Largeur de piste en stripline vs. microstrip pour une impédance souhaitée : Sont-elles identiques ?

De temps en temps, je reçois une question intéressante concernant le routage, l'agencement, l'intégrité du signal ou des sujets similaires. J'essaie d'y répondre lorsque je ne suis pas trop occupé, mais parfois, l'une d'elles attire mon attention et je ressens le besoin de partager la réponse avec davantage de concepteurs. Sans plus tarder, voici une question que j'ai reçue à propos de la largeur requise pour une impédance contrôlée entre une stripline et une microstrip.

J'ai une question concernant la microstrip et la stripline. Est-il possible d'utiliser la même valeur de T, H et W pour la ligne de transmission à la fois pour la microstrip et la stripline ? Je souhaite que l'impédance pour la stripline soit d'environ 32 ohms.

La question semblait un peu vague au début, mais je l'ai interprétée comme suit : Si je détermine la meilleure largeur pour une microstrip, puis-je utiliser la même largeur pour une stripline, en considérant le même poids de cuivre et la même distance par rapport au plan de référence ? J'aime ce type de question car elle revient à certains aspects importants et souvent négligés du routage et de la conception des pistes. Creusons cela un peu plus profondément car cela soulève des domaines intéressants de la conception à haute vitesse et du contrôle de l'impédance dans les PCBs.

La réponse courte : Regardez les lignes de champ !

Non, vous ne pouvez pas utiliser la même largeur pour deux géométries de ligne de transmission différentes et vous attendre à avoir la même impédance. Nous pouvons voir cela mathématiquement et conceptuellement. D'un point de vue conceptuel, les pistes sur un microstrip émettent leur champ dans le masque de soudure et l'air au-dessus du diélectrique. La force du champ dans ces régions est différente de celle dans le diélectrique, donc nous ne pouvons pas raisonnablement nous attendre à ce que ces lignes de champ produisent le même motif de contour et courant de déplacement dans le plan de référence qu'une ligne de champ qui pointe directement à travers le diélectrique vers le plan de référence. Cette variation de la valeur Dk autour de la piste fait que les signaux sur un microstrip ont une vitesse déterminée par une constante diélectrique effective, plutôt que par la valeur brute de Dk du substrat du PCB.

Dans une stripline, le champ électrique ne passe que par le diélectrique ; il n'y a pas d'air. En d'autres termes, la constante diélectrique est juste la valeur Dk ; il n'y a pas de "Dk effectif" de la même manière qu'un microstrip. Cela signifie, pour une ligne de champ donnée passant d'une stripline à travers le diélectrique, nous nous attendrions à un courant de déplacement plus important dans les plans de référence, donc nous nous attendrions à ce que l'impédance caractéristique mesurée entre la stripline et le plan de référence soit plus faible.

Il s'avère que les lignes de champ sont beaucoup plus utiles qu'elles ne le semblent dans les données de simulation. Si vous souhaitez obtenir un regard plus approfondi, il est utile d'examiner les équations décrivant l'impédance caractéristique des deux types de lignes de transmission.

La réponse détaillée : Examinez les équations de Stripline vs. Microstrip !

Pour vraiment voir comment l'impédance d'une stripline et d'un microstrip varie avec la largeur, nous devons commencer par l'impédance caractéristique de ces lignes de transmission. Jetez un œil à ces articles pour trouver ces équations :

• Clarification des calculateurs et formules d'impédance de trace
• Calculateurs et formules d'impédance de Stripline symétrique

Pour vraiment voir comment les largeurs de trace pour ces lignes de transmission se comparent, nous devons tracer l'impédance caractéristique par rapport à la largeur de trace. Cela peut être facilement visualisé si nous varions la largeur (vraiment, le rapport W/H dans ces équations) tout en gardant tous les autres paramètres constants.

L'image ci-dessous montre la partie réelle calculée de l'impédance caractéristique d'un micro-ruban et d'une ligne stripline sur FR4 (Dk = 4.4, tangente de perte = 0.02). J'ai supposé une carte à 8 couches avec un espacement égal entre les couches diélectriques pour simplifier, et le poids du cuivre était fixé à 0,5 oz/pi². La ligne stripline est également symétrique par rapport aux plans de référence. Ici, je me suis concentré sur l'impédance réelle car la partie imaginaire est très petite.

De toute évidence, nous ne pouvons pas utiliser la même largeur pour un micro-ruban et une ligne stripline et nous attendre à voir la même impédance caractéristique, même si tout le reste est constant. À partir de là, nous pouvons voir que, pour la constante diélectrique et l'empilement de couches que j'ai utilisés, un micro-ruban d'environ 16 mil aura à peu près la même impédance qu'une ligne stripline d'environ 7 mil. Les courbes ci-dessus ne doivent pas être confondues avec l'impédance d'entrée, qui dépend de la longueur de la ligne et de l'impédance d'entrée à la charge, qui dépend alors du schéma de terminaison.

Si vous voulez voir ce qui se passe dans une situation plus réaliste, nous devons prendre en compte l'impédance d'entrée car c'est ce qu'un signal va rencontrer lorsqu'il est injecté depuis le driver sur la ligne de transmission. Le graphique ci-dessous montre l'amplitude de l'impédance d'entrée pour un micro-ruban et une ligne striée de 1 m de long à une bande passante de 1 GHz (350 ps de temps de montée pour un signal numérique) avec une capacité de charge de 10 pF avec une terminaison parallèle (shunt) à 50 Ohms.

Ce graphique devrait illustrer l'importance de la terminaison dans les lignes de transmission. Il existe une gamme de largeurs où l'impédance peut se situer au-dessus ou en dessous de la valeur cible. Encore une fois, nous ne pouvons pas simplement utiliser la largeur déterminée pour un micro-ruban et s'attendre à voir la même impédance d'entrée pour une ligne striée, et vice versa. Fait intéressant, pour cet arrangement particulier, la ligne striée atteint ~50 Ohms sur une étroite gamme de largeurs. Si l'impédance d'entrée de la charge ou l'impédance de terminaison changent, nous n'aurons pas la même condition.

Au lieu de deviner la largeur de piste correcte pour la conception à impédance contrôlée, Altium Designer vous donne accès au solveur de champ 3D intégré de Simberian pour vous aider à créer rapidement des profils d'impédance pour vos PCBs à haute vitesse et haute fréquence. Vous pourrez voir instantanément les compromis entre la largeur de votre stripline par rapport à votre microstrip et l'impédance au moment de la création de votre carte. Vous disposerez également des fonctionnalités nécessaires pour déterminer le bon schéma de terminaison pour vos PCBs à haute vitesse.

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