Impedančna optimizacija tiskanega vezja

KUTIN, VASJA (author), Strle, Drago (mentor)

Ko imamo pred seboj nalogo razviti elektronsko napravo in jo potem prodajati, ni cilj razvoja samo ta, da naprava opravlja delo, kateremu je namenjena, temveč tudi da deluje v skladu s predpisanimi standardi. Ena izmed zahtev za vse elektronske naprave je delovanje naprave v skladu z direktivami elektromagnetne združljivosti (EMC). Elektromagnetna združljivost je sposobnost naprave, enote naprave ali sistema, da zadovoljivo deluje v elektromagnetnem okolju, ne da bi pri tem vnašala nedopustne elektromagnetne motnje v okolje. Na splošno pri ugotavljanju elektromagnetne združljivosti govorimo o ugotavljanju [2]: • elektromagnetnih motečih emisij, to je elektromagnetnih motenj, ki jih zaradi svojega delovanja povzroča naprava, oprema ali sistem; • elektromagnetne imunosti, to je sposobnosti naprave, enote naprave ali sistema, da neoslabljeno deluje v prisotnosti elektromagnetnih motenj. Pri vsakem načrtovanju tiskanega vezja izdelka, razporejamo komponente tiskanih vezij z upoštevanjem osnovne vezalne sheme. Končno tiskano vezje poleg osnovnih lastnosti komponent vsebuje tudi neželene tj. parazitne lastnosti, ki izvirajo iz komponent samih ter njihove postavitve na tiskanini. Če načrtovalec pozna vplive realnih komponent in tiskanine na osnovno delovanje ter EMC, jih lahko upošteva že v fazi načrtovanja tiskanih vezij. Na ta način se optimizira časovni cikel razvoja izdelka, hkrati pa se s tem posledično znižajo tudi stroški. Eden od načinov poznavanja vplivov realnih elementov tiskanega vezja je simuliranje impedanc med izbranimi točkami na vezju. Iz te ideje izhaja tudi tema tega magistrskega dela, kjer je glavni cilj verifikacija simulacij impedanc med izbranimi točkami na tiskanem vezju, narejenih v programu SIwave™, s pomočjo meritev z vektorskim analizatorjem vezij. Kot primer vplivov parazitnih komponent tiskanih vezij, je v zadnjem poglavju predstavljena impedančna analiza vhodne senzorske stopnje, na primeru izbranega tiskanega vezja. Magistrsko delo je razdeljeno na teoretični del, simulacije in meritve. V prvem delu so opisani modeli ter teoretični izračuni parazitnih komponent glavnih elementov tiskanih vezij, ki so pasivne komponente, linija na tiskanem vezju, medplastna metalizirana povezava in bakrene plasti napajanja in mas. Predstavljeni so tudi S-parametri, ki služijo za karakterizacijo poljubnih vezij. Za zaključek teoretičnega dela je opisano delovanje vektorskega analizatorja, ki je bil uporabljen za meritve. Predstavljene so tudi transformacije, ki jih inštrument uporablja za pretvorbo pomerjenih S-parametrov v impedanco z upoštevanjem parazitnih lastnosti merilne opreme. V drugem delu je predstavljeno delo s programom SIwave™, ki je bil uporabljen za simulacijo impedanc med izbranimi točkami na načrtu tiskanega vezja. Simulirano vezje je bilo v program SIwave™ uvoženo iz programa Altium Designer, kjer je bil narisan načrt tiskanega vezja. Pokazani so rezultati simulacij ter komentarji. Za verifikacijo simulacij, so bile opravljene meritve impedanc med enakimi točkami še na realnem vezju. Meritve so bile opravljene z vektorskim analizatorjem vezji E5061B, podjetja Keysight. Opisana je izbira merilne metode ter postavitev referenčne ravnine s kalibracijo. Vsak rezultat simulacije je nato na istem grafu prikazan z ustreznim rezultatom meritve. Ujemanje in odstopanje primerjav je komentirano in argumentirano. V zadnjem poglavju je predstavljena impedančna analiza vhodne stopnje. Prikazane so meritve impedanc vhodnih linij preko katerih je senzor povezan z integriranim vezjem. Iz meritev so narejeni modeli linij, ki vključujejo parazitne komponente. Ob poznavanju parazitnih lastnosti so predstavljeni koraki za izenačitev impedančnih potekov obeh vhodnih linij, s čimer se vezju izboljša odpornost na motnje.

• Language: Slovenian
• Keywords: SIwave™, impedanca med točkami na tiskanem vezju, vektorski analizator vezji, parazitne komponente tiskanih vezij, S-parametri, kalibracija, primerjava simulacijskih in izmerjenih impedanc, impedančna optimizacija tiskanega vezja, elektromagnetna združljivost
• Work type: Master's thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2015
• PID: 20.500.12556/RUL-72772
• Publication date in RUL: 30.09.2015

Secondary language

• Language: English
• Title: Impedance optimization of the printed circuit board

Abstract

When we have to develop an electronic device and then sell it, the goal of the development isn’t only that the device does the job for which it is intended, but also that it works according to safety standards. One of the demands is electromagnetic compatibility of the device. Electromagnetic compatibility is the ability of a device to work in electromagnetic environment without producing unwanted electromagnetic fields. In general, a device must pass immunity and interference tests. When designing a printed circuit board (PCB) a specific schematic has to be followed. Final PCB includes parasitic elements that originate out of components and PCB properties. If the designer knows the influence of parasitic elements, he can foresee their effects on basic functions of the device and on the EMC. This way, he can optimize the working time and costs. The basic idea/goal of this thesis is to study the influence of parasitic elements and to simulate and measure the impedance between certain points on PCB in order to make the verification of simulations. The Master’s thesis is divided into three parts: theoretical part, simulations and measurements. The first part presents the models for analytical calculations of parasitic elements of the PCB elementary elements, which are: passive components, transmission lines, vias and cooper plates. Moreover, S-parameters are described which serve for circuit characterization. The theoretical part concludes with a description of a network analyser, its basic components and method to calculate impedance from S-parameters. SIwave and its use is presented in the second part. SIwave was used to simulate impedance between certain points on the PCB. The layout of the PCB was extracted from Altium Designer. Furthermore, results of simulations with comments are presented. To verify the simulations, measurements on a real PCB were performed. Measurements were realised using network analyser Keysight E5061B. Measurement method and calibration is described. Each result of a measurement and its corresponding simulation result are presented on the same graph. Matches and mismatches of the measurements and simulations are discussed. Last part of the thesis shows the impedance measurements of the input path. Models of input lines are defined using the results obtained from measurements. The models then serve as the reference in order to balance the impedance of the input lines. Balancing input lines means that the interference rejection ratio will be increased.

• Keywords: SIwave™, impedance between points on printed circuit board, vector network analyzer, parasitic elements of printed circuit boards, scattering parameters, calibration, comparison of impedance simulations and measurements, impedance optimization of the PCB, electromagnetic compatibility