Come progettare secondo una specifica di impedenza differenziale

Il concetto e l'implementazione dell'impedenza differenziale sono spesso fraintesi. Inoltre, la progettazione di un canale per raggiungere una specifica impedenza differenziale è spesso eseguita in modo disordinato. A volte, ripensando ai vecchi progetti, rifletto su come ho progettato le tracce per raggiungere una specifica di impedenza differenziale e mi rendo conto che forse avrei potuto fare meglio e risparmiarmi alcuni mal di testa se avessi avuto una migliore comprensione dell'impedenza differenziale.

Il concetto stesso di impedenza differenziale è in qualche modo una costruzione matematica che non cattura completamente il comportamento di ogni segnale in una traccia differenziale. L'impedenza differenziale è una scorciatoia per un altro valore importante, l'impedenza in modo dispari, e viceversa. Quindi, di cosa abbiamo bisogno per progettare e come possiamo assicurarci che i segnali siano decodificati correttamente al ricevitore? Continuate a leggere per sapere cos'è l'impedenza differenziale e vedere un po' più in dettaglio come progettare secondo una specifica di impedenza differenziale e cosa significa esattamente per il vostro progetto.

Definizione dell'Impedenza Differenziale

L'impedenza differenziale si riferisce a una proprietà fondamentale dei segnali differenziali. Tutti i segnali differenziali vengono interpretati da un componente ricevitore come un segnale di differenza (da qui il nome "differenziale"). Un modo per pensare a un segnale differenziale è questo: è una perturbazione elettromagnetica in propagazione che coinvolge due segnali diversi, idealmente inviati insieme lungo una coppia di tracce. Quando diciamo "perturbazione elettromagnetica", intendiamo le distribuzioni di campo elettrico e magnetico intorno alle due tracce. Questo, dopotutto, è il punto principale dei conduttori in un PCB: guidare e trasportare il campo elettromagnetico intorno al layout.

Quindi, è interessante vedere come la perturbazione elettromagnetica creata da questa coppia di segnali si propaga lungo le due tracce. Per fare ciò, avremmo bisogno:

• Dell'impedenza della linea di trasmissione sperimentata dal campo elettromagnetico
• La costante di propagazione per questa perturbazione

Se si conosce uno di questi valori, allora si può determinare l'altro valore. Il punto della progettazione differenziale per una specifica impedenza differenziale è assicurare che il campo elettromagnetico che iniettiamo in un canale sia interpretato come lo stesso (o quasi lo stesso) campo elettromagnetico ricevuto all'estremità del carico di un canale.

Ciò che dovrebbe essere interessante qui è come viene utilizzato il campo generato da ogni traccia. Con questo intendo che ci interessa o la differenza tra i due segnali (i loro campi) o la loro somma, a seconda della funzionalità del ricevitore. Pertanto, in termini di equazioni del telegrafista, vogliamo esaminare la propagazione della differenza tra quei due segnali, qualcosa che è un argomento matematicamente impegnativo e richiede la definizione di capacità e induttanza mutua tra le tracce.

Formule per l'Impedenza Differenziale

Calcolare l'impedenza differenziale è un esercizio nel calcolare un'altra quantità importante, che è l'impedenza in modo dispari. Quando due tracce sono instradate come una coppia differenziale e pilotate con un segnale differenziale, l'impedenza di una singola traccia sarà il valore dell'impedenza in modo dispari.

Purtroppo, non ci sono molti buoni modelli analitici per l'impedenza differenziale, o più specificamente, per l'impedenza in modalità dispari. Se si consulta il Manuale di Progettazione delle Linee di Trasmissione di Brian C. Wadell, si scopre che determinare l'impedenza per una coppia di microstrip richiede l'uso di 70 formule (Vedi sezione 4.5). Non si tratta di un errore di battitura, ci vogliono davvero un totale di 70 formule per calcolare l'impedenza in modalità dispari o pari per una coppia di microstrip. Se si desidera lavorare con disposizioni coplanari o tracce asimmetriche, si avranno bisogno di meno formule ma sarà necessario valutare un integrale ellittico, cosa che non ho mai fatto e che richiederebbe un'applicazione come MATLAB o Mathematica.

Si potrebbe ottenere l'induttanza mutua o la capacità mutua direttamente dalle equazioni di Maxwell, anche se questi risultati sono oggetto di molti articoli di ricerca e i risultati non sono sempre così facili da usare. Tendono a coinvolgere insiemi di grandi e brutte formule di impedenza differenziale che hanno diversi parametri. Questo è il motivo per cui così tanti calcolatori di impedenza differenziale che si trovano online utilizzano semplicemente le formule IPC-2141A, che sono un'approssimazione con meno formule di impedenza differenziale.

Si dovrebbe usare l'Impedenza Caratteristica o in Modalità Dispari?

In breve, l'impedenza in modo dispari è il valore che viene utilizzato per la terminazione. C'è qualcosa di molto importante da notare riguardo l'impedenza in modo dispari che avrei voluto mi fosse stato detto molto tempo fa:

• L'impedenza in modo dispari di una traccia non è sempre uguale all'impedenza caratteristica della traccia.

Se capovolgiamo la questione, possiamo riformulare quanto sopra nel modo seguente:

• La larghezza della traccia richiesta per una specifica impedenza in modo dispari non è sempre la stessa della larghezza della traccia richiesta per una specifica impedenza caratteristica.

In altre parole, la specifica dell'impedenza differenziale per il tuo standard di segnalazione elenca una specifica impedenza differenziale, e devi raggiungere questo obiettivo progettando in modo differenziale rispetto all'impedenza in modo dispari. A causa di ciò, il valore che normalmente viene citato per la terminazione parallela al ricevitore è normalmente il doppio dell'impedenza in modo dispari, ma ciascuna estremità della traccia si preoccupa solo dell'impedenza in modo dispari di ogni traccia individualmente, non necessariamente dell'impedenza differenziale.

A seconda della distanza e dello spessore dielettrico, potresti essere in grado di impostare la larghezza della traccia dell'impedenza caratteristica vicino allo stesso valore della larghezza della traccia dell'impedenza in modo dispari.

Calcolo della Larghezza e della Distanza

Se calcoli la larghezza che una traccia richiede per raggiungere un obiettivo di impedenza caratteristica (ad es., 50 Ohm), e poi inserisci quella larghezza in un calcolatore di impedenza differenziale, scoprirai che non otterrai sempre un risultato utile per lo spazio; lo spazio potrebbe essere troppo piccolo (<4 mil) e potrebbe essere al di fuori delle capacità di produzione per un dielettrico molto sottile. Al contrario, lo spazio potrebbe risultare molto grande per un dielettrico più spesso. Infatti, su un PCB a 2 strati di spessore standard, la larghezza della traccia richiesta per una microstriscia per raggiungere un'impedenza di 50 Ohm è di circa 105 Ohm su un nucleo standard. Affinché una traccia individuale abbia un'impedenza in modo dispari uguale all'impedenza caratteristica, il tuo risolutore di campo ti dirà che devi avere le tracce separate da una quantità enorme. Se stai utilizzando un risolutore di campo, scoprirai che probabilmente smette di convergere quando lo spazio è di circa 10 pollici! Chiaramente, anche questo non è utile.

In generale, esistono molte combinazioni di spaziatura e larghezza delle tracce che ti permetteranno di soddisfare una specifica di impedenza differenziale. Quello che stai realmente progettando è l'impedenza in modo dispari, non l'impedenza differenziale, l'impedenza differenziale è solo una specifica che definisce l'impedenza in modo dispari. Quindi, dobbiamo chiederci, come determiniamo l'impedenza in modo dispari e la combinazione "migliore" in modo oggettivo di larghezza e spaziatura delle tracce senza formule?

Confronto tra Larghezza e Spaziatura per Microstrip Differenziali

Per vedere quale combinazione di larghezze e spaziature delle tracce darà un'impedenza differenziale desiderata, diamo un'occhiata ad alcuni risultati di simulazione. Nell'esempio sottostante, seguirò il seguente processo

• Calcolare la spaziatura delle tracce necessaria per una specifica larghezza di traccia in una coppia di microstrip differenziali con l'obiettivo di raggiungere un'impedenza differenziale target di 100 Ohm.
• Scansionare attraverso più valori di spessore dielettrico (distanza al piano di riferimento del microstrip).
• Per ogni valore di spessore dielettrico, notare la larghezza della traccia necessaria per un'impedenza caratteristica di 50 Ohm.

Li farò in Altium Designer con il Layer Stack Manager in modo che gli utenti possano replicarli. Nel grafico qui sotto, ho mostrato un insieme di valori di spaziatura richiesti per microstrip differenziali per diverse larghezze di traccia e spessori dielettrici (indicati qui sotto come H, tracciati per un obiettivo di impedenza differenziale di 100 Ohm e Dk = 4.8, senza considerare dispersione o rugosità). L'idea qui è determinare la spaziatura richiesta per una data larghezza con l'obiettivo di raggiungere un specifico valore di impedenza differenziale.

Si noti che l'asse y è su una scala logaritmica per chiarezza. Potremmo generare un nuovo insieme di curve per altri valori di Dk e valori di impedenza delle coppie differenziali. Queste curve dovrebbero illustrare il ruolo dello spessore dielettrico; man mano che la distanza da un microstrip al suo piano di massa aumenta, il rapporto larghezza-spaziatura richiesto per raggiungere 100 Ohm di impedenza dipende meno dalla distanza al piano di massa (vedi le curve di impedenza di 60 mils e 45 mils).

Come si confrontano i valori di larghezza mostrati sopra con il valore richiesto per un'impedenza caratteristica di 50 ohm? Il grafico qui sotto mostra questi valori. Questo è un bel modello lineare che illustra la saturazione che si verifica a larghezze di traccia ampie; quando la traccia è larga, il rapporto larghezza-spessore diventa costante.

Ora, con i valori mostrati sopra per l'impedenza caratteristica e le coppie larghezza/interasse delle tracce, possiamo determinare l'interasse che fa sì che la larghezza della traccia per un'impedenza in modo dispari di 50 Ohm produca anche un'impedenza caratteristica di 50 Ohm.

Questo grafico potrebbe sembrare complicato, ma ha un'interpretazione semplice. Il valore di interasse in cui ogni curva incrocia 1 sull'asse delle ordinate farebbe sì che la larghezza della traccia nella coppia differenziale sia uguale alla larghezza della traccia quando la traccia non fa parte di una coppia differenziale, pur fornendo la stessa impedenza. In altre parole, la traccia in isolamento e la traccia nella coppia avrebbero la stessa larghezza e un'impedenza di 50 Ohm a un specifico valore di interasse per ogni spessore dielettrico.

Sfortunatamente, l'impedenza in modo dispari e l'impedenza caratteristica non sono mai uguali; ciò accadrebbe solo nel limite di grande interasse, o man mano che le coppie si separano per una distanza infinita! Il valore dove y = 1 è un'asintoto su questo grafico. Se il dielettrico è sottile (<15 mils), allora si avvicinerà ad avere le larghezze delle tracce coincidenti per un dato interasse delle tracce nella coppia differenziale.

Come esempio, se prendiamo il dielettrico da 5 mils nella Figura 3 e calcoliamo la larghezza della traccia per l'impedenza in modo dispari, otterremmo 6.184 mils. Se poi uso questo per calcolare l'impedenza caratteristica, otterrei un valore di 55 Ohm, o solo una deviazione del 10%. Questo è circa il limite massimo delle deviazioni di impedenza che potresti accettare in alcuni standard di segnalazione. Come esempio, USB SuperSpeed è più tollerante e consente una vasta variazione nell'impedenza del paio differenziale (e quindi nell'impedenza in modo dispari).

Utilizzare la Spaziatura e la Larghezza della Traccia a Proprio Vantaggio

Potresti chiederti, è davvero così importante avere una singola larghezza di traccia che funzioni sia per l'impedenza caratteristica che per quella in modo dispari? Ci sono tre buoni motivi per questo:

• Converte il problema della progettazione di un canale differenziale da uno che coinvolge 2 variabili a uno che coinvolge 1 variabile: la spaziatura.
• È più facile per i fabbricanti garantire un'impedenza controllata quando si progetta per una singola larghezza di traccia che funziona sia per l'impedenza differenziale che per quella a terminazione singola. A seconda delle tolleranze nel tuo design, potresti essere in grado di utilizzare una larghezza per rientrare nelle tolleranze sia per le specifiche a terminazione singola che per quelle differenziali.
• Puoi separare le tracce mentre instradi il canale differenziale, anche molto vicino al ricevitore, e non dovrai preoccuparti delle riflessioni poiché ogni estremità della traccia corrisponderà all'impedenza di ingresso per ogni porta come visto guardando nel ricevitore.

Nota che ciò è più facile su dielettrici più sottili, non avrai quasi lo stesso livello di corrispondenza tra la larghezza caratteristica della traccia e la larghezza della traccia in modalità dispari su un dielettrico spesso. Potresti anche optare per uno stile alternativo come le coppie differenziali coplanari se vuoi avere più margine di manovra lavorando con dielettrici più spessi.

Quando hai bisogno di progettare e instradare con un'impedenza di coppia differenziale definita, usa il miglior set di funzionalità di routing, layout e simulazione di PCB in Altium Designer. Il motore integrato delle regole di progettazione e il Layer Stack Manager ti offrono tutto ciò di cui hai bisogno per progettare con una specifica impedenza di coppia differenziale e instradare rapidamente le tracce nel tuo PCB. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365 rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti.

Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.