Largura de Trilha em Stripline vs. Microstrip para a Impedância Desejada: São Iguais?

De vez em quando, recebo uma pergunta interessante sobre roteamento, layout, integridade de sinal, ou algo do tipo. Eu tento responder a essas perguntas quando não estou muito ocupado, mas às vezes uma delas chama minha atenção e sinto a necessidade de compartilhar a resposta com mais designers. Sem mais delongas, aqui está uma pergunta que recebi sobre a largura necessária para impedância controlada em stripline vs. microstrip.

Eu tenho uma dúvida sobre microstrip e stripline. É possível usar o mesmo valor de T, H e W da linha de transmissão para microstrip e stripline? Eu quero que a impedância para o stripline seja em torno de 32 ohms.

A pergunta pareceu um pouco vaga inicialmente, mas eu a interpretei da seguinte forma: Se eu determinar a melhor largura para um microstrip, posso usar a mesma largura para um stripline, dado o mesmo peso de cobre e distância até o plano de referência? Eu gosto desse tipo de pergunta, pois ela retorna a alguns aspectos importantes e muitas vezes negligenciados do roteamento e design de trilhas. Vamos explorar isso um pouco mais a fundo, pois isso traz algumas áreas divertidas de design de alta velocidade e controle de impedância em PCBs.

A Resposta Curta: Olhe as Linhas de Campo!

Não, você não pode usar a mesma largura para duas geometrias diferentes de linhas de transmissão e esperar ter a mesma impedância. Podemos ver isso matematicamente e conceitualmente. De uma perspectiva conceitual, as trilhas em um microstrip emitem seu campo para a máscara de solda e o ar acima do dielétrico. A força do campo nessas regiões é diferente da que está no dielétrico, então não podemos razoavelmente esperar que essas linhas de campo produzam o mesmo padrão de contorno e corrente de deslocamento no plano de referência como uma linha de campo que aponta diretamente através do dielétrico para o plano de referência. Esta variação no valor de Dk ao redor da trilha faz com que os sinais em um microstrip tenham velocidade determinada por uma constante dielétrica efetiva, em vez do valor bruto de Dk do substrato da PCB.

Em uma stripline, o campo elétrico passa apenas pelo dielétrico; não há ar. Em outras palavras, a constante dielétrica é apenas o valor de Dk; não existe um "Dk efetivo" da mesma forma que um microstrip. Isso significa que, para uma determinada linha de campo passando de uma stripline através do dielétrico, esperaríamos uma maior corrente de deslocamento nos planos de referência, assim, esperaríamos que a impedância característica medida entre a stripline e o plano de referência fosse menor.

Como se verifica, as linhas de campo são muito mais úteis do que podem parecer nos dados de simulação. Se você deseja obter um olhar mais aprofundado, ajuda olhar para as equações que descrevem a impedância característica de ambos os tipos de linhas de transmissão.

A Resposta Longa: Olhe para as Equações de Stripline vs. Microstrip!

Para realmente ver como a impedância de uma stripline e microstrip varia com a largura, precisamos começar com a impedância característica dessas linhas de transmissão. Dê uma olhada nestes artigos para encontrar essas equações:

• Esclarecendo Calculadoras e Fórmulas de Impedância de Traços
• Calculadoras e Fórmulas de Impedância de Stripline Simétrica

Para realmente ver como as larguras dos traços para essas linhas de transmissão se comparam, precisamos plotar a impedância característica versus largura do traço. Isso pode ser facilmente visualizado se variarmos a largura (na verdade, a razão W/H nessas equações) mantendo todos os outros parâmetros constantes.

A imagem abaixo mostra a parte real calculada da impedância característica de um microstrip e de uma stripline em FR4 (Dk = 4.4, tangente de perda = 0.02). Assumi uma placa de 8 camadas com espaçamento igual entre as camadas dielétricas para simplificar, e o peso do cobre foi definido como 0.5 oz/ft². A stripline também é simétrica em relação aos planos de referência. Aqui, foquei na impedância real, pois a parte imaginária é muito pequena.

Claramente, não podemos usar a mesma largura para um microstrip e uma stripline e esperar ver a mesma impedância característica, mesmo que tudo o mais seja mantido constante. A partir daqui, podemos ver que, para a constante dielétrica e empilhamento de camadas que usei, um microstrip de ~16 mil terá aproximadamente a mesma impedância de uma stripline de ~7 mil. As curvas acima não devem ser confundidas com impedância de entrada, que depende do comprimento da linha e da impedância de entrada na carga, que por sua vez depende do esquema de terminação.

Se você quer ver o que acontece em uma situação mais realista, precisamos considerar a impedância de entrada, pois é isso que um sinal verá ao ser injetado pelo driver na linha de transmissão. O gráfico abaixo mostra a magnitude da impedância de entrada para uma microstrip e uma stripline de 1 m de comprimento com largura de banda de 1 GHz (350 ps de tempo de subida para um sinal digital) com uma capacitância de carga de 10 pF com terminação paralela (shunt) de 50 Ohms.

Este gráfico deve ilustrar a importância da terminação em linhas de transmissão. Há uma faixa de larguras onde a impedância pode ficar acima ou abaixo do valor alvo. Novamente, não podemos simplesmente usar a largura determinada para uma microstrip e esperar ver a mesma impedância de entrada para uma stripline, e vice-versa. Curiosamente, para este arranjo específico, a stripline atinge ~50 Ohms em uma faixa estreita de larguras. Se a impedância de entrada da carga ou a impedância de terminação mudarem, não teremos a mesma condição.

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