trong thiết kế, sản xuất PCB

Các đường trace nên được giữ càng ngắn càng tốt và giảm độ dài nếu có thể.  Nếu độ dài trace khá dài, nên sử dụng các đầu cuối ” terminations” để ngăn phản xạ. 

Nên tránh các lỗi stub (thừa trace) và trace không liên tục, những yếu tố này làm tăng phản xạ và giảm chất lượng tín hiệu.

 Đối với đi dây cặp vi sai (differential pair), hãy đảm bảo rằng các cặp tín hiệu có cùng độ dài. 

Trong sản xuất, sử dụng back drilling – đối với bảng nối đa năng dày trong đó tín hiệu đi từ lớp trên cùng đến một trong các lớp bên trong, phần còn lại của lỗ via vẫn dân tín hiệu, tạo ra tín hiệu phản xạ lại. Back drilling loại bỏ đồng thừa không mong muốn.  Đây là một kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ phần đồng không sử dụng hoặc phần còn lại của phần đồng ra khỏi lỗ via trên bảng mạch in. 

›Giảm kích thước của antipad  trên các lớp plane.  Antipad là nơi miếng đệm được tháo ra hoặc đồng được tháo ra trên các lớp mặt phẳng mà miếng đệm không được hoặc không kết nối với mặt phẳng đó.  Đôi khi kích thước tấm chống quá lớn tạo ra những khoảng trống không cần thiết trên mặt phẳng.  Bằng cách làm cho tấm chống nhỏ hơn một chút cho phép plane liên tục hơn, dẫn đến tín hiệu và đường trở lại rõ ràng hơn. 

Chỉ định độ dày mặt nạ hàn.  Mặt nạ hàn cũng có hằng số điện môi.  Ngay cả độ dày trên bảng có thể ngăn chặn những bất ngờ khó chịu. 

Bạn nên thực hiện một số mô phỏng thiết kế hoặc phân tích tính toàn vẹn của tín hiệu.  Việc sửa chữa thiết kế trước khi sản xuất bo mạch luôn ít tốn kém hơn.  Có một số công cụ có sẵn để thực hiện phân tích tính toàn vẹn của tín hiệu này.  Hyperlynx là tiêu chuẩn công nghiệp và được biết rất rõ.  Polar Instruments và Altium Designer cung cấp chức năng phân tích tính toàn vẹn của tín hiệu.

Với việc sử dụng ngày càng nhiều các thiết bị tốc độ cao, các nhà thiết kế bo mạch cần phải xem xét nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của PCB. Một trong những cân nhắc này là kiểm soát trở kháng, điều này có ý nghĩa nghiêm trọng đối với tính toàn vẹn của tín hiệu và hoạt động của bo mạch. Bằng cách hiểu các yếu tố nhân quả của sự không phù hợp trở kháng và có được kiến ​​thức về thực tiễn thiết kế có thể giảm thiểu hoặc loại bỏ các vấn đề trở kháng, nhà thiết kế PCB có thể tạo ra một giải pháp thiết kế thực sự. Một thiết kế mạnh mẽ có thể được sản xuất thành một bảng mạch in hiệu suất cao và đáng tin cậy.

Các tài liệu khác:
https://www.amitroncorp.com/pcb-controlled-impedance
https://www.protoexpress.com/blog/best-high-speed-pcb-routing-practices/
https://www.onelectrontech.com/pcb-layout-design-tips-grounding-considerations/

1 COMMENT

  1. Hello are using WordPress for your blog platform?

    I’m new to the blog world but I’m trying to get started
    and set up my own. Do you need any coding expertise to make your own blog?
    Any help would be greatly appreciated!

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here