Асимметричные полосковые линии в вашей следующей многослойной печатной плате

Красота симметрии в искусстве, науке и природе в целом является чем-то удивительным. Визуальный баланс между элементами в картине или рисунке может как сделать произведение искусства, так и разрушить его. Дизайн печатных плат является столько же искусством, сколько и инженерией, и симметрия играет столько же техническую роль, сколько и эстетическую.

С тех пор, как стриплайны впервые появились как замена высокочастотным коаксиальным кабелям и волноводам, они стали неотъемлемой частью для дизайнеров многослойных РЧ и HDI печатных плат. Эти проводники могут быть плотно упакованы во внутренние слои многослойной печатной платы, где окружающий диэлектрик подавляет излучение и обеспечивает компенсацию дисперсии. Спасибо, Роберт Барретт!

Симметричные и асимметричные расположения стриплайнов

Симметричный стриплайн является самой простой встроенной конфигурацией дорожки после встроенного микрополоскового проводника. В отличие от микрополосковых или встроенных микрополосковых дорожек, дорожки стриплайна располагаются внутри слоя печатной платы, с твердыми медными земляными плоскостями, размещенными выше и ниже дорожек. Внутренние слои многослойной печатной платы обычно содержат дорожки стриплайна.

Поскольку эти дорожки встроены между земляными плоскостями, они обладают особенно желательной иммунитетностью к ЭМИ, и другие компоненты на печатной плате будут защищены от любого ЭМИ, производимого стриплайнами.

В отличие от симметричных полосковых линий, асимметричные полосковые линии не встраиваются центрально между земляными плоскостями. Асимметричные полосковые линии располагаются ближе к одной из окружающих земляных плоскостей. При прокладке сигналов с использованием асимметричных полосковых линий ближайшую земляную плоскость следует использовать в качестве опоры для полосковой линии, поскольку это обеспечивает индукцию более сильного возвращаемого сигнала в земляную плоскость.

В более сложной конфигурации полосковые линии могут быть расположены как параллельная пара связанных проводников в одном слое. Эта краевая связанная конфигурация размещает пару дорожек в одном слое с одинаковыми расстояниями между земляными плоскостями. Эта конфигурация позволяет прокладывать дифференциальные пары в пределах данного слоя.

Более интересная конфигурация заключается в использовании связанной с платой конфигурации, где две асимметричные полосковые линии укладываются одна на другую в симметричной конфигурации. Хотя это может потребовать более толстой платы для размещения уложенных полосковых линий, это экономит горизонтальное пространство платы и позволяет достичь более высокой плотности соединений между двумя земляными плоскостями. Эта конфигурация также может быть использована для прокладки дифференциальных пар, поскольку две полосковые линии расположены параллельно.

Микрополоски и переходные отверстия на зеленой многослойной печатной плате

Множество калькуляторов, множество значений

Не стоит стыдиться, если вы не запомнили каждое уравнение импеданса для всех возможных конфигураций трасс. Если вы искали в интернете калькулятор импеданса для вашей конфигурации стриплайна, вам нужно будет внимательно посмотреть на результаты и сравнить их с результатами других калькуляторов.

Вам также следует сравнить уравнения, используемые в различных калькуляторах. Существует несколько методов расчета импеданса одиночного асимметричного стриплайна. Некоторые калькуляторы используют разницу между логарифмическими функциями, другие используют степенную функцию с приблизительной зависимостью 6-го порядка от числа геометрических параметров, и, безусловно, в интернете можно найти и другие формулы.

Эти калькуляторы могут давать сильно различающиеся результаты в зависимости от структурных параметров, определяющих конфигурацию стриплайна. Два разных калькулятора могут показывать разницу в 5 до 10 Ом. Истинное значение импеданса, скорее всего, находится где-то между этими значениями. Это создает серьезные проблемы с согласованием импеданса на вашей печатной плате.

При работе с высокоскоростными или высокочастотными сигналами разница в импедансе в 5 Ом достаточно значительна, чтобы способствовать возникновению проблем, таких как колебания из-за резонанса на определенных частотах. В высокочастотных сигналах резонанс на линии передачи приводит к значительному излучению. С асимметричными стриплайнами это может создать проблему на платах HDI. К счастью, платы с меньшей плотностью маршрутизации не будут подвержены этому ЭМИ из-за окружающего диэлектрика.

Учитывая эти потенциальные проблемы, которые могут возникнуть при работе с калькулятором импеданса, лучше всего использовать численное моделирование для определения импеданса. У большинства людей нет доступа к такому типу программного обеспечения, но инвестиции могут окупиться. В качестве альтернативы рассмотрите возможность использования другой стратегии проектирования для предотвращения или подавления колебаний.

Модуляция параметров и дифференциальные пары

Из-за сильно нелинейной зависимости между импедансом в асимметричных стриплайновых конфигурациях и их геометрией становится важным иметь общее представление о том, как импеданс изменяется при небольших изменениях в конфигурации стриплайна. Работа с дифференциальными парами асимметричных стриплайнов подчиняется многим тем же правилам, что и микрополосковые дорожки.

Перемещение одной полосковой линии в сторону от симметричного расположения и сдвиг полосковой линии в сторону одной из земляных плоскостей приводит к небольшому уменьшению импеданса. Этот сдвиг сам по себе симметричен; не имеет значения, перемещаете ли вы полосковую линию вверх или вниз, данный сдвиг в любом направлении вызовет одинаковое изменение импеданса.

Работа с дифференциальными парами асимметричных полосковых линий немного сложнее, но некоторые из тех же правил, которые применяются к дифференциальным микрополоскам, применимы к симметричным и асимметричным полосковым линиям. Если расстояние очень велико, значение импеданса насыщается на определенном уровне, и сила связи уменьшается.

Как только расстояние изменяется, импеданс пар микрополосок и асимметричных пар будет изменяться по-разному. Если трассы имеют большое разделение, сближение их вначале увеличивает значения импеданса дифференциальной пары. В микрополосковом расположении импеданс пары будет непрерывно увеличиваться по мере сближения пары, и это продолжается, когда расстояние уменьшается до величины меньше ширины трасс.

Это не относится к парам микрополосковых линий. Когда дорожки сближаются, сначала увеличивается, а затем уменьшается значение четного, нечетного и дифференциального импедансов. Как только дорожки располагаются очень близко друг к другу, так что расстояние между ними значительно меньше ширины дорожки, значения нечетного и дифференциального импедансов резко уменьшаются и могут упасть до нескольких Ом.

Дорожки на синей печатной плате

Если вам необходимо обеспечить соответствие вашей следующей высокоточной печатной платы техническим спецификациям, инструменты моделирования и среда проектирования, управляемая правилами, в Altium Designer^® могут помочь вам избежать проблем с целостностью сигнала, возникающих из-за неверных расчетов импеданса. Скачайте вашу бесплатную пробную версию и узнайте, подходит ли Altium для вас. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, если хотите узнать больше.