Kontrollert Impedans på mønsterkort. En forenklet innføring

Kontrollert Impedans på mønsterkort. En forenklet innføring

 

Kabelen som forbinder antennen med TVn vår i stua er et typisk eksempel på en kontrollert impedans som de fleste omgir seg med til daglig.
Dette er en koaksial kabel med en rund leder i midten, separert fra en ytre sylindrisk  leder med en isolator. Den ytre sylindriske lederen fungerer som en skjerming.
Dimensjonen på lederen og isolatoren, samt den elektriske karakteristikk er nøye tilpasset. Dette vil videre gi den ønskede impedansen på kabelen.

På samme måte er det mange ulike forbindelser og materialer kombineres i et mønsterkort for å oppnå en ønsket kontrollert impedans.
Mønsterkort med kontrollert impedans emulerer på mange måter kabler med kontrollert impedans, men på et mønsterkort kan det være et kobber plan som representerer skjermen (som vi har i kabelen), laminatet (FR4) representerer isolatoren og en forbindelse på kortet representerer (senter) lederen i kabelen
Akkurat som for kabelen, så vil leder, isolator og kobberplan være nøyaktig utregnet i forkant av produksjonen, og dette vil bli ivaretatt videre ved at fremstillingsprosessen av mønsterkortet hos produsenten er nøye styrt og kontrollert.

Impedans (Z) angis i Ohm (W), men må ikke bli forvekslet med motstand (R), som også angis i Ohm (også med symbolet W).
Motstand er en DC karakteristikk, mens impedans er en AC karakteristikk som blir viktig å ivareta etter som frekvensen på signalet øker.


Hvorfor trenger vi kontrollert impedans?

Funksjonen til en “ledning” (TV kabelen vår) er å transportere et signal nivå fra en enhet til en annen. Teorien viser oss at maksimal signalstyrke oppnås når impedansen er optimalt tilpasset.
Den lille forenklede introduksjonen ovenfor med impedans i en antennekabel, er like aktuell for ledere på et mønsterkort som har som formål å overføre signaler.  Når ledere på mønsterkortet fører signaler som har høye frekvenser, så er det spesielt viktig å konstruere disse ledere for å tilpasse det aktuelle signalet for senderen og mottageren.
Jo lenger forbindelsen er, eller jo høyere frekvensen på signalet er, så øker aktualiteten av at impedansen på lederen er tilpasset.  På et mønsterkort er impedansen i en leder styrt av  dimensjon og isolasjonsavstand av den angitte leder og laminatet.

Hos Elmatica så ser vi at etterspørselen  til mønsterkort med kontrollert impedans øker kontinuerlig. For mønsterkort med 8 kobberlag eller mer, så er det estimert at 80% av disse har en eller annen form for impedanskrav designet inn.
Det er ikke utenkelig at vi i en nær fremtid ser at det kan være et eller annet impedans krav på tilnærmet alle mønsterkort.

Når en vurderer en oppbygging av et flerlags mønsterkort med kontrollert impedans som er skjermet av kobberplan,  er det kun nødvendig å ta hensyn til avstanden fra lederen og til det ene planet (det som er nærmest), når lederen befinner seg på et innerlag.

Om en impedansverdi er ukorrekt, så kan det være svært vanskelig å diagnostisere og påvise dette etter at kortet er bestykket og loddet. Da impedansen er avhengig av mange faktorer som leder- bredde, ledertykkelse, laminattykkelse etc., er det på spesielt kritiske konstruksjoner vanlig at impedansen blir 100% testet på ferdige mønsterkort.

Dette er en sannhet med modifikasjoner da det ikke er selve kortet som blir testet, men en egen test kupong som produseres på det samme tidspunkt, i den samme prosess og på samme produksjonspanel som mønsterkortet. 


Kontrollert oppbygging

Et flertall av de kort som har impedans krav er imidlertid ikke 100% testet etter at de er produsert. Det er svært vanlig at impedans kravene er kalkulert av konstruktøren basert på en oppbygging av mønsterkortet som han har mottatt fra mønsterkortprodusenten. Dette er i mange tilfeller en fordel da produsenten vil benytte standard laminater som er lagervare eller lett tilgjengelige, og dermed bidra til en lavere pris på kortet.

Når et mønsterkort underlag forberedes for produksjon, så vil produsenten også kontrollere de verdier som ligger i underlaget som grunnlag for impedanskravet, og eventuelt i samråd med konstruktøren foreta de nødvendige justeringer som må til for at ønsket resultat skal oppnås.

Denne metoden som ikke involverer kuponger, gir et billigere kort. Generell toleranse for impedansen er +/-10%.

I tillegg til den påkrevde mønsterkortspesifikasjonen, så skal følgende informasjon gå frem når der er kontrollert impedans involvert:
   * Hvilke(t) lag som innholder ledere med impedanskrav (og eventuelt referanseplan)
   * 
Hvilken impedans som gjelder for hvilke lederbredder. Det kan være flere impedansverdier pr. lag.
   * Separat bredde (aperture) koder for ledere med impedanskrav. For eksempel 0.1mm ledere hvor der ikke er impedans krav ,
      og 0.1mm ledere med impedans krav.

   * Og enten
         1. Bredden (w) på lederen med impedans krav, eller
         2. laminat tykkelsen (h) til referanse planet.

I tilfelle 1, hvor bredden (w) er angitt, så vil produsenten justere laminattykkelsen (h) for å oppnå korrekt impedans verdi.
I tilfele 2, hvor laminat tykkelsen (h) er angitt, så vil lederbredden (w) justeres for å oppnå korrekt impedans verdi.

Noen konstruksjoner og konfigurasjoner kan ha mer enn en parameter som kan variere for å oppnå ønsket resultat. 

Noen enkle DESIGN REGLER

Det følgende er noen enkle regler for layout:
   * Det er ingen spesielle produksjons krav  for differensielle transmisjonsledere
   * Det er høyere toleransekrav dersom impedans ledere legges på lag som har prepreg mot referanseplanet.
   * Parallelle (broadside-Coupled striplines) impedansledere, skal ideelt sett legges på Core (kjerne) materiale.  Dette er nødvendig for
      å ha en god kontroll på z-aksen mellom de to signal lagene.
   * For korrekt beregning er det viktig at avstanden mellom lederene er kjent.
   * Konsulter produsenten din på et tidlig trinn i design fasen, så du kan få assistanse med materialvalg, oppbygging og beregning.
   * Gi de ulike impedans lederene og differensielle par  forskjellige aperture koder, de det blir enklere å justere nettop de som det er behov å justere.
 

MINIMALISERE KOSTNADEN HVOR IMPEDANSKRAV ER GJELDENDE
   * Impedans krav skal spesifiseres kun på de lag der det er påkrevet.
   * Om mulig, samle alle impedans ledere på samme lag
   * Ikke angi en lavere toleranse enn påkrevd. (+/-10% er rett vanlig)
   * Ikke spesifiser ALLE fysiske størrelser for en leder. Oppgi kun impedansen og la produsenten ta seg av de fysiske størrelser. 
      Forhold deg til impedansen og lederbrede benyttet i ditt design.
   * Ikke krev testkuponger separat for individuelt kort. Dette vil kunne gå ut over panelutnyttelsen samt at en individuelle testing vil gi en høyere
      pris på kortet.
   * En rimeligere testmetode er å legge en testkupong per produksjonspanel og teste impedansen på panelnivå. Om testing er nødvendig,
      så har paneltesting vist seg å gi akseptabelt resultat sammenlignet med individuell testing.

Elmaticas kilde for mønsterkort med kontrollert impedans er som for resten av mønsterkort industrien, Polar Instruments Ltd.

Se .pdf fil for full artikkel med illustrasjoner. 

                                                                                                                                                        Josse Elmatica September 2011

Have more questions? Submit a request

0 Comments

Please sign in to leave a comment.
Powered by Zendesk