Szerokość ścieżki w technologii stripline a microstrip dla pożądanej impedancji: Czy są takie same?

Co jakiś czas otrzymuję interesujące pytania dotyczące trasowania, układu, integralności sygnału i tym podobnych. Staram się na nie odpowiadać, kiedy tylko mam czas, ale czasami jedno z tych pytań przykuwa moją uwagę i czuję potrzebę, aby udzielić odpowiedzi większej liczbie projektantów. Bez zbędnych ceregieli, oto pytanie, które otrzymałem na temat szerokości linii mikropaskowej i stripline wymaganej do kontrolowanej impedancji.

Mam pytanie dotyczące mikropaski i stripline. Czy możliwe jest użycie tej samej wartości T, H i W linii transmisyjnej dla mikropaski i stripline? Chciałbym, aby impedancja dla stripline wynosiła około 32 omy.

Pytanie wydawało się na początku nieco niejasne, ale odczytałem je następująco: Jeśli ustalę najlepszą szerokość dla mikropaski, czy mogę użyć tej samej szerokości dla stripline, przy założeniu tej samej masy miedzi i odległości do płaszczyzny odniesienia? Lubię tego typu pytania, ponieważ wracają one do ważnych, a często pomijanych aspektów trasowania i projektowania ścieżek. Przyjrzyjmy się temu nieco bliżej, ponieważ porusza to kilka interesujących obszarów projektowania wysokich prędkości i kontroli impedancji w PCB.

Krótko mówiąc: Spójrz na linie pola!

Nie, nie można użyć tej samej szerokości dla dwóch różnych geometrii linii transmisyjnych i oczekiwać, że będą miały tę samą impedancję. Możemy to zobaczyć zarówno matematycznie, jak i koncepcyjnie. Z perspektywy koncepcyjnej, ścieżki na mikropasku emitują swoje pole w maskę lutowniczą i powietrze nad dielektrykiem. Siła pola w tych regionach jest inna niż w dielektryku, więc nie możemy racjonalnie oczekiwać, że te linie pola wytworzą ten sam wzór konturu i prąd przemieszczenia w płaszczyźnie odniesienia, co linia pola, która wskazuje bezpośrednio przez dielektryk do płaszczyzny odniesienia. Ta zmienność wartości Dk wokół ścieżki powoduje, że sygnały na mikropasku mają prędkość, która jest określona przez efektywną stałą dielektryczną, a nie surową wartość Dk substratu PCB.

W linii paskowej, pole elektryczne przechodzi tylko przez dielektryk; nie ma powietrza. Innymi słowy, stała dielektryczna to po prostu wartość Dk; nie ma "efektywnej Dk" w ten sam sposób co w mikropasku. Oznacza to, że dla danej linii pola przechodzącej z linii paskowej przez dielektryk, spodziewalibyśmy się większego prądu przemieszczenia w płaszczyznach odniesienia, a zatem spodziewalibyśmy się, że zmierzona impedancja charakterystyczna między linią paskową a płaszczyzną odniesienia będzie niższa.

Okazuje się, że linie pola są znacznie bardziej użyteczne, niż mogłoby się wydawać na podstawie danych symulacyjnych. Jeśli chcesz uzyskać bardziej dogłębny wgląd, warto przyjrzeć się równaniom opisującym impedancję charakterystyczną obu typów linii transmisyjnych.

Dłuższa odpowiedź: Przyjrzyj się równaniom dla linii paskowej i mikropaskowej!

Aby naprawdę zobaczyć, jak impedancja linii paskowej i mikropaskowej zmienia się w zależności od szerokości, musimy zacząć od impedancji charakterystycznej tych linii transmisyjnych. Zapoznaj się z tymi artykułami, aby znaleźć te równania:

• Wyjaśnienie kalkulatorów i wzorów impedancji ścieżek
• Kalkulatory i wzory impedancji symetrycznej linii paskowej

Aby naprawdę zobaczyć, jak szerokości ścieżek dla tych linii transmisyjnych się porównują, musimy nanieść na wykres impedancję charakterystyczną w zależności od szerokości ścieżki. Można to łatwo zwizualizować, jeśli zmienimy szerokość (naprawdę, stosunek W/H w tych równaniach) przy zachowaniu stałych wszystkich innych parametrów.

Poniższy obraz przedstawia obliczoną rzeczywistą część impedancji charakterystycznej mikropaska i linii paskowej na FR4 (Dk = 4.4, tangens strat = 0.02). Założyłem płytę o 8 warstwach z równymi odstępami między warstwami dielektrycznymi dla uproszczenia, a masa miedzi została ustalona na 0,5 oz/ft². Linia paskowa jest również symetryczna względem płaszczyzn odniesienia. Tutaj skupiłem się na rzeczywistej impedancji, ponieważ część urojona jest bardzo mała.

Oczywiście, nie możemy użyć tej samej szerokości dla mikropaska i linii paskowej i oczekiwać, że zobaczymy tę samą impedancję charakterystyczną, nawet jeśli wszystko inne pozostaje stałe. Stąd możemy zobaczyć, że dla użytej stałej dielektrycznej i stosu warstw, mikropasek o szerokości ~16 mil będzie miał mniej więcej taką samą impedancję jak linia paskowa o szerokości ~7 mil. Powyższe krzywe nie powinny być mylone z impedancją wejściową, która zależy od długości linii i impedancji wejściowej przy obciążeniu, co z kolei zależy od schematu zakończenia.

Jeśli chcesz zobaczyć, co dzieje się w bardziej realistycznej sytuacji, musimy wziąć pod uwagę impedancję wejściową, ponieważ to właśnie ona jest "widziana" przez sygnał, gdy jest wprowadzany przez sterownik na linię transmisyjną. Poniższy wykres pokazuje wielkość impedancji wejściowej dla 1 m długiej mikropaski i linii paskowej przy pasmie 1 GHz (czas narastania sygnału cyfrowego 350 ps) z pojemnością obciążenia 10 pF z równoległym (szeregowym) zakończeniem przy 50 omach.

Ten wykres powinien zilustrować znaczenie zakończenia w liniach transmisyjnych. Istnieje zakres szerokości, gdzie impedancja może być powyżej lub poniżej wartości docelowej. Ponownie, nie możemy po prostu użyć szerokości określonej dla mikropaski i oczekiwać, że zobaczymy tę samą impedancję wejściową dla linii paskowej, i odwrotnie. Co ciekawe, w tym konkretnym układzie, linia paskowa osiąga ~50 omów w wąskim zakresie szerokości. Jeśli impedancja wejściowa obciążenia lub impedancja zakończenia się zmienią, nie będziemy mieli tej samej kondycji.

Zamiast zgadywać odpowiednią szerokość ścieżki dla projektowania z kontrolowaną impedancją, Altium Designer® daje dostęp do zintegrowanego rozwiązania 3D od Simberian, aby pomóc Ci szybko tworzyć profile impedancji dla Twoich szybkich i wysokoczęstotliwościowych PCB. Będziesz mógł natychmiast zobaczyć kompromisy między szerokością Twojej linii paskowej a mikropaskowej oraz impedancją, gdy tworzysz swoją płytę. Będziesz miał również funkcje, które potrzebujesz, aby określić odpowiedni schemat zakończenia dla Twoich szybkich PCB.

Altium Designer na Altium 365® dostarcza niespotykany dotąd poziom integracji dla branży elektronicznej, dotychczas zarezerwowany dla świata rozwoju oprogramowania, pozwalając projektantom pracować z domu i osiągać niespotykane poziomy efektywności.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Możesz sprawdzić stronę produktu dla bardziej szczegółowego opisu funkcji lub jednego z Webinarów na Żądanie.