Distância de Isolamento da Placa de Terra em Microstrip: Quão Próximo é Demais?

Se você der uma olhada em qualquer diretriz sobre dimensionamento e cálculo da largura para trilhas de impedância controlada, verá claramente que a largura da trilha é calculada sem qualquer terra próxima à trilha. No entanto, a maioria dos projetistas (e diretrizes básicas de layout de PCB) afirmará que áreas não utilizadas em cada camada do PCB devem ser preenchidas com cobre aterrado.

Existe uma contradição óbvia aqui que não é tão bem discutida na comunidade de design de PCB. Se você aproximar um pouco de terra de uma trilha microstrip, você agora formou uma configuração de guia de onda coplanar, e agora a impedância da interconexão dependerá do espaçamento entre a borda da trilha e o cobre aterrado. Então, agora a questão se torna, quanto de espaço entre a trilha microstrip e o plano de terra você precisa para garantir que atingiu seus objetivos de impedância?

Neste artigo, quero examinar mais de perto essa questão. Explicações anteriores focam em uma gama de impedâncias possíveis que ignoram os requisitos de design prático em componentes modernos. Se você quer saber a mínima distância de isolamento entre a trilha microstrip e o terra necessária para garantir uma impedância controlada, continue lendo e você encontrará uma boa resposta para uma gama de possíveis larguras de trilha. Os resultados da exploração de design que mostrarei revelam que a mesma explicação também se aplica a linhas de transmissão em uma camada interna.

O Processo de Design de Impedância Controlada

Em placas que requerem roteamento com impedância controlada, há um processo de design particular que você geralmente verá para uma rede específica/grupo de redes ao iniciar o design:

• Determinar o alvo de impedância para as redes específicas sendo consideradas
• Determinar o empilhamento que você estará usando e onde você estará roteando
• Escolher um estilo de roteamento (microstrip, stripline, guia de onda coplanar, single-ended vs diferencial)
• Calcular a largura da trilha necessária para fornecer a impedância requerida

Após tudo estar roteado, surge agora a questão de se é apropriado preencher as regiões não utilizadas das camadas superficiais e internas com o derramamento de cobre aterrado. No entanto, esta é agora uma questão de se o derramamento de terra está muito próximo do traçado. A imagem abaixo mostra um exemplo de um traçado RF operando em alta frequência (5,8 GHz), que funcionará então como uma linha de alimentação para uma antena.

O exemplo acima é bastante importante, pois muitas notas de aplicação para componentes com saídas RF recomendarão exatamente este tipo de roteamento, possivelmente com uma cerca de vias ao longo do traçado. A intenção aqui é isolar o traçado RF de EMI que possa vir de outras partes do layout, ou de alguma fonte externa. No entanto, estas mesmas notas de aplicação geralmente fornecem uma diretriz excessivamente conservadora sobre o espaçamento entre o traçado RF e o derramamento de cobre GND próximo. Então, quão perto do terra você pode colocar seu traçado de impedância controlada?

É uma Linha de Transmissão Microstrip ou um Guia de Onda Coplanar?

Por enquanto, quero focar em microstrips de extremidade única porque são conceitualmente fáceis, mas tudo o que estou prestes a escrever aplica-se igualmente a linhas de fita. As mesmas ideias também se aplicam ao roteamento de pares diferenciais.

Se as camadas de aterramento na superfície da imagem acima estiverem muito próximas do traço, então temos uma guia de onda coplanar, não um microstrip. Teoricamente, quando as camadas de aterramento na superfície estão a uma distância infinita do traço, então voltamos a um microstrip. Se você aproximar demais a folga do plano de terra do traço, alterará a impedância do microstrip devido à capacitância parasita entre a borda do traço e o aterramento. É por isso que as linhas de transmissão de microstrip de extremidade única e as guias de onda coplanares de extremidade única nem sempre têm a mesma largura de traço; a guia de onda coplanar geralmente requer uma largura menor para ter a mesma impedância que um microstrip na mesma configuração.

A partir do exposto, podemos ver por que os traços de guia de onda coplanar podem precisar ser menores do que um microstrip na mesma camada e configuração. A capacitância parasita aumenta a capacitância total por unidade de comprimento do traço, então L precisa ser aumentado para compensar, trazendo assim a impedância de volta a 50 Ohms. Na próxima seção, usarei essa ideia para testar quando o aterramento está com uma folga muito próxima do traço, observando o desvio da impedância de um alvo de 50 Ohms como função da folga do aterramento.

Testando a Regra do "3W"

Existe, na verdade, uma regra prática aqui. Esta é a regra do "3W", que afirma que o espaçamento entre o traço e o plano de terra próximo deve ser de pelo menos 3x a largura do traço. Como veremos em breve, esta diretriz é excessivamente conservadora e não leva em conta múltiplos fatores. Na realidade, o espaçamento mínimo necessário dependerá de:

• O estilo de roteamento (microstrip vs. stripline)
• Se o roteamento é de par único ou diferencial
• A constante dielétrica do substrato
• A distância entre o traço e seu plano de terra na próxima camada

Uma vez que estamos olhando para uma situação onde você precisa determinar a largura do traço necessária para uma impedância controlada, vou testar a regra do 3W comparando a largura do traço necessária para produzir uma microstrip de 50 Ohms de impedância com uma guia de onda coplanar da mesma impedância. Farei isso para várias espessuras de camadas para que possamos ver como o método para determinar os parâmetros intrínsecos das linhas de transmissão em tira afeta o afastamento necessário do plano de terra. Aqui, o objetivo é determinar o espaçamento mínimo necessário para produzir uma guia de onda coplanar com a mesma impedância e largura de traço que uma microstrip.

Resultados

Primeiramente, gerei um conjunto de curvas mostrando a largura do microstrip, a largura da stripline e as larguras coplanares (camadas internas e superficiais) necessárias para produzir uma impedância de 50 Ohms em um laminado 370HR Isola (Dk ~ 4.1, ~0.02 tangente de perda @ 1 GHz). Esses cálculos foram realizados no Polar. A imagem abaixo mostra esses resultados e permite comparar as larguras dos traços para cada tipo de traço para um espaçamento específico de traço para aterramento de 5 mils.

A partir daqui, podemos ver que existem configurações específicas onde um CPW e um microstrip/stripline terão impedância de 50 Ohms e a mesma largura de traço, mesmo que a distância de clearance do aterramento para o traço no CPW seja bastante próxima.

O próximo gráfico investiga isso mais a fundo. Ele mostra o espaçamento mínimo de traço para aterramento necessário para produzir uma microstrip de 50 Ohms e um guia de onda coplanar de 50 Ohms com a mesma largura de traço. Os resultados também são mostrados para uma stripline e um guia de onda coplanar em uma camada interna.

A interpretação do gráfico acima é muito simples: ele mostra o espaçamento mínimo entre trilha e terra em um CPW necessário para produzir a mesma impedância em um microstrip/stripline quando ambos possuem a mesma largura de trilha. A partir daqui, podemos finalmente gerar nosso teste da regra de 3W. Simplesmente divida os dados do eixo y pelos dados do eixo x para produzir o seguinte gráfico:

É bastante claro que a regra de 3W é excessivamente conservadora, exceto em casos com roteamento em stripline em dielétricos finos. Siga-a se desejar, pois isso evitará interferência excessiva com sua impedância. No entanto, essa distância pode não fornecer o isolamento de que você precisa. Esta é uma área que pode ser testada com um solucionador de campo, observando os parâmetros de rede acoplados e os coeficientes de diafonia entre diferentes interconexões.

Os resultados acima mostram o caso em que os laminados que suportam um microstrip ou stripline simétrico têm Dk = 4.1. O que acontece se, em vez disso, usarmos um laminado com Dk mais baixo? Isso afetará os resultados?

De fato, os resultados são afetados porque a capacitância de retorno para o cobre próximo será menor. Isso ocorre porque a capacitância parasita entre um traço e o cobre próximo é proporcional à constante dielétrica tanto em configurações de stripline quanto de microstrip. Portanto, uma menor capacitância parasita entre essas estruturas significaria que devemos esperar uma menor desvio de impedância para uma dada distância entre o traço e o cobre.

O gráfico abaixo mostra mais resultados de simulação para a relação entre distância e largura, mas em um material com Dk = 3 (como o RO3003). Podemos ver que uma menor relação entre distância e largura é permitida perto do cobre, incluindo no caso de laminados muito finos. Esses resultados apoiam certos designs, como sistemas RF em laminados finos, bem como designs HDI com pitch fino.

Adotei uma abordagem semelhante aqui para calcular diretamente as capacitâncias esperadas para um cobre infinitamente grande em outro artigo sobre extração parasita. Para saber mais sobre os efeitos do cobre próximo a linhas de transmissão que requerem a obtenção de uma especificação de impedância, assista ao vídeo abaixo. Neste vídeo, descrevo os pontos acima com muito mais detalhes, e

Resumo

A partir dos resultados acima, deve ficar muito claro que a regra dos 3W usada para determinar o espaçamento entre o microstrip e o plano de terra próximo é excessivamente conservadora. Note que as espessuras dielétricas mencionadas são valores práticos que você pode encontrar em uma pilha de 4 camadas ou mais espessa, dependendo do laminado usado para a construção da pilha. Também podemos ver que, para uma dada distância até a folga do plano de terra, você pode ter uma folga muito mais apertada com um microstrip, enquanto uma stripline requer uma folga muito maior em dielétricos mais finos. Eventualmente, quando o dielétrico se torna espesso o suficiente, essas duas curvas convergirão uma na outra.

Leia Microstrip Ground Clearance Parte 2: Como a Folga Afeta as Perdas

Determinar um espaçamento apropriado para a folga do plano de terra do microstrip começa com as melhores ferramentas de design de pilha de PCB. Quando você usa Altium Designer®, você pode facilmente determinar a largura da trilha e o espaçamento necessário para garantir o roteamento de impedância controlada em placas que usam cobre aterrado no layout do seu PCB.

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