Jak projektować zgodnie ze specyfikacją impedancji różnicowej

Pojęcie i implementacja impedancji różnicowej są czasami niezrozumiałe. Ponadto, projektowanie kanału w celu osiągnięcia określonej impedancji różnicowej często odbywa się w sposób chaotyczny. Czasami, patrząc wstecz na stare projekty, zastanawiam się, jak projektowałem ścieżki, aby osiągnąć specyfikację impedancji różnicowej, i zdaję sobie sprawę, że może mogłem zrobić to lepiej i oszczędzić sobie bólu głowy, gdybym miał lepsze zrozumienie impedancji różnicowej.

Sam koncept impedancji różnicowej jest pewnego rodzaju matematyczną konstrukcją, która nie oddaje w pełni zachowania każdego sygnału w ścieżce różnicowej. Impedancja różnicowa jest skrótem do innego ważnego parametru, impedancji nieparzystej, i odwrotnie. Więc co musimy zaprojektować i jak możemy zapewnić, że sygnały są poprawnie dekodowane przez odbiornik? Czytaj dalej, aby dowiedzieć się, czym jest impedancja różnicowa i zobaczyć trochę więcej na temat projektowania zgodnie ze specyfikacją impedancji różnicowej i co to dokładnie oznacza dla twojego projektu.

Definicja Impedancji Różnicowej

Impedancja różnicowa odnosi się do podstawowej właściwości sygnałów różnicowych. Wszystkie sygnały różnicowe są interpretowane przez komponent odbiorczy jako sygnał różnicy (stąd nazwa „różnicowy”). Jednym ze sposobów myślenia o sygnale różnicowym jest to: jest to propagujące zakłócenie elektromagnetyczne, które obejmuje dwa różne sygnały, idealnie wysyłane razem wzdłuż pary ścieżek. Kiedy mówimy „zakłócenie elektromagnetyczne”, mamy na myśli rozkłady pola elektrycznego i magnetycznego wokół dwóch ścieżek. To przecież cały sens przewodników na PCB: kierowanie i transportowanie pola elektromagnetycznego wokół układu.

Dlatego interesujące jest zobaczenie, jak zakłócenie elektromagnetyczne stworzone przez tę parę sygnałów propaguje się wzdłuż dwóch ścieżek. Aby to zrobić, potrzebowalibyśmy:

• impedancję linii transmisyjnej doświadczaną przez pole elektromagnetyczne
• stałą propagacji dla tego zakłócenia

Jeśli znasz jedną z tych wartości, możesz wydedukować drugą wartość. Celem projektowania różnicowego dla określonej impedancji różnicowej jest zapewnienie, że pole elektromagnetyczne, które wprowadzamy do kanału, jest interpretowane jako to samo (lub prawie to samo) pole elektromagnetyczne odbierane na końcu obciążenia kanału.

Co powinno być tutaj interesujące, to sposób, w jaki wykorzystywane jest pole generowane przez każdą ścieżkę. Mam na myśli, że zależy nam na różnicy między dwoma sygnałami (ich polami) lub ich sumie, w zależności od funkcjonalności odbiornika. Dlatego, w kontekście równań telegrafistów, chcemy przyjrzeć się propagacji różnicy między tymi dwoma sygnałami, co jest tematem wymagającym matematycznie i wymaga zdefiniowania wzajemnej pojemności i indukcyjności między ścieżkami.

Formuły dla impedancji różnicowej

Obliczanie impedancji różnicowej to ćwiczenie w obliczaniu innej ważnej wielkości, którą jest impedancja trybu nieparzystego. Gdy dwie ścieżki są prowadzone jako para różnicowa i są sterowane sygnałem różnicowym, impedancja pojedynczej ścieżki będzie wartością impedancji trybu nieparzystego.

Niestety, nie ma wielu dobrych modeli analitycznych dla impedancji różnicowej, a bardziej szczegółowo, dla impedancji nieparzystej (odd-mode impedance). Jeśli spojrzysz do Transmission Line Design Handbook Briana C. Wadella, odkryjesz, że określenie impedancji dla pary mikropasków wymaga użycia 70 wzorów (patrz sekcja 4.5). To nie jest błąd typograficzny, rzeczywiście potrzeba aż 70 wzorów, aby obliczyć impedancję nieparzystą lub parzystą dla pary mikropasków. Jeśli chcesz pracować z układami koplanarnymi lub ścieżkami asymetrycznymi, potrzebujesz mniej wzorów, ale będziesz musiał ocenić całkę eliptyczną, czego nigdy nie robiłem i co wymagałoby aplikacji takiej jak MATLAB lub Mathematica.

Można uzyskać wzajemną indukcyjność lub wzajemną pojemność bezpośrednio z równań Maxwella, chociaż wyniki te są przedmiotem wielu prac badawczych i wyniki nie zawsze są łatwe do użycia. Zazwyczaj obejmują one zestawy dużych, brzydkich wzorów na impedancję różnicową, które mają kilka parametrów. Dlatego tak wiele kalkulatorów impedancji różnicowej, które znajdziesz online, po prostu używa wzorów IPC-2141A, które są przybliżeniem z mniejszą liczbą wzorów na impedancję różnicową.

Czy powinieneś używać impedancji charakterystycznej czy nieparzystej?

Podsumowując, impedancja w trybie nieparzystym jest wartością, która jest używana do zakończenia. Jest coś bardzo ważnego, co warto zauważyć na temat impedancji w trybie nieparzystym, o czym chciałbym, abyś dowiedział się dużo wcześniej:

• Impedancja w trybie nieparzystym ścieżki nie zawsze jest taka sama jak impedancja charakterystyczna ścieżki.

Jeśli spojrzymy na to z innej strony, możemy powyższe stwierdzenie przedstawić następująco:

• Szerokość ścieżki wymagana dla określonej impedancji w trybie nieparzystym nie zawsze jest taka sama jak szerokość ścieżki wymagana dla określonej impedancji charakterystycznej.

Innymi słowy, specyfikacja impedancji różnicowej dla twojego standardu sygnalizacji wymienia określoną impedancję różnicową, i musisz to osiągnąć, projektując różnicowo do impedancji w trybie nieparzystym. Z tego powodu wartość, która zwykle jest podawana dla równoległego zakończenia na odbiorniku, jest zwykle podwójna w stosunku do impedancji w trybie nieparzystym, ale każdy koniec ścieżki obchodzi tylko impedancję w trybie nieparzystym każdej ścieżki indywidualnie, a niekoniecznie impedancję różnicową.

W zależności od odstępów i grubości dielektryka, możesz być w stanie ustawić szerokość ścieżki o impedancji charakterystycznej blisko tej samej wartości co szerokość ścieżki o impedancji w trybie nieparzystym.

Obliczanie szerokości i odstępów

Jeśli obliczysz szerokość ścieżki potrzebną do osiągnięcia docelowej impedancji charakterystycznej (np. 50 omów), a następnie wprowadzisz tę szerokość do kalkulatora impedancji różnicowej, zauważysz, że nie zawsze uzyskasz użyteczny wynik dla odstępu; odstęp może być zbyt mały (<4 mils) i może wykraczać poza możliwości produkcyjne dla bardzo cienkiego dielektryka. Odwrotnie, odstęp może okazać się bardzo duży dla grubszych dielektryków. W rzeczywistości, na dwuwarstwowej płytce PCB o standardowej grubości, szerokość ścieżki wymagana do osiągnięcia impedancji 50 omów na standardowym rdzeniu wynosi około 105 omów. Aby pojedyncza ścieżka miała impedancję nieparzystego trybu równą impedancji charakterystycznej, Twój solver pola poinformuje Cię, że musisz mieć ścieżki oddzielone ogromną odległością. Jeśli używasz solvera pola, zauważysz, że prawdopodobnie przestaje on zbiegać, gdy odstęp wynosi około 10 cali! Oczywiście, to również nie jest użyteczne.

Ogólnie rzecz biorąc, istnieje wiele kombinacji odstępów i szerokości ścieżek, które pozwolą ci osiągnąć określoną specyfikację impedancji różnicowej. Tak naprawdę projektujesz impedancję nieparzystą, a nie impedancję różnicową, impedancja różnicowa jest tylko specyfikacją definiującą impedancję nieparzystą. Dlatego musimy zapytać, jak określić impedancję nieparzystą i obiektywnie „najlepszą” kombinację szerokości i odstępów ścieżek bez użycia wzorów?

Porównanie szerokości i odstępów dla różnicowych mikropasków

Aby zobaczyć, która kombinacja szerokości i odstępów ścieżek da pożądaną impedancję różnicową, spójrzmy na wyniki symulacji. W poniższym przykładzie przejdę przez następujący proces

• Oblicz odstęp ścieżek potrzebny dla określonej szerokości ścieżki w parze mikropasków różnicowych, mając na celu osiągnięcie celowej impedancji różnicowej 100 omów.
• Przeskanuj przez wiele wartości grubości dielektryka (odległość do płaszczyzny odniesienia mikropaska).
• Dla każdej wartości grubości dielektryka zanotuj potrzebną szerokość ścieżki dla impedancji charakterystycznej 50 omów.

Wykonam to w Altium Designer za pomocą Menadżera Stosu Warstw, aby użytkownicy mogli je replikować. Na poniższym wykresie pokazałem zestaw wartości odstępów wymaganych dla różnicowych mikropasków dla różnych szerokości ścieżek i grubości dielektryków (oznaczonych poniżej jako H, wykreślonych dla celowego różnicowego impedancji 100 omów i Dk = 4.8, bez uwzględnienia dyspersji czy chropowatości). Idea tutaj polega na określeniu wymaganego odstępu dla danej szerokości z celem osiągnięcia określonej wartości impedancji różnicowej.

Zauważ, że oś y jest na skali logarytmicznej dla jasności. Moglibyśmy wygenerować nowy zestaw krzywych dla innych wartości Dk i wartości impedancji par różnicowych. Te krzywe powinny ilustrować rolę grubości dielektryka; w miarę jak odległość od mikropaska do jego płaszczyzny masy wzrasta, stosunek szerokości do odstępu wymagany do osiągnięcia impedancji 100 omów zależy mniej od odległości do masy (zobacz krzywe impedancji dla 60 mils i 45 mils).

Jak wartości szerokości pokazane powyżej porównują się do wartości wymaganej dla impedancji charakterystycznej 50 omów? Poniższy wykres pokazuje te wartości. To ładny liniowy model, który ilustruje nasycenie występujące przy szerokich szerokościach ścieżek; gdy ścieżka jest szeroka, stosunek szerokości do grubości staje się stały.

Teraz, znając wartości impedancji charakterystycznej oraz pary szerokości i odstępów ścieżek, możemy określić odstęp, który powoduje, że szerokość ścieżki dla impedancji nieparzystej 50 omów również generuje impedancję charakterystyczną 50 omów.

Ten wykres może wyglądać skomplikowanie, ale ma prostą interpretację. Wartość odstępu, przy której każda krzywa przecina wartość 1 na osi y, spowodowałaby, że szerokość ścieżki w parze różnicowej byłaby równa szerokości ścieżki, gdy ścieżka nie jest częścią pary różnicowej, jednocześnie zachowując tę samą impedancję. Innymi słowy, ścieżka w izolacji i ścieżka w parze miałyby tę samą szerokość i impedancję 50 omów przy jednej konkretnej wartości odstępu dla każdej grubości dielektryka.

Niestety, impedancja nieparzysta i impedancja charakterystyczna nigdy nie są równe; zdarzyłoby się to tylko w granicy dużych odstępów, lub gdy pary są oddzielone od siebie nieskończoną odległością! Wartość, gdzie y = 1, jest asymptotą na tym wykresie. Jeśli dielektryk jest cienki (<15 mils), wtedy będziesz bliżej uzyskania zbieżności szerokości ścieżek dla danej odległości ścieżek w parze różnicowej.

Jako przykład, jeśli weźmiemy dielektryk o grubości 5 mils przedstawiony na Rysunku 3 i obliczymy szerokość ścieżki dla impedancji trybu nieparzystego, otrzymalibyśmy 6,184 mils. Jeśli następnie użyję tego do obliczenia impedancji charakterystycznej, otrzymałbym wartość 55 omów, czyli tylko 10% odchylenia. Jest to mniej więcej górna granica odchyleń impedancji, jaką można zaakceptować w niektórych standardach sygnalizacji. Jako przykład, USB SuperSpeed jest bardziej tolerancyjne i pozwala na szerokie wahania impedancji par różnicowych (a więc i impedancji trybu nieparzystego).

Korzystanie z odstępów i szerokości ścieżek na swoją korzyść

Możesz się zastanawiać, czy naprawdę tak ważne jest, aby mieć jedną szerokość ścieżki, która będzie działać zarówno dla impedancji charakterystycznej, jak i impedancji trybu nieparzystego? Istnieją trzy dobre powody dla tego:

• Sprowadza problem projektowania kanału różnicowego z problemu związanego z 2 zmiennymi do problemu związanego z 1 zmienną: odstępem.
• Jest łatwiej dla producentów zapewnić kontrolowaną impedancję, gdy projektujesz tylko do jednej szerokości ścieżki, która działa zarówno dla impedancji różnicowej, jak i jednokierunkowej. W zależności od tolerancji w twoim projekcie, możesz być w stanie użyć jednej szerokości, aby zmieścić się w tolerancjach zarówno dla specyfikacji jednokierunkowych, jak i różnicowych.
• Możesz rozdzielić ścieżki podczas trasowania kanału różnicowego, nawet bardzo blisko odbiornika, i nie musisz martwić się o odbicia, ponieważ każdy koniec ścieżki będzie dopasowany do impedancji wejściowej dla każdego portu, patrząc od strony odbiornika.

Zauważ, że jest to łatwiejsze na cieńszych dielektrykach, nie uzyskasz niemal takiego samego poziomu zgodności między charakterystyczną szerokością ścieżki a szerokością ścieżki w trybie nieparzystym na grubym dielektryku. Możesz również zdecydować się na alternatywny styl, jak pary różnicowe koplanarne, jeśli chcesz mieć więcej swobody w pracy z grubszymi dielektrykami.

Kiedy potrzebujesz zaprojektować i trasować z określoną impedancją pary różnicowej, użyj najlepszego zestawu funkcji trasowania PCB, układu i symulacji w Altium Designer®. Zintegrowany silnik zasad projektowania i Layer Stack Manager dają ci wszystko, czego potrzebujesz, aby zaprojektować z określoną impedancją pary różnicowej i szybko trasować ścieżki na PCB. Kiedy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Rozpocznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.