Импеданс (англ. impedance, Z) — это комплексное сопротивление (complex resistance) линейной электрической цепи переменному току синусоидальной формы, учитывающее как активное сопротивление (R, resistance), так и реактивное сопротивление (X, reactance), обусловленное ёмкостью (C, capacitance) и индуктивностью (L, inductance) цепи. Измеряется в омах (Ω) и представляется в виде комплексного числа:
Z = R + jX
где j — мнимая единица. В контексте печатных плат ключевое значение имеет волновое сопротивление (characteristic impedance, Z₀) линии передачи (transmission line), определяющее передачу высокочастотных и высокоскоростных цифровых сигналов без искажений.
Физические основы и расчёт для печатных плат
Для однородной линии передачи без потерь волновое сопротивление определяется распределёнными параметрами:
Z₀ = √(L / C)
где L и C — индуктивность и ёмкость на единицу длины. На печатной плате эти параметры зависят от геометрии проводника (trace) и свойств диэлектрика (Dielectric). Основными моделями расчёта являются однополосовая линия, двухполосковая линия (stripline), встроенная и поверхностная микрополосковые линии (embedded and surface microstrip).
Формулы для расчёта, например, для микрополосковой линии, включают ширину проводника (W), его толщину (T), расстояние до плоскости земли (H) и диэлектрическую проницаемость материала (εᵣ). Для материала FR-4 (εᵣ ≈ 4.2–4.5) типичные значения Z₀ составляют 50 Ом (однопроводные линии) или 100 Ом (дифференциальные пары).
Контроль импеданса в производстве и проектировании
Обеспечение целостности сигнала в высокоскоростных интерфейсах (PCIe, DDR, USB) требует строгого согласования импеданса на всём пути прохождения сигнала. Допустимое отклонение обычно составляет ±10%. Производитель плат достигает этого за счёт контроля критичных параметров: точной ширины проводника (с учётом коррекции на подтравливание), толщины диэлектрика после ламинирования и сертифицированной диэлектрической проницаемости (Dk) материала, например, Isola FR408HR или Rogers RO4350B.
Измерение и тестирование
Проверка импеданса на готовых платах проводится с помощью рефлектометров. На производственную панель добавляются тестовые купоны с контрольными линиями передачи, идентичными по конструкции критичным сигнальным трассам на плате. Измерение выполняется методом рефлектометрии во временной области (TDR). Полученные данные сравниваются с допусками, заданными в соответствии со стандартами, например, IPC-6012 или IPC-6018.
Факторы влияния и материалы
На конечный импеданс влияют дистанция до опорной плоскости, геометрия проводника (включая его края), толщина меди (обычно 17.5 или 35 мкм), структура стеклоткани в материале и стабильность диэлектрической проницаемости. Для высокочастотных применений выбирают материалы с низкими потерями и стабильным Dk.
Источники: IPC-2141 «Design Guide for High-Speed Controlled Impedance Circuit Boards», IPC-2221 «Generic Standard on Printed Board Design», стандарты IEC 61188-5, технические спецификации на материалы IPC-4101.