Niesymetryczne linie paskowe w Twojej kolejnej wielowarstwowej płytce PCB

Piękno symetrii w sztuce, nauce i naturze ogólnie jest czymś zadziwiającym. Wizualna równowaga między elementami na obrazie lub rysunku może zaważyć na sukcesie dzieła sztuki. Projektowanie PCB jest tak samo sztuką, jak i inżynierią, a symetria odgrywa tak samo techniczną, jak i estetyczną rolę.

Od swoich skromnych początków jako zamiennik dla wysokoczęstotliwościowych kabli koncentrycznych i falowodów, linie paskowe są stałym elementem wśród projektantów wielowarstwowych PCB RF i HDI. Te przewodniki mogą być ściśle upakowane w wewnętrznych warstwach wielowarstwowego PCB, gdzie otaczający dielektryk tłumi promieniowanie i zapewnia kompensację dyspersji. Dzięki Robert Barrett!

Układy linii paskowych symetrycznych vs asymetrycznych

Symetryczna linia paskowa to najprostszy układ ścieżki zanurzonej obok zanurzonego mikropaska. W przeciwieństwie do ścieżek mikropaska lub zanurzonego mikropaska, ścieżki linii paskowych są umieszczone w warstwie płytki PCB, z płytami masy z miedzi umieszczonymi powyżej i poniżej ścieżek. Wewnętrzne warstwy w wielowarstwowym PCB zwykle zawierają ścieżki linii paskowych.

Ponieważ te ścieżki są zanurzone między płytami masy, mają szczególnie pożądaną odporność na EMI, a inne komponenty na PCB będą odporne na wszelkie EMI produkowane przez linie paskowe.

W przeciwieństwie do symetrycznych linii paskowych, asymetryczne linie paskowe nie są umieszczane centralnie między płaszczyznami masy. Asymetryczne linie paskowe są umieszczane bliżej jednej z otaczających płaszczyzn masy. Podczas prowadzenia sygnałów przy użyciu asymetrycznych linii paskowych, bliższa płaszczyzna masy powinna być używana jako odniesienie dla linii paskowej, ponieważ zapewnia to indukowanie silniejszego sygnału powrotnego w płaszczyźnie masy.

W bardziej skomplikowanym układzie, linie paskowe mogą być rozmieszczone jako sparowane równolegle pary przewodników w obrębie pojedynczej warstwy. To układanie krawędziowe umieszcza parę ścieżek w tej samej warstwie z takimi samymi odległościami między płaszczyznami masy. Układ ten umożliwia prowadzenie par różnicowych w danej warstwie.

Bardziej interesującym układem jest użycie układu połączonego z płytą, gdzie dwie asymetryczne linie paskowe są ułożone jedna na drugiej w symetrycznym układzie. Chociaż może to wymagać użycia grubszej płyty do zakwaterowania ułożonych linii paskowych, oszczędza to miejsce na płycie w kierunku bocznym i pozwala na wyższą gęstość połączeń między dwoma płaszczyznami masy. Ten układ może być również używany do prowadzenia par różnicowych, ponieważ dwie linie paskowe są równoległe.

Mikropaski i połączenia przez otwory na zielonej wielowarstwowej płycie PCB

Wiele kalkulatorów, wiele wartości

Nie ma powodu do wstydu, jeśli nie zapamiętałeś każdego równania impedancji dla każdego możliwego układu ścieżek. Jeśli przeszukiwałeś internet w poszukiwaniu kalkulatora impedancji dla Twojego układu stripline, musisz dokładnie przyjrzeć się wynikom i porównać je z wynikami z innych kalkulatorów.

Będziesz również chciał porównać równania używane przez różne kalkulatory. Istnieje kilka metod obliczania impedancji pojedynczej asymetrycznej linii stripline. Niektóre kalkulatory używają różnicy między funkcjami logarytmicznymi, inny używa funkcji potęgowej z przybliżonym zależnością szóstego rzędu od liczby parametrów geometrycznych, a niewątpliwie można znaleźć inne formuły za pomocą wyszukiwania w internecie.

Te kalkulatory mogą dawać bardzo różne wyniki w zależności od parametrów strukturalnych, które definiują układ stripline. Dwa różne kalkulatory mogą dawać różnice wynoszące od 5 do 10 omów. Prawdziwa wartość impedancji prawdopodobnie znajduje się gdzieś pomiędzy tymi wartościami. To stwarza poważne problemy z dopasowaniem impedancji w Twojej płytce PCB

Pracując z sygnałami o wysokiej prędkości lub wysokiej częstotliwości, niedopasowanie impedancji na poziomie 5 omów jest na tyle znaczące, że może przyczynić się do problemów takich jak dzwonienie spowodowane rezonansem przy określonych częstotliwościach. W przypadku sygnałów o wysokiej częstotliwości, rezonans na linii transmisyjnej prowadzi do znacznego promieniowania. W przypadku asymetrycznych linii paskowych może to stworzyć problem na płytach HDI. Na szczęście, płyty o niższej gęstości trasowania nie będą dotknięte tym EMI dzięki otaczającemu dielektrykowi.

Biorąc pod uwagę te potencjalne problemy, które mogą wyniknąć z korzystania z kalkulatora impedancji, najlepiej jest użyć symulacji numerycznej do określenia impedancji. Większość osób nie ma dostępu do tego typu oprogramowania, ale inwestycja może być tego warta. Alternatywnie, rozważ użycie innej strategii projektowej, aby zapobiec lub stłumić dzwonienie.

Modulacja parametrów i pary różnicowe

Z uwagi na silnie nieliniowy związek między impedancją w asymetrycznych układach linii paskowych a ich geometrią, ważne jest, aby mieć ogólne pojęcie o tym, jak na impedancję wpływają niewielkie zmiany w układzie linii paskowych. Praca z parami różnicowymi asymetrycznych linii paskowych podąża za wieloma zasadami, jakie obowiązują w przypadku ścieżek mikropaskowych.

Przesunięcie pojedynczej linii paskowej z symetrycznego układu i przesunięcie jej w kierunku jednej z płaszczyzn masy powoduje niewielki spadek impedancji. To przesunięcie jest samo w sobie symetryczne; nie ma znaczenia, czy przesuniesz linię paskową w górę czy w dół, dane przesunięcie w dowolnym kierunku spowoduje tę samą zmianę impedancji.

Praca z parami różnicowymi asymetrycznych linii paskowych jest nieco bardziej skomplikowana, ale niektóre z tych samych zasad, które mają zastosowanie do różnicowych mikropasków, dotyczą również symetrycznych i asymetrycznych linii paskowych. Jeśli odstępy są bardzo duże, wartość impedancji zasyci się na określonym poziomie, a siła sprzężenia zostanie zmniejszona.

Po zmianie odstępów, impedancja par mikropaskowych i asymetrycznych par zmieni się w różny sposób. Jeśli ślady mają dużą separację, zbliżenie ich do siebie najpierw zwiększa wartości impedancji pary różnicowej. W układzie mikropaskowym, impedancja pary będzie ciągle wzrastać, gdy para jest przesuwana bliżej siebie, i to kontynuuje się, gdy odstęp zostanie zmniejszony do wartości mniejszej niż szerokość śladów.

Nie dzieje się tak w przypadku par linii paskowych. Gdy ślady są przesuwane bliżej siebie, zbliżanie pary najpierw zwiększa, a następnie zmniejsza wartości impedancji parzystej, nieparzystej i różnicowej. Gdy ślady są umieszczone bardzo blisko siebie, tak że odstęp jest znacznie mniejszy niż szerokość śladu, wartości impedancji nieparzystej i różnicowej gwałtownie spadają i mogą spaść do kilku omów.

Ślady prowadzone na niebieskiej płytce PCB

Jeśli chcesz mieć pewność, że Twoja kolejna precyzyjna płytka PCB spełnia specyfikacje projektowe, narzędzia symulacyjne i środowisko projektowania oparte na zasadach w Altium Designer^® mogą pomóc Ci uniknąć problemów z integralnością sygnału wynikających z nieprawidłowych obliczeń impedancji. Pobierz swoją bezpłatną wersję próbną i sprawdź, czy Altium jest odpowiednie dla Ciebie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, jeśli chcesz dowiedzieć się więcej.