Calcul de l'impédance de ligne de transmission de circuit imprimé

Les conceptions haute vitesse ne peuvent pas fonctionner correctement sans un calcul précis de l’impédance des lignes de transmission. Les pistes qui supportent des signaux à vitesse de transmission rapide agiront comme des lignes de transmission, et ce même lorsque leurs longueurs sont courtes. Les meilleures pratiques en matière de conception à haut débit recommandent que, au minimum, les pistes conçues soient proches de l’impédance requise pour réduire autant que possible les pertes de retour.

Pour obtenir un résultat d’impédance précis, vous pouvez toujours calculer l’impédance à la main, ce qui est laborieux pour les formules complexes. Pour aider les concepteurs dans l’agencement des blocs fonctionnels de leur circuit imprimé, nous avons compilé un ensemble de calculateurs d’impédance de lignes de transmission qui utilisent les formules analytiques les plus précises.

Une fois que vous avez une estimation initiale de la largeur de piste dont vous aurez besoin pour obtenir une impédance précise, vous pouvez aller encore plus loin et utiliser notre excellent éditeur d’empilage des couches qui intègre un calculateur d’impédance et vous permet de déterminer la largeur de piste requise.

Fonctionnement des calculateurs d’impédance de ligne de transmission

Les calculateurs de ligne de transmission fonctionnent tous sur le même principe : déterminer une valeur d’impédance pour une géométrie de ligne de transmission particulière. Si l’on s’intéresse au mode de fonctionnement de ces calculateurs, l’impédance d’une ligne de transmission dans un circuit imprimé peut être calculée de quatre manières :

1. Utiliser les paramètres R, L, C, G des équations des télégraphistes pour calculer l’impédance de la ligne de transmission
2. Construire un modèle à partir de données expérimentales mettant en rapport l’impédance et la géométrie de la piste et l’utiliser pour calculer l’impédance
3. Utiliser une technique analytique qui donne une impédance sans dispersion et sans perte à partir des équations de Maxwell, telle que la méthode de Wheeler utilisée dans les équations de Wadell
4. Utiliser un solveur de champs pour résoudre numériquement le champ électromagnétique des équations de Maxwell, puis utiliser le champ pour déterminer l’impédance

Les calculateurs d’impédance de ligne de transmission, tels que ceux que vous pouvez trouver en ligne, utilisent la méthode n° 2 (pour les calculateurs basés sur la norme IPC-2141) ou la n° 3 (pour des calculs plus précis ab initio). Si vous n’avez pas accès à un solveur de champs, l’approche n° 3 ci-dessus vous donnera les résultats les plus précis, à condition que vous disposiez de la bonne application de calcul.

L’ensemble de calculateurs d’impédance de ligne de transmission ci-dessous utilise la méthode n° 3 pour donner des résultats raisonnablement précis dans la plage basse des GHz. Les liens ci-dessous vous permettent d’accéder à un calculateur gratuit que vous pouvez utiliser pour obtenir une estimation raisonnablement précise de l’impédance des lignes de transmission avant d’utiliser une application plus avancée.

Quatre calculateurs d’impédance gratuits

Les calculateurs d’impédance ci-dessous sont entièrement libres d’accès et d’utilisation. Ces calculateurs renvoient une valeur d’impédance pour les valeurs des paires de largeur de piste, d’épaisseur de substrat et de poids de cuivre. Pour les utiliser afin de concevoir une impédance cible, il suffit de saisir diverses valeurs géométriques pour la largeur de piste jusqu’à ce que le calculateur renvoie l’impédance cible.

• Calculateur d’impédance de microruban
• Calculateur d’impédance de ligne ruban
• Calculateur d’impédance de microruban différentiel
• Calculateur d’impédance de ligne ruban différentiel

Les géométries standard prises en charge par ces calculateurs d’impédance de piste sont illustrées dans le graphique ci-dessous. Ces agencements de lignes de transmission sont utilisées dans les logiciels de conception de PCB. Si un agencement coplanaire est sélectionné, vous pouvez vous approcher de ce style de routage de piste en définissant au moins 10 mil, pourvu que l’épaisseur diélectrique soit d’environ 10 mil ou moins.

Les modèles utilisés dans ces calculateurs d’impédance de ligne de transmission reposent sur les équations de Wadell, connues pour donner des valeurs d’impédance sans perte et extrêmement précises. Même s’ils ne sont pas parfaitement exacts en raison de certains facteurs liés aux matériaux réels, ils sont utiles pour obtenir une estimation rapide de l’impédance des pistes pour les géométries ci-dessus. Les principaux facteurs qui limitent la précision des calculateurs d’impédance à des fréquences progressivement plus élevées sont les suivants :

• La rugosité du cuivre
• Les pertes et les dispersions diélectriques
• Les parasites, en particulier la capacité parasite

Lorsque la fréquence de fonctionnement devient trop importante, le résultat obtenu avec un calculateur tel que ceux mentionnés ci-dessus ne correspondra pas aux valeurs réelles que vous trouverez sur un circuit imprimé. Pour un signal numérique, il s’agit du cas dans lequel le bord montant d’un signal passant sur la ligne de transmission devient très rapide et la majeure partie du contenu du signal est concentrée sur la plage des GHz.

Pour les signaux RF, cela devient important dans la plage supérieure des GHz (au-dessus du Wifi 5,8 GHz). La vidéo ci-dessous présente quelques facteurs qui expliquent pourquoi les calculateurs d’impédance de piste de circuit imprimé ont une précision moindre à des fréquences plus élevées.

Gagnez en précision avec le gestionnaire d’empilage de couches d’Altium

Les calculateurs présentés ci-dessus constituent un excellent point de départ pour vous aider à déterminer rapidement la largeur de piste approximative nécessaire pour atteindre votre impédance cible dans votre empilage de couches. Cependant, même les formules analytiques très précises utilisées pour créer ces calculateurs ont leurs limites quand on dépasse une certaine plage de fréquences. Dans ce cas, vous devez utiliser un outil plus avancé dans votre éditeur de PCB pour créer votre empilage de couches.

Pour obtenir des résultats beaucoup plus précis, utilisez le gestionnaire d’empilages de couches (Layer Stack Manager) d’Altium Designer®. Cet utilitaire est fourni par défaut dans l’éditeur de circuits imprimés d’Altium Designer et comprend un solveur de champs électromagnétiques intégré pour les calculs d’impédance. L’outil d’impédance fournit des résultats d’impédance très précis pour les agencements de lignes de transmission asymétriques, différentielles et coplanaires, y compris pour les lignes rubans asymétriques. Les résultats peuvent ensuite être appliqués à des réseaux ou à des groupes de réseaux en tant que règle de conception afin de vous assurer une impédance constante dans l’ensemble de vos interconnexions.

Altium Designer comprend tout ce dont vous avez besoin pour concevoir des appareils électroniques avancés avec des signaux numériques haute vitesse et des signaux RF. Une fois que vous avez terminé votre circuit imprimé haute vitesse et que vous êtes prêt à partager vos conceptions avec vos collaborateurs ou votre fabricant, vous pouvez partager vos conceptions terminées via la plateforme Altium 365™. Tout ce dont vous avez besoin pour concevoir et produire des composants électroniques avancés se trouve dans une seule et même suite logicielle.

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