Propriétés des lignes de transmission qui affectent l'impédance - Fonctionnalités cachées

Ici et dans plusieurs autres articles publiés dans la section des ressources Altium sur le site web de l'entreprise, le sujet de l'impédance des lignes de transmission a été abordé sous différents angles. J'ai déjà traité de l'impédance des lignes de transmission dans mon article, L'évolution de la technologie de simulation et l'impédance et, il pourrait sembler que nous ayons épuisé le champ des informations potentielles pouvant être fournies sur l'impédance, cependant, en vérité, certaines caractéristiques n'ont été abordées que brièvement. Cet article va détailler ces caractéristiques et leurs effets ainsi que les équations de base utilisées pour contrôler l'impédance des lignes de transmission.

Sources d'Impédance ou de Désaccord

Comme discuté dans les articles précédents, les quatre principales variables qui déterminent l'impédance d'une ligne de transmission sur une couche de surface incluent :

• La hauteur de la trace au-dessus du plan sur lequel elle se déplace.
• La largeur de la trace.
• L'épaisseur de la trace.
• Le matériel isolant utilisé pour soutenir la trace.

Une fois que ces quatre variables sont connues, il est possible de déterminer quelles caractéristiques dans un PCB auront un effet pertinent sur l'impédance. Ces caractéristiques incluent :

• Changements de largeur de piste dans la même couche. Cela est généralement désigné par le terme de rétrécissement de piste.
  • Le rétrécissement de piste fait référence à la réduction de la largeur de la piste lorsqu'elle approche d'une pastille plus étroite, comme celle trouvée sur un dispositif de montage en surface (SMD) ou un trou traversant qui a un diamètre inférieur à la largeur de la piste.
• Changements dans l'épaisseur de la piste.
• Changements dans la hauteur au-dessus du plan.
• Épines le long de la ligne de transmission.
• Charges le long de la ligne de transmission.
• Transitions de connecteurs.
• Terminaisons mal assorties.
• Absence de terminaisons.
• Discontinuités plus importantes du plan d'alimentation.
• Changements dans la constante diélectrique relative.

Comme noté dans des articles précédents, les virages à angle droit et les vias ne sont pas sur la liste ci-dessus car aucune de ces caractéristiques n'est une source significative de désaccord d'impédance.

Équations d'Impédance

Il existe quelques équations utiles pour calculer l'impédance. Elles sont présentées ci-dessous. Comme noté précédemment, l'impédance d'une ligne de transmission est déterminée par la capacité et l'inductance qui sont distribuées le long de la longueur de la ligne de transmission. Et, l'équation utilisée pour calculer l'impédance est répétée ici dans l'Équation 1.

Équation 1. L'Équation d'Impédance

Dans ce qui précède, Z₀ est l'impédance en ohms ; jωL₀ est l'inductance parasite en henrys par unité de longueur, jωC₀ est la capacité parasite en farads par unité de longueur et R₀ est la perte due à l'effet de peau (qui peut être ignorée jusqu'à ce que vous atteigniez des fréquences très élevées). G₀ est la perte dans le diélectrique. Comme mentionné ci-dessus, changer soit l'inductance parasite soit la capacité parasite changera l'impédance de la ligne de transmission. Il a également été démontré que les changements d'impédance provoquent des réflexions de signal. Pour plus de commodité, l'équation de réflexion est répétée dans l'Équation 2.

Équation 2. L'Équation de Réflexion

Cette équation prédit le pourcentage du champ EM incident qui sera réfléchi vers la source en fonction des deux impédances de chaque côté d'un changement où Z_l est l'impédance en aval et Z₀ est l'impédance en amont. L'équation reflète l'amplitude de tension de la réflexion.

Sur la base de l'Équation 1, il n'est pas évident de savoir quelles variables auront un effet sur l'impédance. L'Équation 3 est l'équation classique de microstrip de surface. Elle illustre les variables dans un PCB qui déterminent l'impédance.

Équation 3. L'équation classique de l'impédance de microstrip de surface

Cette équation est incluse uniquement à des fins d'illustration afin que les variables puissent être présentées. Dans un article séparé suivant celui-ci, il sera montré que cette équation ainsi que d'autres équations utilisées pour calculer l'impédance ont une plage de validité limitée. Des méthodes plus précises sont disponibles et certaines ont été discutées dans des articles précédents. L'article suivant contiendra également d'autres méthodes pour déterminer l'impédance.

Les caractéristiques communes des éléments mentionnés ci-dessus est qu'ils peuvent avoir un effet mesurable sur l'une ou l'autre des variables de l'Équation 1, l'inductance parasitaire ou la capacité parasitaire. Nous pouvons prendre ces éléments et montrer les variables qu'ils affectent.

• Changement de largeur de piste dans la même couche—C₀
• Changement d'épaisseur de piste—C₀
• Changement de hauteur de piste au-dessus du plan—C₀
• Épines le long de la ligne de transmission—C₀
• Charges le long de la ligne de transmission—C₀
• Transitions de connecteurs—C₀
• Grandes discontinuités du plan d'alimentation—C₀
• Changements dans la constante diélectrique relative—C₀
• Terminaisons mal appariées
• Pas de terminaisons

Comme on peut le voir, à l'exception des terminaisons mal appariées et de l'absence de terminaisons, toutes les sources de désadaptation d'impédance sont causées par quelque chose qui a modifié la capacité parasite. Dans les limites des dimensions des pistes sur les PCBs, comparé à C₀, L₀ est relativement constant. Cela aide lorsqu'il s'agit de concevoir des chemins de signal à impédance contrôlée ou de diagnostiquer des problèmes d'impédance.

Une fois compris que pratiquement tous les changements d'impédance le long de la ligne de transmission sont dus à des changements dans la capacité parasite, il devient plus facile de gérer ces changements et de créer un bon contrôle de l'impédance.

Le tableau 1 montre la constante diélectrique relative du stratifié communément appelé FR-4.

Tableau 1. Informations sur le stratifié pour le stratifié communément appelé FR-4

Non seulement la constante diélectrique relative change avec la fréquence, mais elle varie également en fonction de la quantité de verre et de résine utilisée pour fabriquer le stratifié. Comme on peut le voir, il existe quatre manières de fabriquer une pièce de stratifié de 4 mils d'épaisseur ; trois manières de fabriquer une pièce de stratifié de 5 mils d'épaisseur et quatre manières de fabriquer une pièce de stratifié de 6 mils d'épaisseur. De plus, notez que le ratio de verre à résine est différent dans chacune de ces formulations, tout comme l'est la constante diélectrique relative. Si un empilement de PCB est conçu pour utiliser l'une de ces formulations et que le fabricant utilise l'une des autres, l'impédance ne sera pas celle attendue. C'est la raison la plus courante pour laquelle le changement de fabricants entraîne des PCBs aux caractéristiques différentes. Pour éviter ce problème, il est nécessaire de spécifier, sur le dessin de fabrication, quelle formulation de stratifié est requise dans chaque ouverture de l'empilement.

Résumé

Comprendre les variables et les caractéristiques au sein d'un PCB qui peuvent affecter l'impédance des lignes de transmission rend la conception pour le contrôle de l'impédance plus simple dès la première fois, et facilite le dépannage de tout problème d'impédance qui peut survenir pendant la conception ou les processus de fabrication.

Vous avez d'autres questions ? Appelez un expert chez Altium ou continuez à lire pour en savoir plus sur l'intégration des calculs d'impédance dans vos règles de conception avec Altium Designer^®.

Références :

1. Ritchey, Lee W. et Zasio, John J., « Right The First Time, Un Manuel Pratique sur la Conception de PCB et de Systèmes Haute Vitesse, Volume 1. »