Kurs Projektowania PCB #9: Impedancja i terminacja

[H1M4W4R1]

Wstęp

W tym rozdziale poznasz podstawy pracy ze ścieżkami o kontrolowanej impedancji oraz dowiesz się, dlaczego niektóre połączenia wymagają specjalnej terminacji. Są to zagadnienia ważne przede wszystkim przy szybkich interfejsach cyfrowych, takich jak USB, HDMI czy sygnały RF.

Czym jest impedancja?

Impedancję można traktować jako odpowiednik rezystancji, ale dla prądów zmiennych. W elementach takich jak kondensatory czy cewki jej wartość zależy od częstotliwości sygnału. W praktyce podobnie zachowują się także ścieżki na płytce PCB: w zależności od ich geometrii mogą „przeszkadzać” lub „ułatwiać” propagację sygnału.

 

Maksymalna moc przenoszona jest wtedy, gdy impedancja wszystkich fragmentów toru sygnałowego jest zgodna.

 

Dlatego w odsłonach PCB o dużej częstotliwości kładzie się duży nacisk na zachowanie ciągłej, kontrolowanej impedancji.

Dobór impedancji w praktyce

W przypadku płytek 4-warstwowych i bardziej zaawansowanych większość producentów umożliwia wybór konkretnego stackupu. Dzięki temu możesz dobrać szerokość ścieżki, odległość od płaszczyzny referencyjnej oraz odstęp od wylewek miedzianych tak, aby uzyskać pożądaną impedancję.

Do obliczeń używa się kalkulatorów impedancji – np. narzędzia udostępnianego przez JLCPCB.

Kalkulator impedancji JLCPCB

Typowa procedura projektowa

1. Wybierz parametry płytki
2. Określ liczbę warstw, całkowitą grubość laminatu i grubość miedzi. Zwykle można pozostawić wartości domyślne dla grubości.
3. Dodaj oczekiwane impedancje. Przykładowo dla USB:
   1. 50 Ω (single-ended),
   2. 90 Ω (impedancja różnicowa).
4. Ustaw odstęp od wylewki miedzi (W EasyEDA Pro domyślny odstęp to 6 mil. W kalkulatorze ustawiasz go w parametrze Impedance Trace to Copper.)
5. Kliknij „Calculate”

Kalkulator poda szerokość ścieżki oraz (dla par różnicowych) wymagany odstęp między nimi.

Dla par różnicowych (o nich wspomnę nieco później) dopasuj Trace Spacing
Często szerokość ścieżek różnicowych pozostaje taka sama, a zmieniasz jedynie odstęp tak, aby impedancja różnicowa była zgodna z założeniami.

Możesz też wybrać konkretny stackup, dla którego liczysz impedancję. Najtańszy w produkcji (w JLCPCB) jest JLC04161H-7628. Stackup wybierasz poniżej wyliczonych wartości impedancji.

Impedancja typu coplanar jest używana gdy na warstwie, gdzie znajduje się ścieżka różnicowa jest również płaszczyzna masowa otaczająca tą ścieżkę.

Ciągłość masy

Ścieżki o kontrolowanej impedancji powinny mieć stałą, ciągłą płaszczyznę masy tuż pod sobą. 

 

Przerwy w masie, szczeliny, cewki czy przelotki w pobliżu takich ścieżek mogą znacząco zmienić ich parametry!

 

Kiedy muszę stosować kontrolowaną impedancję?

Przybliżony wzór na długość krytyczną ścieżki: Lkrytyczna ≈ c / fmax * 1/√ε * 1/12

gdzie:

• c – prędkość światła,
• fmax – maksymalna częstotliwość sygnału,
• ε – stała dielektryczna laminatu (zwykle 4,5–4,8).

Dla sygnałów cyfrowych: fmax ≈ 0.5 / (min(tr, tf))

gdzie:

• tr, tf – czasy narastania i opadania sygnału, podane w nocie katalogowej.

Można założyć, że w dobrze zaprojektowanym układzie sygnał ma:

• tr/tf ≈ 1/10 * fclk

Jeśli ścieżka jest dłuższa niż długość krytyczna, należy zaprojektować ją z kontrolowaną impedancją. Jeśli jest krótsza – układ często zadziała poprawnie mimo braku dokładnej kontroli.

Co z impedancją wyprowadzeń mikrokontrolera?

Może pojawić się pytanie: skoro wszystkie punkty toru sygnałowego powinny mieć identyczną impedancję, to co z pinami układu scalonego?

W praktyce producenci podają:

• wartości rezystorów szeregowych wymaganych dla stabilnej pracy, albo
• gotowe modele IBIS, z których można odczytać impedancję wyjściową pinów (często spotykane przy FPGA).

Przykładowo:

• STM32F103C8T6 wymaga rezystorów szeregowych 22 Ω w liniach USB.
• STM32L432KBU6 ma takie rezystory wbudowane, dlatego jego wyjścia są zgodne ze standardem USB bez dodatkowych elementów.

Terminacja sygnałów

Terminacja to sposób dopasowania impedancji toru sygnałowego tak, aby uniknąć odbić sygnału i zakłóceń. W praktyce stosuje się m.in.:

• rezystory szeregowe (by podnieść wartość impedancji pinu),
• rezystory równoległe (by obniżyć wartość impedancji pinu),
• układy typu RC lub RLC (najczęściej przy antenach by dopasować impedancję).

To temat złożony i szeroki. Aby poznać go dogłębnie, warto sięgnąć do dodatkowych materiałów, ponieważ pełne wyjaśnienie wymagałoby osobnego kursu.

Edytowano 17 stycznia przez H1M4W4R1