스트라이프라인 대 마이크로스트립 트레이스 폭: 원하는 임피던스를 위해 같을까요?

가끔 저에게 라우팅, 레이아웃, 신호 무결성 등에 관한 흥미로운 질문이 들어옵니다. 너무 바쁘지 않을 때 이러한 질문에 답변하려고 노력하지만, 가끔은 이 중 하나가 제 눈에 띄어 더 많은 디자이너들에게 답변을 전달할 필요성을 느낍니다. 더 이상의 말은 생략하고, 제가 받은 질문 중 하나인 스트립라인 대 마이크로스트립의 폭에 대한 제어 임피던스에 관한 질문을 소개합니다.

마이크로스트립과 스트립라인에 대해 문의가 있습니다. 전송선의 T, H, W 값이 마이크로스트립과 스트립라인 모두에 대해 동일하게 사용될 수 있나요? 스트립라인의 임피던스가 대략 32 옴이 되기를 원합니다.

처음에는 질문이 다소 모호해 보였지만, 제가 이해한 바는 다음과 같습니다: 마이크로스트립에 대한 최적의 폭을 결정하면, 동일한 구리 무게와 기준면까지의 거리를 가진 스트립라인에 대해서도 같은 폭을 사용할 수 있나요? 이러한 유형의 질문은 라우팅과 트레이스 디자인의 중요하면서도 종종 간과되는 측면으로 돌아가게 합니다. PCB에서의 고속 설계와 임피던스 제어를 다루면서 이 주제를 좀 더 깊이 파고들어 보겠습니다.

간단한 답변: 전계선을 보세요!

아니요, 두 가지 다른 전송선로 기하학에 대해 같은 폭을 사용하고 동일한 임피던스를 기대할 수는 없습니다. 이는 수학적으로뿐만 아니라 개념적으로도 볼 수 있습니다. 개념적 관점에서 볼 때, 마이크로스트립 위의 트레이스는 유전체 위의 솔더마스크와 공기로 그들의 필드를 방출합니다. 이러한 영역에서의 필드 강도는 유전체 내부의 필드 강도와 다르므로, 이러한 필드 라인이 유전체를 직접 통과하여 기준면으로 이어지는 필드 라인과 동일한 윤곽 패턴과 변위 전류를 생성할 것이라고 합리적으로 기대할 수 없습니다. 이 유전율 Dk 값의 변화는 트레이스 주변에서 마이크로스트립 상의 신호가 PCB 기판의 원시 Dk 값이 아닌 효과적 유전 상수에 의해 결정되는 속도를 갖게 합니다.

스트립라인에서는 전기장이 유전체를 통과하기만 하며, 공기는 없습니다. 즉, 유전 상수는 단순히 Dk 값일 뿐이며, 마이크로스트립과 같은 방식으로 "효과적인 Dk"는 없습니다. 이는 주어진 필드 라인이 스트립라인을 통해 유전체를 통과할 때, 우리는 기준면에서 더 큰 변위 전류를 기대하며, 따라서 스트립라인과 기준면 사이에서 측정된 특성 임피던스가 더 낮을 것으로 기대한다는 것을 의미합니다.

실제로, 시뮬레이션 데이터에서 보이는 것보다 필드 라인이 훨씬 더 유용할 수 있습니다. 좀 더 심층적인 분석을 원한다면, 두 종류의 전송선의 특성 임피던스를 설명하는 방정식을 살펴보는 것이 도움이 됩니다.

자세한 답변: 스트립라인 대 마이크로스트립 방정식 살펴보기!

스트립라인과 마이크로스트립의 임피던스가 너비에 따라 어떻게 변하는지 정말로 보려면, 이 전송선의 특성 임피던스로 시작해야 합니다. 이 방정식을 찾기 위해 이러한 기사를 살펴보세요:

• 트레이스 임피던스 계산기 및 공식 정리
• 대칭 스트립라인 임피던스 계산기 및 공식

이 전송선의 트레이스 너비를 비교하려면, 특성 임피던스 대 트레이스 너비를 그래프로 나타내야 합니다. 이는 너비(정확히는 이 방정식에서 W/H 비율)를 변화시키면서 다른 모든 매개변수를 일정하게 유지하면 쉽게 시각화할 수 있습니다.

아래 이미지는 FR4(Dk = 4.4, 손실 탄젠트 = 0.02) 위의 마이크로스트립과 스트립라인의 특성 임피던스의 실제 부분을 계산한 것을 보여줍니다. 단순화를 위해 유전체 층 사이의 간격이 동일한 8층 보드를 가정했으며, 구리 무게는 0.5 oz/sq. ft로 설정되었습니다. 스트립라인은 참조 평면에 대해 대칭적입니다. 여기서, 상상 부분은 매우 작기 때문에 실제 임피던스에 초점을 맞췄습니다.

분명히, 모든 것이 동일하게 유지된다 해도 마이크로스트립과 스트립라인에 같은 폭을 사용하고 같은 특성 임피던스를 기대할 수는 없습니다. 여기서, 내가 사용한 유전 상수와 층 스택을 기준으로 할 때, 약 16 mil 마이크로스트립은 약 7 mil 스트립라인과 대략 같은 임피던스를 가질 것입니다. 위의 곡선들은입력 임피던스와 혼동해서는 안 됩니다 , 이는 선의 길이와 부하에서의 입력 임피던스에 따라 달라지며, 이는 다시 종단 방식에 따라 달라집니다.

더 현실적인 상황에서 무슨 일이 일어나는지 보고 싶다면, 신호가 드라이버에서 전송선으로 주입될 때 보게 될 입력 임피던스를 고려해야 합니다. 아래 그래프는 1GHz 대역폭(디지털 신호의 경우 350ps 상승 시간)에서 1m 길이의 마이크로스트립과 스트리플라인의 입력 임피던스 크기를 10pF의 부하 커패시턴스와 50옴의 병렬(쇼트) 종단과 함께 보여줍니다.

이 그래프는 전송선에서의 종단의 중요성을 보여주어야 합니다. 임피던스가 목표 값 위나 아래에 위치할 수 있는 너비 범위가 있습니다. 다시 말하지만, 마이크로스트립에 대해 결정된 너비를 단순히 사용하고 스트리플라인에 대해 같은 입력 임피던스를 기대할 수는 없으며, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 흥미롭게도, 이 특정 배열의 경우, 스트리플라인은 좁은 너비 범위에서 ~50옴을 달성합니다. 부하의 입력 임피던스나 종단 임피던스가 변경되면, 같은 조건을 가질 수 없습니다.

제어 임피던스 설계를 위해 올바른 트레이스 폭을 추측하는 대신, Altium Designer®는 고속 및 고주파 PCB를 위한 임피던스 프로파일을 생성하는 데 도움이 되는 Simberian의 통합 3D 필드 솔버에 접근할 수 있게 해줍니다. 보드를 생성함에 따라 스트립라인 대 마이크로스트립 폭 및 임피던스 사이의 트레이드오프를 즉시 볼 수 있습니다. 또한 고속 PCB에 적합한 종단 방식을 결정하는 데 필요한 기능을 갖추게 됩니다.

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