Proprietà delle linee di trasmissione che influenzano l'impedenza - Funzionalità nascoste

Qui e in diversi altri articoli pubblicati nella sezione Altium Resource del sito web dell'azienda, l'argomento dell'impedenza delle linee di trasmissione è stato affrontato da diverse prospettive. Ho già trattato l'impedenza delle linee di trasmissione nel mio articolo, L'evoluzione della tecnologia di simulazione e l'impedenza e, potrebbe sembrare che abbiamo esaurito il campo delle potenziali informazioni che possono essere fornite sull'impedenza, tuttavia, in realtà, alcune caratteristiche sono state solo accennate. Questo articolo approfondirà tali caratteristiche e i loro effetti insieme alle equazioni di base che vengono utilizzate nel controllare l'impedenza delle linee di trasmissione.

Fonti di Impedenza o Disadattamento

Come discusso in articoli precedenti, le quattro principali variabili che determinano l'impedenza di una linea di trasmissione su uno strato superficiale includono:

• Altezza della traccia sopra il piano su cui viaggia.
• La larghezza della traccia.
• Lo spessore della traccia.
• Il materiale isolante utilizzato per sostenere la traccia.

Una volta che le suddette quattro variabili sono note, è possibile determinare quali caratteristiche in un PCB avranno un effetto rilevante sull'impedenza. Queste caratteristiche includono:

• Cambiamenti nella larghezza delle tracce nello stesso strato. Questo è generalmente definito come restringimento delle tracce.
  • Il restringimento delle tracce si riferisce alla riduzione della larghezza della traccia quando si avvicina a un pad più stretto, come quello trovato su un dispositivo a montaggio superficiale (SMD) o un foro passante che ha un diametro inferiore alla larghezza della traccia.
• Cambiamenti nello spessore delle tracce.
• Cambiamenti nell'altezza sopra il piano.
• Stub lungo la linea di trasmissione.
• Carichi lungo la linea di trasmissione.
• Transizioni dei connettori.
• Terminazioni mal abbinate.
• Assenza di terminazioni.
• Discontinuità maggiori nel piano di alimentazione.
• Cambiamenti nella costante dielettrica relativa.

Come notato in articoli precedenti, le curve ad angolo retto e le vie non sono presenti nella lista sopra perché nessuna di queste caratteristiche è una fonte significativa di disadattamento di impedenza.

Equazioni dell'Impedenza

Ci sono alcune equazioni che sono utili nel calcolo dell'impedenza. Sono presentate di seguito. Come notato in precedenza, l'impedenza di una linea di trasmissione è determinata dalla capacità e dall'induttanza che sono distribuite lungo la lunghezza della linea di trasmissione. E, l'equazione utilizzata per calcolare l'impedenza è ripetuta qui nell'Equazione 1.

Equazione 1. L'Equazione dell'Impedenza

Nel testo sopra, Z₀ è l'impedenza in ohm; jωL₀ è l'induttanza parassita in henry per unità di lunghezza, jωC₀ è la capacità parassita in farad per unità di lunghezza e R₀ è la perdita per effetto pelle (che può essere ignorata fino a che non si raggiungono frequenze molto alte). G₀ è la perdita nel dielettrico. Come notato sopra, cambiare l'induttanza parassita o la capacità parassita cambierà l'impedenza della linea di trasmissione. È stato anche dimostrato che i cambiamenti nell'impedenza causano riflessioni del segnale. Per comodità, l'equazione della riflessione è ripetuta nell'Equazione 2.

Equazione 2. L'Equazione della Riflessione

Questa equazione predice la percentuale del campo EM incidente che verrà riflessa indietro alla sorgente basata sulle due impedenze su ciascun lato di un cambiamento dove Z_l è l'impedenza a valle e Z₀ è l'impedenza a monte. L'equazione riflette l'ampiezza di tensione della riflessione.

Basandosi sull'Equazione 1, non è ovvio quali variabili avranno un effetto sull'impedenza. L'Equazione 3 è l'equazione classica per microstrip di superficie. Illustra le variabili in un PCB che determinano l'impedenza.

Equazione 3. L'Equazione Classica dell'Impedenza della Microstriscia Superficiale

Questa equazione è inclusa solo a scopo illustrativo, in modo che le variabili possano essere mostrate. In un articolo separato successivo a questo, verrà mostrato che questa equazione, così come altre equazioni utilizzate per calcolare l'impedenza, ha un intervallo limitato entro il quale è valida. Esistono metodi più accurati e alcuni sono stati discussi in articoli precedenti. L'articolo successivo conterrà anche altri metodi per determinare l'impedenza.

Le caratteristiche comuni delle funzionalità sopra menzionate è che possono avere un effetto misurabile su una o entrambe le variabili nell'Equazione 1, induttanza parassita o capacità parassita. Possiamo prendere queste caratteristiche e mostrare le variabili che esse influenzano.

• Cambio nella larghezza della traccia nello stesso strato—C₀
• Cambio nello spessore della traccia—C₀
• Cambio nell'altezza della traccia sopra il piano—C₀
• Stub lungo la linea di trasmissione—C₀
• Carichi lungo la linea di trasmissione—C₀
• Transizioni dei connettori—C₀
• Grandi discontinuità nel piano di alimentazione—C₀
• Cambiamenti nel costante dielettrico relativo—C₀
• Terminazioni mal abbinate
• Nessuna terminazione

Come si può vedere, ad eccezione delle terminazioni mal abbinate e delle assenze di terminazione, tutte le fonti di disadattamento dell'impedenza sono causate da qualcosa che ha modificato la capacità parassita. Entro i limiti delle dimensioni delle tracce nei PCB, rispetto a C₀, L₀ è relativamente costante. Questo aiuta quando si tratta di progettare percorsi di segnale a impedenza controllata o di risolvere problemi di impedenza.

Una volta compreso che praticamente tutti i cambiamenti di impedenza lungo la lunghezza di una linea di trasmissione sono dovuti a cambiamenti nella capacità parassita, diventa più facile gestire tali cambiamenti e creare un buon controllo dell'impedenza.

La Tabella 1 mostra la costante dielettrica relativa del laminato comunemente noto come FR-4.

Tabella 1. Informazioni sul Laminato per il Laminato Comunemente Chiamato FR-4

Non solo la costante dielettrica relativa cambia con la frequenza, ma varia anche in base alla quantità di vetro e resina utilizzati per realizzare il laminato. Come si può vedere, esistono quattro modi per realizzare un pezzo di laminato spesso 4 mil; tre modi per realizzare un pezzo di laminato spesso 5 mil e quattro modi per realizzare un pezzo di laminato spesso 6 mil. Inoltre, si noti che il rapporto tra vetro e resina è diverso in ciascuna di queste formulazioni così come lo è la costante dielettrica relativa. Se un PCB stackup è progettato per utilizzare una di queste formulazioni e il fabbricante ne utilizza un'altra, l'impedenza non risulterà come previsto. Questo è il motivo più comune per cui il cambio di fabbricanti risulta in PCB con caratteristiche diverse. Per evitare questo problema, è necessario specificare, sul disegno di fabbricazione, quale formulazione di laminato è richiesta in ogni apertura nello stackup.

Riassunto

Comprendere le variabili e le caratteristiche all'interno di un PCB che possono influenzare l'impedenza della linea di trasmissione rende più facile progettare per il controllo dell'impedenza fin dall'inizio, e più semplice risolvere eventuali problemi di impedenza che possono verificarsi durante la progettazione o i processi di fabbricazione.

Hai altre domande? Chiama un esperto di Altium o continua a leggere per scoprire di più su come incorporare i calcoli dell'impedenza nelle tue regole di progettazione con Altium Designer^®.

Riferimenti:

1. Ritchey, Lee W. e Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 1.”