Jak kompensować straty w impedancji linii transmisyjnej

Chropowatość miedzi to być może jeden z czynników tworzących największą niepewność w impedancji linii transmisyjnej. Tak, różne solwery mają różne modele sumacyjne i metody obliczeniowe, które są implementowane do określenia wartości impedancji, ale próba obliczenia efektów chropowatości wprowadza nową niepewność. Wynika to z zależności impedancji opartej na chropowatości od konkretnego modelu, który jest używany, oraz zakresu częstotliwości, gdzie chropowatość ma duży wpływ.

Straty dielektryczne również powodują, że rzeczywista impedancja linii transmisyjnej jest bardzo różna od wartości impedancji bezstratnej, którą obliczylibyśmy przy użyciu typowego kalkulatora linii transmisyjnej.

W tym artykule przedstawię prosty sposób na uwzględnienie chropowatości w szerokim zakresie częstotliwości, który jest stosowalny aż do zakresu 30 GHz. Pokryje to większość zastosowań cyfrowych i prędkości transmisji danych, dając szybki sposób na kompensację chropowatości w obliczeniach impedancji linii transmisyjnej bez strat.

Straty Muszą Być Uwzględnione w Obliczeniach Impedancji

Wyzwanie związane z włączeniem obliczeń chropowatości miedzi nie polega na użyciu modelu, ponieważ dostępnych jest wiele modeli w nowoczesnym oprogramowaniu EDA. Pierwszą rzeczą, którą należy pamiętać jest:

Tylko impedancja bezstratna będzie stałą wartością na wszystkich częstotliwościach!

Jeśli pracujesz w zakresie częstotliwości, gdzie chropowatość miedzi i straty dielektryczne mają duże znaczenie (powyżej ~3 GHz), musisz zdawać sobie sprawę, że impedancja ścieżki będzie teraz zmieniać się w funkcji częstotliwości. Skutkuje to tym, że projektanci często podchodzą do problemu obliczania impedancji linii transmisyjnej w następujący sposób:

• Projektant używa kalkulatora takiego jak Layer Stack Manager w Altium Designer, Polar Instruments lub kalkulatora online, aby określić szerokość dla dokładnej impedancji 50 omów
• Po zakończeniu projektu i symulacji lub pomiarze parametrów S, projektant odkrywa, że rzeczywista impedancja ścieżki znacznie różni się od impedancji bezstratnej

Powyższe dotyczy zarówno ścieżek jednojak i różnicowych. Powinno być jasne, że potrzebujemy jakiejś metody szacowania odchylenia impedancji z powodu strat, aby nasze obliczenia impedancji bezstratnej były rzeczywiście przydatne. Jak zobaczymy poniżej, odchylenie spowodowane stratami jest funkcją tangensa strat dielektrycznych.

Przykład mikropaska z wysokim tangensem strat (Df = 0.02 przy 1 GHz)

Przyjrzyjmy się, co się dzieje, gdy mamy ścieżkę mikropaskową z maską lutowniczą (Dk = 3,5/Df = 0,02 przy 10 MHz) i porównujemy impedancję szorstkiej ścieżki z idealną impedancją bezstratną. Jakie odchylenie możemy oczekiwać z powodu szorstkości ścieżki i strat dielektrycznych?

Obraz poniżej pokazuje rzeczywistą impedancję dla ścieżki zaprojektowanej dokładnie na 50 omów, określoną przy użyciu Simbeor. Użyłem wartości szorstkości równej zero, 0,75 mikrona, 1,5 mikrona i 2 mikrony, aby zilustrować, jak krzywe zmieniają się z powodu szorstkości (zmodyfikowany model Hammerstada).

Spektrum impedancji dla mikropaska o szerokości 7,973 mila (1 uncja miedzi) na FR4 o grubości 4,5 mila (Dk = 4, Df = 0,02 przy 1 GHz) bez czynnika trawienia. Impedancja mikropaska wynosi dokładnie 50 omów przy zerowej szorstkości.

Jak możemy zauważyć, przy bardzo niskich częstotliwościach (~1 GHz) występuje pewne odchylenie impedancji spowodowane efektem naskórkowym oraz tangensem strat, ale impedancja ta zbiega do naszej docelowej impedancji charakterystycznej wynoszącej 50 omów. W tych zakresach częstotliwości straty wtrąceniowe mają tendencję do bycia bardzo niskimi, a projektowanie zgodnie z impedancją charakterystyczną zwykle daje stratę zwrotną na poziomie -20 dB do -30 dB, co jest więcej niż akceptowalne dla interfejsów cyfrowych pracujących z prędkościami transmisji danych ~1 Gbps.

Wnioski: dla typowych wartości tangensa strat wynoszących 0,02 i typowych wartości chropowatości RMS wynoszących 2 mikrony, błąd impedancji bezstratnej wynosi około 1,5%.

Przykład mikropaska z niskim tangensem strat (Df = 0,005 przy 10 GHz)

Teraz spójrzmy, co dzieje się w przypadku niższego Df. Załóżmy, że zamiast tego używamy laminatu o niższej stracie o grubości 4,1 mila z Dk = 3,5/Df = 0,005 przy 10 GHz; te wartości mieszczą się w zakresie Megtron 5 lub 6. Zmniejszona grubość laminatu wynosząca 4,1 mila ma na celu zapewnienie, że szerokość tych linii jest utrzymywana na stałym poziomie 7,973 mila dla docelowej impedancji bezstratnej wynoszącej 50 omów.

Poniższy wykres przedstawia tę samą kalkulację, gdzie obliczamy dokładną charakterystykę 50 omów z zerową chropowatością (co daje szerokość = 7,973 mila), a następnie dodajemy chropowatość miedzi.

Spektrum impedancji dla 7,973 mila szerokiego mikropaska (1 uncja miedzi) na 4,1 mila zaawansowanego FR4 (Dk = 3,5, Df = 0,005 przy 10 GHz) z zerowym współczynnikiem trawienia. Impedancja mikropaska wynosi dokładnie 50 omów przy zerowej chropowatości.

Tutaj widzimy nieco lepsze wyniki, ponieważ błąd przy wyższych częstotliwościach jest niższy. Jednakże, dzieje się tak tylko dlatego, że straty dielektryczne nie dominują do wyższych częstotliwości, co jest oczekiwanym zjawiskiem przy niskim tangensie strat. Korekta impedancji jest nadal wymagana, aby skompensować chropowatość, ale wartość jest niższa tylko dlatego, że straty dielektryczne zostały zmniejszone.

Wnioski: dla niższych tangensów strat <0,02 i typowych wartości RMS chropowatości 2 mikrony, błąd impedancji bezstratnej wynosi około 1,5 procenta przy niskich częstotliwościach i około 1,0% przy wysokich częstotliwościach.

Kierunek dalszych działań

Nie każdy ma dostęp do symulatora takiego jak Simbeor, Polar czy podobnych narzędzi do określania impedancji linii transmisyjnej z uwzględnieniem strat. Możesz jednak stosować prostą zasadę przy użyciu kalkulatora impedancji linii transmisyjnej bez strat, aby uwzględnić straty dielektryczne i miedziane.

Ponieważ kalkulator impedancji bez strat może nieco zaniżać impedancję stratną o kilka procent powyżej 1 GHz, najlepiej jest po prostu wybrać nieco większą szerokość, która da nieco niższą impedancję. Jeśli potrzebujesz linii 50 omów, oblicz linię 48,5-49 omów, jeśli działasz na tych wysokich częstotliwościach. Zapewni to, że straty spowodują zbliżenie impedancji linii transmisyjnej do 50 omów w szerokim zakresie częstotliwości.

Aby dowiedzieć się więcej, przeczytaj następujące artykuły:

• Jaka jest dopuszczalna chropowatość powierzchni miedzi na PCB?
• Jak chropowatość folii miedzianej wpływa na twoje sygnały i impedancję

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD w Altium Designer®. Aby w dzisiejszym interdyscyplinarnym środowisku wdrożyć współpracę, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.