Impedância de Par Diferencial: Usando uma Calculadora para Projetar sua PCB

A impedância diferencial na sua PCB é um tópico um pouco complexo e frequentemente mal compreendido. Eu também já tive alguns equívocos sobre o que era necessário para garantir que os pares diferenciais operassem corretamente para diferentes taxas de borda de sinal e protocolos digitais de alta velocidade. A menos que seu projeto digital esteja operando apenas com barramentos de extremidade única que não têm uma especificação de impedância (SPI, I2C, etc.), você terá que usar o roteamento de pares diferenciais para mover dados de alta velocidade entre componentes. Isso pode envolver barramentos paralelos amplos como DDR, canais SerDes ou protocolos seriais puramente diferenciais. Todos esses precisam de um cálculo preciso da impedância de traço, incluindo a impedância diferencial.

Os resultados de um calculador de impedância de par diferencial são frequentemente mal compreendidos, com várias definições girando em torno da impedância de extremidade única, impedância característica e impedância de modo ímpar sendo confundidas e às vezes usadas de forma intercambiável. Para ajudar os projetistas que podem estar procurando orientação, a Altium criou este guia para ajudar os projetistas a entender os resultados de um calculador de impedância de par diferencial e algumas diretrizes importantes para ajudar a implementar os resultados no processo de design.

Usando um Calculador de Impedância de Par Diferencial

É fácil obter um número de um calculador de impedância, mas entender o que o número significa e como usá-lo são os verdadeiros desafios. Calculadores de impedância de pares diferenciais retornarão pelo menos dois valores importantes, e é importante entender o que esses valores significam/como usá-los. O valor da impedância diferencial que é retornado pela maioria dos calculadores é igual à soma das impedâncias de modo ímpar para cada traço:

Quando os dois traços são projetados com a mesma impedância exata, então, ao dividir a impedância diferencial por 2, você obtém o valor da impedância de modo ímpar de cada traço:

Tudo isso inclui contribuições do acoplamento. Na prática, o papel de um calculador de impedância de pares diferenciais é calcular uma das impedâncias de modo ímpar ou diferencial, e então usar isso para calcular a outra, assumindo que as duas extremidades do par obedecem a geometrias específicas. Apenas para dar aos projetistas um ponto de partida, veja estes calculadores de impedância diferencial que você pode usar para obter uma estimativa inicial da impedância diferencial para microstrips e striplines.

• Use um calculador online de impedância de microstrip diferencial
• Use um calculador online de impedância de stripline diferencial

Calculando Impedância Diferencial vs. Impedância de Modo Comum

A impedância de traço (unilateral) em um traço individual é normalmente calculada ignorando quaisquer traços vizinhos, então nenhum acoplamento a outros condutores no design será incluído. Isso significa que a impedância unilateral é apenas a impedância característica. Isso não se aplica para a impedância diferencial; em pares diferenciais, a impedância diferencial é determinada pelo acoplamento capacitivo e indutivo entre cada traço no par. Como resultado, a impedância unilateral de um traço em um par diferencial não é a impedância característica do mesmo traço; o valor é a impedância de modo ímpar e a diferença surge devido ao acoplamento parasitário entre os dois traços. A impedância de modo ímpar e a impedância característica só convergem uma para a outra quando a separação entre traços tende ao infinito.

Para a impedância de pares diferenciais, existem algumas fórmulas simples que você pode usar para estimar a impedância do par (quando não está conectado a nenhuma carga) usando apenas a impedância característica e a força de acoplamento. Dê uma olhada neste webinar com Ben Jordan para aprender mais sobre esse cálculo e para ver uma fórmula simples para microstrips diferenciais. Os calculadores mostrados acima usam as equações de Wadell, mais precisas, para linhas de transmissão acopladas, que são amplamente consideradas como os melhores modelos analíticos que podem contabilizar a impedância sem perdas.

Para os matemáticos de plantão, o conteúdo de frequência em um sinal digital pode ser representado como uma soma de frequências analógicas, e cada parte analógica de um sinal digital verá uma constante dielétrica ligeiramente diferente devido à dispersão cromática no dielétrico. Isso significa que o acoplamento em um par diferencial que carrega sinais digitais varia ao longo do espectro de frequência de um sinal digital ou de um sinal analógico de banda larga. Infelizmente, os calculadores de impedância diferencial ficam aquém nesta área específica, bem como em várias outras, que explicarei abaixo.

O que um Calculador de Impedância de Par Diferencial Não Considera

Os calculadores de impedância de pares diferenciais que você encontra online fornecem uma boa estimativa inicial da impedância que você pode esperar para a sua geometria específica. Para fluxos de bits digitais inferiores a Gbps (geralmente com tempo de subida superior a 100 ps), os resultados serão razoavelmente precisos; sinais nesta faixa podem ter limites de desvio generosos, então pequenas imprecisões no cálculo da impedância não arruinarão os sinais, desde que a correspondência de comprimento seja aplicada ao longo de um interconector. Taxas de dados mais altas/velocidades de borda mais rápidas são mais propensas a falhas devido a erros que são inerentes ao uso de aplicativos de calculadora simples e uma calculadora online. É importante saber o que um calculador de impedância diferencial não vai te dizer, bem como o que você precisa levar em conta ao projetar o empilhamento da sua PCB:

Constante de Propagação e Perdas

A maioria dos calculadores online não fornecerá o valor da constante de propagação ou da atenuação dos sinais transmitidos por um par diferencial. Caso o façam, é apenas em uma única frequência especificada pelo usuário, e essa frequência especificada não é usada diretamente no cálculo. Como os sinais digitais são de banda larga e não têm potência concentrada em uma única frequência, o resultado não será representativo do verdadeiro comportamento de propagação no seu design específico. Se você obtiver um valor para a constante de propagação em um calculador de impedância de par diferencial, quase sempre será apenas a velocidade de fase sem incluir perdas. Isso está relacionado a outra desvantagem dos calculadores de impedância mais simples: a constante dielétrica.

Constante Dielétrica e Dispersão

Para sinais digitais e sinais analógicos de banda larga, precisamos levar em conta o espectro de frequência do sinal ao calcular a impedância diferencial. Obter um resultado preciso de um calculador de impedância diferencial exige que você conheça a constante dielétrica complexa do substrato em todas as frequências até um certo valor de largura de banda limite, ou seja, considerando a dispersão. Para um traço de sinal único operando em uma frequência (por exemplo, sinais RF), está tudo bem se você souber o valor da constante dielétrica em uma única frequência. Para sinais digitais, não adotar uma abordagem de banda larga e comparar a propagação em toda a largura de banda do sinal mascara o verdadeiro potencial para distorção e perdas durante a propagação, bem como o desvio da impedância alvo devido a perdas.

Essa é uma razão pela qual você deve aproveitar a experiência do seu fabricante e o conjunto de materiais ao projetar o empilhamento e determinar a impedância. Eles podem fornecer dados da constante dielétrica e um arranjo de traços que atinja uma impedância particular. Você pode então programar isso em sua ferramenta de design e usá-lo para garantir que você está dentro dos limites de correspondência de comprimento. Você também pode brincar com os parâmetros geométricos para garantir que você está dentro da janela de impedância desejada até uma certa tolerância.

Entrelaçamento de Fibra e Efeito Pelicular

Nunca vi um calculador de impedância online que possa levar em conta os efeitos da trama de fibra ou da aspereza. Um motivo para isso é a natureza pseudo-aleatória da trama de fibra. Se você não está roteando em tramas apertadas, então o desvio criado em cada traço por uma trama aberta é imprevisível, então você teria que abordar o problema estatisticamente. Com a aspereza, a impedância e a perda criadas pelo efeito pelicular e aspereza são específicas do processo e precisam ser incluídas com base em dados tabulados. No entanto, existem alguns modelos básicos que podem ser usados para determinar o aumento da magnitude da impedância do efeito pelicular devido à aspereza do cobre, e estes serão incluídos em calculadoras mais avançadas que você geralmente não encontra online.

Impedância de Entrada

Os valores obtidos de um calculador de impedância de par diferencial online correspondem a um par diferencial isolado, eles não consideram o componente de carga e não estão calculando a impedância de entrada. Para o casamento de impedância complexo, a impedância de entrada é importante, pois esta é a impedância vista por um sinal à medida que entra no par diferencial. Isso precisará ser calculado manualmente ou usando um simulador de reflexão integrado a ferramentas de roteamento avançadas, e isso tem que ser feito com o valor de impedância complexa que inclui a constante dielétrica completa.

Cálculos de Impedância de Par Diferencial no Seu Designer de Empilhamento de Camadas

Devido às limitações acima com ferramentas simples de cálculo de impedância de par diferencial, as empresas de software ECAD/EDA tomaram várias medidas para ajudar os designers a acelerar os cálculos de impedância e constante de propagação de par diferencial. Sua ferramenta de design de empilhamento de camadas deve ajudá-lo a projetar para a impedância que você precisa, dando-lhe acesso a um calculador de impedância de par diferencial mais avançado. A impedância diferencial que você obtém de um calculador típico que você encontra online é apenas uma aproximação; ferramentas mais avançadas são necessárias para verificar o resultado e estabelecer uma regra de design que imponha a largura de trilha correta durante o roteamento.

O ferramental de design de empilhamento de camadas do Altium Designer está integrado ao Editor de PCB, permitindo que você acesse rapidamente um poderoso solucionador de campo 2D que acomoda os quatro arranjos comuns de trilhas diferenciais, incluindo arranjos coplanares. Para acessar esses recursos, basta abrir seu empilhamento de camadas no Editor de PCB e clicar na aba de Impedância. A partir daqui, você pode criar um perfil de impedância que executará cálculos de impedância baseados no seu empilhamento e arranjo de trilhas selecionado. Certifique-se de copiar a constante dielétrica apropriada para o empilhamento para garantir que você calculou a impedância diferencial correta.

Observe também que metade da impedância diferencial, que é a impedância de modo ímpar de um único traço, não é a mesma coisa que a impedância característica de um traço no par. Se você planeja rotear seus pares diferenciais distantes um do outro, então a impedância relevante é a impedância característica do traço, não a impedância de modo ímpar de um único traço. Eu discuti este ponto em outros artigos sobre design e roteamento de pares diferenciais; você pode ler mais nestes artigos:

• Como Projetar para uma Especificação de Impedância Diferencial
• Deve Usar Espaçamento de Par Diferencial Apertado vs. Solto e Acoplamento?

Reserve um tempo para conferir o Gerenciador de Pilhas de Camadas no Altium Designer^® e veja como você pode facilmente usar o melhor calculador de impedância de par diferencial para construir sua pilha de camadas. Quando você terminar sua pilha de camadas e estiver pronto para ter seu design avaliado pelo seu fabricante, você pode liberar os arquivos de design com a plataforma Altium 365^™. Nenhuma outra combinação de ferramentas de design torna tão fácil colaborar e compartilhar seus projetos.

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