Larghezza della traccia in Stripline vs. Microstrip per l'Impedenza Desiderata: Sono Uguali?

Ogni tanto, ricevo una domanda interessante riguardante il routing, il layout, l'integrità del segnale o argomenti simili. Cerco di rispondere a queste quando non sono troppo impegnato, ma a volte una di queste cattura la mia attenzione e sento il bisogno di diffondere la risposta a più progettisti. Senza ulteriori indugi, ecco una domanda che ho ricevuto riguardo la larghezza richiesta per l'impedenza controllata in stripline rispetto a microstrip.

Ho una domanda riguardo microstrip e stripline. È possibile utilizzare lo stesso valore di T, H e W della linea di trasmissione per microstrip e stripline? Vorrei che l'impedenza per la stripline fosse intorno ai 32 ohm.

La domanda sembrava un po' vaga all'inizio, ma l'ho interpretata nel seguente modo: Se determino la larghezza migliore per un microstrip, posso usare la stessa larghezza per una stripline, dato lo stesso peso del rame e la stessa distanza al piano di riferimento? Questo tipo di domanda mi piace perché ritorna su alcuni aspetti importanti e spesso trascurati del routing e della progettazione delle tracce. Scaviamo un po' più a fondo in quanto solleva alcune aree interessanti del design ad alta velocità e del controllo dell'impedenza nei PCB.

La Risposta Breve: Guarda le Linee di Campo!

No, non puoi usare la stessa larghezza per due diverse geometrie di linee di trasmissione e aspettarti di avere la stessa impedenza. Possiamo vedere ciò sia matematicamente che concettualmente. Da una prospettiva concettuale, le tracce su un microstrip emettono il loro campo nel soldermask e nell'aria sopra il dielettrico. La forza del campo in queste regioni è diversa da quella nel dielettrico, quindi non possiamo ragionevolmente aspettarci che queste linee di campo producano lo stesso modello di contorno e corrente di spostamento nel piano di riferimento come una linea di campo che punta direttamente attraverso il dielettrico al piano di riferimento. Questa variazione nel valore di Dk intorno alla traccia fa sì che i segnali su un microstrip abbiano una velocità determinata da una costante dielettrica effettiva, piuttosto che dal valore grezzo di Dk del substrato del PCB.

In una stripline, il campo elettrico passa solo attraverso il dielettrico; non c'è aria. In altre parole, la costante dielettrica è semplicemente il valore di Dk; non esiste un "Dk effettivo" allo stesso modo di un microstrip. Ciò significa che, per una data linea di campo che passa da una stripline attraverso il dielettrico, ci aspetteremmo una corrente di spostamento maggiore nei piani di riferimento, quindi ci aspetteremmo che l'impedenza caratteristica misurata tra la stripline e il piano di riferimento sia inferiore.

Si scopre che le linee di campo sono molto più utili di quanto possano sembrare nei dati di simulazione. Se si desidera ottenere uno sguardo più approfondito, aiuta esaminare le equazioni che descrivono l'impedenza caratteristica di entrambi i tipi di linee di trasmissione.

La Risposta Dettagliata: Guarda le Equazioni di Stripline vs. Microstrip!

Per vedere realmente come l'impedenza di una stripline e di un microstrip variano con la larghezza, dobbiamo partire dall'impedenza caratteristica di queste linee di trasmissione. Date un'occhiata a questi articoli per trovare queste equazioni:

• Chiarimenti sui Calcolatori e Formule dell'Impedenza delle Tracce
• Calcolatori e Formule dell'Impedenza di Stripline Simmetrica

Per vedere realmente come le larghezze delle tracce per queste linee di trasmissione si confrontano, dobbiamo tracciare l'impedenza caratteristica vs. larghezza della traccia. Questo può essere facilmente visualizzato se variamo la larghezza (in realtà, il rapporto W/H in queste equazioni) mantenendo costanti tutti gli altri parametri.

L'immagine sottostante mostra la parte reale calcolata dell'impedenza caratteristica di un microstrip e di una stripline su FR4 (Dk = 4.4, tangente di perdita = 0.02). Ho supposto una scheda a 8 strati con spaziatura uguale tra i livelli dielettrici per semplicità, e il peso del rame è stato impostato a 0,5 oz/sq. ft. Anche la stripline è simmetrica rispetto ai piani di riferimento. Qui, mi sono concentrato sull'impedenza reale poiché la parte immaginaria è molto piccola.

Chiaramente, non possiamo usare la stessa larghezza per un microstrip e una stripline e aspettarci di vedere la stessa impedenza caratteristica, anche se tutto il resto è costante. Da qui, possiamo vedere che, per la costante dielettrica e lo stack di strati che ho usato, un microstrip di ~16 mil avrà un'impedenza circa uguale a quella di una stripline di ~7 mil. Le curve sopra non devono essere confuse con l'impedenza di ingresso, che dipende dalla lunghezza della linea e dall'impedenza di ingresso al carico, che a sua volta dipende dallo schema di terminazione.

Se vuoi vedere cosa succede in una situazione più realistica, dobbiamo considerare l'impedenza di ingresso poiché è ciò che un segnale vedrà mentre viene iniettato dal driver sulla linea di trasmissione. Il grafico sottostante mostra la magnitudine dell'impedenza di ingresso per un microstrip e una stripline lunghi 1 m a una larghezza di banda di 1 GHz (350 ps di tempo di salita per un segnale digitale) con una capacità di carico di 10 pF con terminazione parallela (shunt) a 50 Ohm.

Questo grafico dovrebbe illustrare l'importanza della terminazione nelle linee di trasmissione. Esiste una gamma di larghezze in cui l'impedenza può posizionarsi sopra o sotto il valore target. Ancora una volta, non possiamo semplicemente usare la larghezza determinata per un microstrip e aspettarci di vedere la stessa impedenza di ingresso per una stripline, e viceversa. Curiosamente, per questa particolare disposizione, la stripline raggiunge ~50 Ohm su una stretta gamma di larghezze. Se l'impedenza di ingresso del carico o l'impedenza di terminazione cambiano, non avremo la stessa condizione.

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