Linhas de Transmissão Assimétricas em Sua Próxima PCB Multicamada

A beleza da simetria na arte, ciência e na natureza, de modo geral, é algo maravilhoso. O equilíbrio visual entre elementos em uma pintura ou desenho pode valorizar ou depreciar uma obra de arte. O design de PCB é tanto arte quanto engenharia, e a simetria desempenha tanto um papel técnico quanto estético.

Desde seus humildes inícios como substituto para cabos coaxiais de alta frequência e guias de onda, as striplines são uma constante entre os projetistas de PCBs RF e HDI de múltiplas camadas. Esses condutores podem ser compactamente acomodados nas camadas internas de um PCB de múltiplas camadas, onde o dielétrico circundante suprime a radiação e fornece compensação de dispersão. Obrigado Robert Barrett!

Arranjos de Stripline Simétricos vs. Assimétricos

A stripline simétrica é o arranjo de trilha embutida mais simples, logo após a microstrip embutida. Em contraste com trilhas microstrip ou microstrip embutidas, as trilhas de stripline ficam embutidas na camada da placa de PCB, com planos de terra de cobre sólido colocados acima e abaixo das trilhas. Camadas internas em um PCB de múltiplas camadas tipicamente contêm trilhas de stripline.

Como essas trilhas são embutidas entre planos de terra, elas possuem uma imunidade EMI particularmente desejável, e outros componentes no PCB serão imunes a qualquer EMI produzido pelas striplines.

Em contraste com as linhas de transmissão simétricas, as linhas de transmissão assimétricas não são centralmente embutidas entre os planos de terra. As linhas de transmissão assimétricas são colocadas mais próximas a um dos planos de terra circundantes. Ao rotear sinais usando linhas de transmissão assimétricas, o plano de terra mais próximo deve ser usado como referência para a linha de transmissão, pois isso garante que um sinal de retorno mais forte será induzido no plano de terra.

Em um arranjo mais complicado, as linhas de transmissão podem ser organizadas como um par paralelo acoplado de condutores dentro de uma única camada. Este arranjo acoplado pelas bordas coloca um par de trilhas na mesma camada com as mesmas distâncias entre os planos de terra. Este arranjo possibilita o roteamento de pares diferenciais dentro de uma dada camada.

Um arranjo mais interessante é usar um arranjo acoplado pela placa, onde duas linhas de transmissão assimétricas são empilhadas uma sobre a outra em um arranjo simétrico. Embora isso possa exigir uma placa mais espessa para acomodar as linhas de transmissão empilhadas, isso economiza espaço lateral na placa e permite uma maior densidade de interconexão entre os dois planos de terra. Este arranjo também pode ser usado para o roteamento de pares diferenciais, uma vez que as duas linhas de transmissão são paralelas.

Interconexões de microstrip e via em PCB multicamadas verde

Múltiplos Calculadores, Múltiplos Valores

Não há vergonha em não memorizar todas as equações de impedância para cada possível arranjo de trilhas. Se você pesquisou na internet procurando por um calculador de impedância para o seu arranjo de stripline, precisará examinar de perto seus resultados e compará-los com os resultados de outros calculadores.

Você também vai querer comparar as equações usadas com vários calculadores. Existem vários métodos para calcular a impedância de uma stripline assimétrica única. Alguns calculadores usam uma diferença entre funções logarítmicas, outro usa uma função de potência com dependência aproximadamente de 6ª ordem em um número dos parâmetros geométricos, e sem dúvida há outras fórmulas que podem ser encontradas através de uma pesquisa na internet.

Esses calculadores podem produzir resultados bastante diferentes dependendo dos parâmetros estruturais que definem o arranjo da stripline. Dois calculadores diferentes podem produzir diferenças que variam de 5 a 10 Ohms. O verdadeiro valor da impedância provavelmente está em algum lugar entre esses valores. Isso cria grandes problemas com a correspondência de impedância em seu PCB

Ao trabalhar com sinais de alta velocidade ou alta frequência, uma incompatibilidade de impedância de 5 Ohms é significativa o suficiente para contribuir para problemas como ressonância devido a ressonância em frequências específicas. Em sinais de alta frequência, a ressonância em uma linha de transmissão leva a uma radiação significativa. Com linhas de transmissão assimétricas, isso pode criar um problema em placas HDI. Felizmente, placas com menor densidade de roteamento não serão afetadas por essa EMI devido ao dielétrico circundante.

Dados esses problemas potenciais que podem surgir ao trabalhar com um calculador de impedância, é melhor usar uma simulação numérica para determinar a impedância. A maioria das pessoas não tem acesso a esse tipo de software, mas o investimento pode valer a pena. Alternativamente, considere usar outra estratégia de design para prevenir ou suprimir a ressonância.

Modulação de Parâmetros e Pares Diferenciais

Devido à relação altamente não linear entre a impedância em arranjos de linhas de transmissão assimétricas e sua geometria, torna-se importante ter um entendimento geral de como a impedância é afetada por pequenas mudanças no arranjo da linha de transmissão. Trabalhar com pares diferenciais de linhas de transmissão assimétricas segue muitas das mesmas regras que as trilhas de microstrip.

Mover uma única linha de transmissão para longe da disposição simétrica e deslocá-la em direção a um dos planos de terra cria uma pequena diminuição na impedância. Esse deslocamento é, por si só, simétrico; não importa se você move a linha de transmissão para cima ou para baixo, um determinado deslocamento em qualquer direção causará a mesma mudança na impedância.

Trabalhar com pares diferenciais de linhas de transmissão assimétricas é um pouco mais complicado, mas algumas das mesmas regras que ocorrem com microfaixas diferenciais se aplicam a linhas de transmissão simétricas e assimétricas. Se o espaçamento for muito grande, o valor da impedância saturará em um valor particular, e a força de acoplamento será reduzida.

Uma vez que o espaçamento é alterado, a impedância de pares de microfaixa e pares assimétricos mudará de maneiras diferentes. Se as trilhas tiverem grande separação, movê-las para mais perto inicialmente aumenta os valores de impedância do par diferencial. Em uma disposição de microfaixa, a impedância do par continuará aumentando à medida que o par for movido para mais perto, e isso continua uma vez que o espaçamento é reduzido para menos do que a largura das trilhas.

Isso não acontece com pares de linhas em stripline. À medida que as trilhas são aproximadas, trazer o par para mais perto primeiro aumenta e depois diminui os valores de impedância par, ímpar e diferencial. Uma vez que as trilhas são colocadas muito próximas, de tal forma que o espaçamento é muito menor do que a largura da trilha, os valores de impedância ímpar e diferencial diminuirão drasticamente e podem cair para tão baixo quanto alguns Ohms.

Trilhas roteadas em uma PCB azul

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