Impedenza elettrica delle coppie differenziali: uso di un calcolatore per progettare il PCB

Ho frequentato numerosi corsi di informatica durante la scuola superiore e mi sono sempre chiesto perché i conduttori nei cavi Ethernet erano intrecciati uno con l’altro. Non sapevo che era un semplice metodo di progettazione che assicurava che i segnali raggiungessero la loro destinazione senza interferire tra loro. A volte, le soluzioni migliori a problemi complessi sono anche le più semplici.

L’instradamento delle coppie differenziali non è limitato ai cavi Ethernet; è una delle tecniche di progettazione e instradamento più usate nei PCB ad alta velocità. I designer di schede stampate discutono spesso dell’impedenza della linea di trasmissione in termini di tracce a terminazione singola piuttosto che di tracce a coppie differenziali, ma la comprensione e il calcolo dell’impedenza delle coppie differenziali è fondamentale per controllare l’impedenza nell’intera scheda. 

Quando conta l’impedenza elettrica differenziale?

Il mancato adattamento dell’impedenza elettrica nei PCB ad alta velocità/frequenza può essere la causa di caos nei segnali. Problemi come oscillazioni dovute alla risonanza del segnale emergono quando è presente un mancato adattamento significativo nell’impedenza in una traccia a terminazione singola. Lo stesso si verifica su coppie diverse; l’eccezione è rappresentata dalle coppie con terminazione collegate a un carico con un’impedenza elevata in ingresso (ad es., LVDS). Proprio come l’impedenza a terminazione singola, l’impedenza delle coppie differenziali conta quando la traccia si comporta come una linea di trasmissione differenziale, che quindi dipende dal ritardo della trasmissione su una determinata traccia.

Nel caso in cui il tempo di salita del segnale sia molto breve, l’impedenza delle coppie differenziali deve essere adattata ai componenti di origine e di carico. L’adattamento dell’impedenza elettrica non è normalmente richiesto a meno che il mancato adattamento tra una traccia e i suoi componenti a monte e a valle sia ampio. Dovrete determinare la lunghezza critica oltre la quale viene effettuato l’adattamento dell’impedenza osservando il mancato adattamento dell’impedenza consentita per lo standard del segnale. Questa lunghezza effettiva può essere riconvertita in un tempo di salita per un segnale digitale o in una frazione della lunghezza d’onda sulla coppia per un segnale analogo.

Se il tempo di crescita del segnale è inferiore al doppio del ritardo della trasmissione di andata e ritorno lungo la traccia, la traccia deve essere trattata come una linea di trasmissione. Se volete essere conservativi, dovete sempre adattare l’impedenza in PCB ad alta velocità e alta frequenza quando le larghezze di banda si estendono nella gamma GHz, semplicemente perché le lunghezze d’onda del segnale/lunghezze del ritardo di propagazione saranno dell’ordine di pochi cm. Una regola standard del settore più conservativa consiste nel trattare una traccia come una linea di trasmissione se il ritardo della trasmissione della traccia è superiore al 10% del ritardo della trasmissione di andata e ritorno critico definito dal tempo di salita o dal periodo di oscillazione. In caso di dubbi, è più sicuro adattare l’impedenza al fine di evitare problemi dalla riflessione del segnale.

_{Instradamento delle coppie differenziali e vie su un PCB}

Calcolo dell’impedenza elettrica differenziale rispetto all’impedenza a terminazione singola

L’impedenza elettrica delle tracce (a terminazione singola e differenziale) è normalmente calcolata ignorando eventuali tracce vicine, indipendentemente dal fatto che contengano un segnale di propagazione. In aggiunta, l’impedenza a terminazione singola è normalmente calcolata come l’impedenza caratteristica piuttosto che come l’impedenza in ingresso; il tipo di componente (corto, aperto o carico) a cui è collegata la traccia non ci preoccupa. Nelle coppie differenziali, in cui presupponiamo che una traccia vicina propaghi una corrente di ritorno nella direzione opposta come la traccia del segnale, il valore dell’impedenza differenziale è determinato dall’accoppiamento capacitivo e induttivo tra ogni traccia nella coppia.

Le coppie differenziali stripline e microstriscia hanno valori dell’impedenza elettrica diversi a causa della presenza del substrato, proprio come nelle tracce a terminazione singola. Le stripline simmetriche e asimmetriche o le microstrisce integrate hanno anche valori dell’impedenza diversi rispetto a una microstriscia superficiale o una stripline singola. Il dielettrico del substrato e la geometria determinano la costante dielettrica effettiva vista dai segnali su una traccia microstriscia, che inoltre modifica il tempo di ritardo critico e determina se la traccia a terminazione singola agisce come una linea di trasmissione.

_{Accoppiamento in una coppia differenziale, che determina l’impedenza elettrica differenziale.}

Per l’impedenza elettrica delle coppie differenziali, esistono alcune semplici formule che potete usare per stimare l’impedenza della coppia (non collegata ad alcun carico) usando solo l’impedenza caratteristica e la forza dell’accoppiamento. Date un’occhiata a questo webinar con Ben Jordan per scoprire di più su questo calcolo e per vedere una semplice formula per le microstrisce differenziali.

Per i segnali digitali e i segnali analogici a banda larga, dobbiamo prendere in considerazione lo spettro di frequenza del segnale quando si calcola l’impedenza differenziale. Per i matematici, il contenuto della frequenza in un segnale digitale può essere rappresentato come la somma delle frequenze analogiche e ogni porzione analogica di un segnale digitale vedrà una costante dielettrica leggermente diversa a causa della dispersione cromatica presente nel dielettrico. Ciò significa che l’accoppiamento in una coppia differenziale che trasposta segnali digitali varia all’interno dello spettro di frequenza di un segnale digitale o di un segnale analogico a banda larga.

Questi fatti rendono piuttosto complesso il calcolo dell’impedenza elettrica delle coppie differenziali e dell’impedenza di una traccia a terminazione singola se non si dispone di un modello che definisce la dispersione nel dielettrico. Se non amate risolvere equazioni sul differenziale parziale accoppiato (vedere le equazioni del Telegrapher), il calcolatore dell’impedenza differenziale giusto può aiutarvi a determinare la larghezza, la separazione e la distanza della traccia appropriate dal piano di riferimento per il valore dell’impedenza differenziale desiderato.

Calcolatori dell’impedenza elettrica differenziale

Per lavorare con tanti calcolatori dell’impedenza differenziale occorre conoscere in anticipo la costante dielettrica della traccia. A tale scopo vi servirà un altro calcolatore realizzato su misura sulla base della vostra geometria specifica oppure dovrete calcolare manualmente la costante dielettrica per ogni frequenza del vostro substrato PCB. Una volta che avete calcolato la costante dielettrica e avete scelto la disposizione della traccia, siete pronti per iniziare a eseguire i calcoli per determinare la geometria appropriata. Potete adattare i parametri geometrici fino a ottenere il livello di impedenza elettrica desiderato o potete limitare la geometria e usare il valore dell’impedenza calcolato per l’adattamento dell’impedenza nel vostro PCB.

Il valore dell’impedenza differenziale restituito dalla maggior parte dei calcolatori è uguale alla somma dell’impedenza di ogni traccia (inclusi i contributi dall’accoppiamento). Dividendo questo valore per 2 si ottiene il valore dell’impedenza dispari di ogni traccia. Come caso limite, la configurazione della separazione tra le tracce a un valore molto grande fa sì che l’impedenza di una traccia converga nell’impedenza caratteristica di una traccia a terminazione singola con la stessa geometria.

Uno svantaggio comune a molti calcolatori dell’impedenza differenziale online è rappresentato dall’incapacità di calcolare l’impedenza come una funzione della frequenza. Alcuni calcolatori RF eseguono calcoli solo a una frequenza specifica, in genere 2,4 GHz, o forzano a specificare una frequenza singola a scelta. L’impedenza della coppia differenziale e i suoi parametri S sono dipendenti dalla frequenza a causa della dispersione (come menzionato sopra) e dell’effetto di un componente di carico sull’impedenza in ingresso in tracce moderatamente lunghe. Tutti i calcolatori della coppia differenziale che ho avuto modo di vedere online non tengono in considerazione questi aspetti, ma calcolano semplicemente l’impedenza di una coppia differenziale isolata.

_{Per la buona riuscita della vostra progettazione PCB è necessario avere un buon calcolatore dell’impedenza elettrica}

Per l’adattamento dell’impedenza elettrica, l’impedenza in ingresso è importante poiché è l’impedenza vista da un segnale mentre entra nella coppia differenziale. Nel dominio della frequenza, lo spettro dell’impedenza in ingresso ha un minimo nelle frequenze di gamma media a causa della risonanza e aumenta a frequenze sia inferiori che superiori. Nel dominio temporale, il minimo si attesta in un determinato tempo di salita/periodo di oscillazione, seguito da un aumento monotonico dell’impedenza che corrisponde all’aumento del periodo/tempo di salita del segnale fino al tempo di ritardo di andata e ritorno. Questo è il momento in cui è importante disporre di un software di progettazione efficiente e di strumenti di simulazione eccellenti.

Controllo dell’impedenza elettrica delle coppie differenziali con un risolutore di campo integrato

Quando i vostri strumenti di instradamento sono realizzati sulla base di un risolutore di campo integrato, potrete definire un profilo d’impedenza a terminazione singola o differenziale per le vostre tracce. Potrete anche controllare l’instradamento della coppia differenziale rispetto alle tolleranze dell’impedenza durante la creazione del layout. Non dovrete calcolare manualmente le dimensioni o la distanza tra le tracce; queste ultime saranno determinate come una funzione delle frequenza mentre create la vostra sequenza PCB.

Un software di layout PCB eccellente come Altium Designer vi consente di disporre le coppie differenziali con facilità nella vostra prossima progettazione ad alta velocità o ad alta frequenza. Lo strumento ActiveRoute, lo strumento xSignals e il risolutore per campi integrato possono aiutarvi a instradare con facilità le coppie differenziali con un’impedenza differenziale controllata. Avrete a disposizione gli strumenti di cui avete bisogno per analizzare e prevenire problemi del segnale che possono emergere a causa del mancato adattamento dell’impedenza. Per maggiori informazioni su Altium Designer contattate subito un esperto Altium.