Calcolatori dell'impedenza della linea di trasmissione PCB

Le progettazioni ad alta velocità non funzioneranno correttamente senza un calcolo accurato dell'impedenza della linea di trasmissione. Le tracce che supportano segnali a velocità elevata si comportano come linee di trasmissione, anche se di lunghezza ridotta. Le pratiche consigliate nella progettazione ad alta velocità impongono che, come minimo, le tracce siano progettate in prossimità dell'impedenza richiesta per garantire perdite di ritorno minime.

Per ottenere un risultato d'impedenza accurato, puoi sempre calcolare l'impedenza manualmente, tuttavia le formule d'impedenza più precise sono molto difficili da utilizzare manualmente. Per aiutare i progettisti a iniziare a progettare il posizionamento dei componenti, abbiamo messo insieme una serie di calcolatori dell'impedenza della linea di trasmissione che implementano le formule analitiche più precise. Una volta determinata una stima iniziale della larghezza della traccia di cui avrai bisogno per ottenere un'impedenza accurata, puoi fare un ulteriore passo avanti e utilizzare il miglior editor di stack-up con un calcolatore dell'impedenza integrato per determinare la larghezza della traccia necessaria.

Funzionamento dei calcolatori dell'impedenza della linea di trasmissione

Tutti i calcolatori di linee di trasmissione funzionano con principi simili: determinano un valore dell'impedenza per una particolare geometria di linea di trasmissione. In termini di funzionamento di questi calcolatori, l'impedenza di una linea di trasmissione in un PCB può essere calcolata in quattro modi:

1. Utilizza i parametri R, L, C, G dalle equazioni dei telegrafisti per calcolare l'impedenza della linea di trasmissione
2. Costruisci un modello dai dati sperimentali relativi all'impedenza, piuttosto che alla geometria della traccia, e usalo per calcolare l'impedenza
3. Utilizza una tecnica analitica che fornisca un'impedenza senza dispersione e senza perdite dalle equazioni di Maxwell, come il metodo di Wheeler utilizzato nelle equazioni di Wadell
4. Utilizza un field solver per risolvere numericamente il campo elettromagnetico dalle equazioni di Maxwell, quindi utilizza il campo per determinare l'impedenza

I calcolatori dell'impedenza della linea di trasmissione, come quelli che puoi trovare online, usano il metodo numero 2 (per i calcolatori basati sullo standard IPC-2141) o numero 3 (per calcoli più accurati dall'inizio). Se non hai accesso a un field solver, adottando l'approccio n. 3 sopra riportato otterrai risultati più accurati, a patto che tu abbia l'applicazione di calcolo giusta.

Il set di calcolatori dell'impedenza della linea di trasmissione riportato di seguito implementa il metodo n. 3 per fornire risultati ragionevolmente accurati nella gamma bassa dei GHz. Dalle pagine messe in link di seguito puoi accedere a un calcolatore gratuito, che puoi utilizzare per ottenere una stima ragionevolmente buona dell'impedenza della linea di trasmissione prima di utilizzare un'applicazione più avanzata.

Quattro calcolatori di impedenza gratuiti

I calcolatori di impedenza riportati di seguito sono completamente gratuiti. Questi calcolatori restituiscono un valore dell'impedenza per coppie di valori di larghezza della traccia, spessore del substrato e peso del rame. Per utilizzarli per progettare un'impedenza target, è sufficiente scorrere vari valori geometrici per la larghezza della traccia finché il calcolatore non restituisce l'impedenza target.

• Calcolatore dell'impedenza della traccia della microstriscia
• Calcolatore dell'impedenza di traccia stripline
• Calcolatore dell'impedenza della traccia differenziale
• Calcolatore dell'impedenza della traccia differenziale stripline

Le geometrie standard supportate da questi calcolatori dell'impedenza di traccia sono mostrate nel grafico seguente. Queste linee di trasmissione sono geometrie di traccia standard implementate nei software di progettazione PCB. Se è stata selezionata una disposizione coplanare, puoi approssimare questo stile di routing delle tracce impostando almeno circa 10 mil, purché lo spessore del dielettrico sia di ~10 mil o meno.

I modelli utilizzati in questi calcolatori dell'impedenza delle linee di trasmissione si basano sulle equazioni di Wadell, note per fornire valori dell'impedenza senza perdite estremamente accurati. Anche se non sono perfettamente precisi a causa di alcuni fattori presenti nei materiali reali, sono utili per ottenere una rapida stima dell'impedenza di traccia per le geometrie sopra indicate. I fattori principali che limitano l'accuratezza dei calcolatori dell'impedenza a frequenze progressivamente più alte sono:

• Rugosità del rame
• Perdite e dispersione dielettrica
• Elementi parassiti, in particolare la capacità parassita

Una volta che la frequenza operativa diventa troppo alta, il risultato ottenuto da un calcolatore come quelli elencati sopra non corrisponderà ai valori reali che troverai su un PCB. Per un segnale digitale, ciò si riferisce al caso in cui il fronte di salita di un segnale sulla linea di trasmissione diventi molto veloce e la maggior parte del contenuto del segnale si concentri nella gamma GHz. Per i segnali RF, ciò diventa importante nell'intervallo più elevato di GHz (oltre 5,8 GHz Wifi). Il video seguente illustra alcuni dei fattori che causano il rilevamento dell'impedenza della traccia PCB con una precisione inferiore a frequenze più alte.

Ottieni una precisione maggiore con il Layer Stack Manager di Altium

I calcolatori mostrati in precedenza sono un ottimo punto di partenza per aiutarti a determinare rapidamente la larghezza approssimativa della traccia necessaria per raggiungere l'impedenza target nel layer stack. Tuttavia, anche le formule analitiche altamente accurate utilizzate per costruire tali calcolatori hanno i loro limiti quando si supera una determinata gamma di frequenze. A questo punto dovresti utilizzare uno strumento più avanzato all'interno dell'editor PCB per creare lo stack-up dei livelli.

Per ottenere risultati molto più accurati, utilizza il Layer Stack Manager in Altium Designer®. Questa utility viene fornita di serie all'interno dell'Editor PCB di Altium Designer e include un solver di campi elettromagnetici integrato per il calcolo dell'impedenza. Lo strumento per l'impedenza fornisce risultati dell'impedenza estremamente accurati per disposizioni di linee di trasmissione single-ended, differenziali e coplanari, incluse le stripline asimmetriche. I risultati possono poi essere applicati a reti o gruppi di reti come regola di progettazione per garantire un'impedenza coerente in tutte le interconnessioni.

Altium Designer include tutto ciò di cui hai bisogno per progettare elettronica avanzata con segnali digitali ad alta velocità e segnali RF. Una volta che hai completato il tuo PCB ad alta velocità e sei pronto per condividere le tue progettazioni con collaboratori o produttori, puoi condividere le tue progettazioni completate tramite la piattaforma Altium 365™. Tutto ciò di cui hai bisogno per progettare e produrre elettronica avanzata è disponibile in un unico pacchetto software.

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