Дифференциальное сопротивление пары: Использование калькулятора для проектирования вашей печатной платы

Дифференциальное сопротивление на вашей печатной плате — это довольно сложная тема, которая часто неправильно понимается. Я тоже когда-то имел некоторые заблуждения о том, что необходимо для обеспечения корректной работы дифференциальных пар для различных скоростей переключения сигналов и протоколов цифровой высокоскоростной передачи. Если ваш цифровой дизайн работает только с однопроводными шинами, которые не имеют спецификации по сопротивлению (SPI, I2C и т. д.), вам придется использовать маршрутизацию дифференциальных пар для передачи данных высокой скорости между компонентами. Это может включать в себя широкие параллельные шины, такие как DDR, каналы SerDes или чисто дифференциальные последовательные протоколы. Для всех этих случаев необходим точный расчет сопротивления трасс, включая дифференциальное сопротивление.

Результаты, полученные с помощью калькулятора сопротивления дифференциальной пары, часто неправильно понимаются, с несколькими определениями, касающимися однопроводного сопротивления, характеристического сопротивления и сопротивления нечетного режима, которые путают и иногда используют как взаимозаменяемые. Чтобы помочь дизайнерам, которые могут искать руководство, Altium создал это руководство, чтобы помочь дизайнерам понять результаты, полученные с помощью калькулятора сопротивления дифференциальной пары, и некоторые важные рекомендации для внедрения результатов в процесс проектирования.

Использование калькулятора сопротивления дифференциальной пары

Получить число из калькулятора импеданса довольно просто, но понимание того, что это число означает и как его использовать, представляет настоящую задачу. Калькуляторы импеданса дифференциальной пары выдают как минимум два важных значения, и важно понимать, что эти значения означают и как их использовать. Возвращаемое большинством калькуляторов значение дифференциального импеданса равно сумме импедансов нечетного режима для каждого следа:

Когда два следа спроектированы с точно таким же импедансом, то взятие дифференциального импеданса и деление его на 2 дает значение импеданса нечетного режима каждого следа:

Все это включает в себя вклады от связи. По сути, роль калькулятора импеданса дифференциальной пары заключается в том, чтобы рассчитать один из импедансов нечетного режима или дифференциальных импедансов, а затем использовать это для расчета другого, предполагая, что оба конца пары соответствуют определенным геометриям. Чтобы дать дизайнерам отправную точку, взгляните на эти калькуляторы дифференциального импеданса, которые вы можете использовать для получения начальной оценки дифференциального импеданса для микрополосковых и стриплайновых линий.

• Используйте онлайн-калькулятор импеданса дифференциальной микрополоски
• Используйте онлайн-калькулятор импеданса дифференциального стриплайна

Расчет дифференциального и однопроводного импеданса

Импеданс следа (одиночный) в отдельном следе обычно рассчитывается с игнорированием любых соседних следов, так что связь с другими проводниками в конструкции не учитывается. Это означает, что одиночный импеданс является просто характеристическим импедансом. Это не относится к дифференциальному импедансу; в дифференциальных парах дифференциальный импеданс определяется емкостной и индуктивной связью между каждым следом в паре. В результате одиночный импеданс следа в дифференциальной паре не является характеристическим импедансом того же следа; значение представляет собой импеданс нечетного режима, и разница возникает из-за паразитной связи между двумя следами. Импеданс нечетного режима и характеристический импеданс сближаются друг с другом только тогда, когда расстояние между следами стремится к бесконечности.

Для импеданса дифференциальной пары существуют некоторые простые формулы, которые вы можете использовать для оценки импеданса пары (когда она не подключена к какой-либо нагрузке), используя только характеристический импеданс и силу связи. Посмотрите этот вебинар с Беном Джорданом, чтобы узнать больше об этом расчете и увидеть простую формулу для дифференциальных микрополосков. Показанные выше калькуляторы используют более точные уравнения Ваделла для связанных линий передачи, которые широко считаются лучшими аналитическими моделями, способными учитывать импеданс без потерь.

Для математиков среди вас, содержание частот в цифровом сигнале может быть представлено как сумма аналоговых частот, и каждая аналоговая часть цифрового сигнала будет видеть немного разную диэлектрическую постоянную из-за хроматической дисперсии в диэлектрике. Это означает, что связь в дифференциальной паре, передающей цифровые сигналы, варьируется по всему спектру частот цифрового сигнала или широкополосного аналогового сигнала. К сожалению, калькуляторы дифференциального импеданса не учитывают эту особенность, а также несколько других, о которых я расскажу ниже.

Что не учитывает калькулятор импеданса дифференциальной пары

Дифференциальные калькуляторы импеданса пар, которые вы найдете в интернете, предоставляют хорошую первоначальную оценку импеданса, который вы можете ожидать для вашей конкретной геометрии. Для цифровых потоков с битовой скоростью менее Гбит/с (обычно с временем нарастания сигнала более 100 пс) результаты будут достаточно точными; сигналы в этом диапазоне могут иметь значительные пределы сдвига, так что небольшие неточности в расчете импеданса не испортят сигналы, если будет соблюдено согласование длины вдоль интерконнекта. Более высокие скорости передачи данных/более быстрые скорости нарастания фронта сигнала более подвержены сбоям из-за ошибок, которые являются неотъемлемыми при использовании простых приложений для расчета и онлайн-калькулятора. Важно знать, что калькулятор дифференциального импеданса вам не скажет, а также что вам нужно учитывать при проектировании вашего стека печатной платы:

Постоянная распространения и потери

Большинство онлайн-калькуляторов не предоставят вам значение постоянной распространения или затухания сигналов, передаваемых дифференциальной парой. Если они это делают, то только на одной частоте, указанной пользователем, и эта указанная частота не используется напрямую в расчете. Поскольку цифровые сигналы являются широкополосными и не имеют мощности, сосредоточенной на одной частоте, результат не будет представлять реальное поведение распространения в вашем конкретном дизайне. Если вы все же получите значение постоянной распространения в калькуляторе импеданса дифференциальной пары, это почти всегда будет только фазовая скорость без учета потерь. Это связано с другим недостатком более простых калькуляторов импеданса: диэлектрическая постоянная.

Диэлектрическая постоянная и дисперсия

Для цифровых сигналов и широкополосных аналоговых сигналов нам необходимо учитывать спектр частот сигнала при расчете дифференциального импеданса. Для получения точного результата от калькулятора дифференциального импеданса вам нужно знать комплексную диэлектрическую проницаемость субстрата на всех частотах вплоть до некоторого предельного значения полосы пропускания, то есть учитывать дисперсию. Для однопроводной трассы, работающей на одной частоте (например, RF сигналы), достаточно знать значение диэлектрической проницаемости только на одной частоте. Для цифровых сигналов, не принимая во внимание широкополосный подход и сравнивая распространение по всей полосе пропускания сигнала, скрывается истинный потенциал для искажений и потерь во время распространения, а также отклонение от целевого импеданса из-за потерь.

Это одна из причин, по которой вам следует использовать опыт и набор материалов вашего производителя при проектировании стека и определении импеданса. Они могут предоставить вам данные о диэлектрической проницаемости и расположение дорожек, которое соответствует определенному импедансу. Затем вы можете программировать это в ваш инструмент проектирования и использовать его для обеспечения соблюдения пределов согласования длины. Вы также можете играть с геометрическими параметрами, чтобы убедиться, что вы находитесь в пределах желаемого окна импеданса с некоторой допускаемой погрешностью.

Волоконная текстура и скин-эффект

Я никогда не видел онлайн-калькулятора импеданса, который учитывал бы эффекты волоконной текстуры или шероховатости. Одна из причин этого - псевдослучайный характер волоконной текстуры. Если вы не проводите трассировку по плотным текстурам, то искажение, создаваемое на каждом следе открытой текстурой, непредсказуемо, поэтому проблему придется решать статистически. Что касается шероховатости, то импеданс и потери, создаваемые скин-эффектом и шероховатостью, специфичны для процесса и должны учитываться на основе таблиц данных. Однако существуют некоторые базовые модели, которые можно использовать для определения увеличенной величины импеданса скин-эффекта из-за шероховатости меди, и эти модели будут включены в более продвинутые калькуляторы, которые обычно не найдешь в интернете.

Входной импеданс

Значения, получаемые от онлайн-калькулятора импеданса дифференциальной пары, соответствуют изолированной дифференциальной паре, они не учитывают компонент нагрузки и не рассчитывают входной импеданс. Для сложной согласованности импедансов важен входной импеданс, поскольку это импеданс, который видит сигнал при входе в дифференциальную пару. Это придется рассчитывать вручную или с использованием симулятора отражений, встроенного в продвинутые инструменты трассировки, и это должно быть сделано с учетом комплексного значения импеданса, включающего полную диэлектрическую постоянную.

Расчеты импеданса дифференциальной пары в вашем дизайнере стека слоев

Из-за вышеупомянутых ограничений с простыми инструментами для расчета импеданса дифференциальных пар, компании, разрабатывающие программное обеспечение ECAD/EDA, предприняли множество шагов, чтобы помочь дизайнерам ускорить расчеты импеданса и постоянной распространения дифференциальных пар. Ваш инструмент проектирования стека слоев должен помочь вам спроектировать необходимый импеданс, предоставив доступ к более продвинутому калькулятору импеданса дифференциальных пар. Дифференциальный импеданс, полученный из типичного онлайн-калькулятора, является лишь приближением; для проверки результата и установления правила проектирования, которое обеспечивает корректную ширину трассы при трассировке, необходимы более продвинутые инструменты.

Инструмент проектирования стека слоев Altium Designer интегрирован в редактор печатных плат, так что вы можете быстро получить доступ к мощному 2D решателю поля, который поддерживает четыре общих вида расположения дифференциальных трасс, включая сопланарные расположения. Чтобы получить доступ к этим функциям, просто откройте ваш стек слоев в редакторе печатных плат и кликните на вкладку Импеданс. Здесь вы можете создать профиль импеданса, который будет выполнять расчеты импеданса на основе вашего стека слоев и выбранного расположения трасс. Убедитесь, что вы скопировали соответствующую диэлектрическую постоянную в стек слоев, чтобы гарантировать, что вы рассчитали правильный дифференциальный импеданс.

Также обратите внимание, что половина дифференциального импеданса, который является нечетным импедансом одного проводника, не тождественна характеристическому импедансу одного проводника в паре. Если вы планируете прокладывать ваши дифференциальные пары далеко друг от друга, то релевантным является характеристический импеданс проводника, а не нечетный импеданс одного проводника. Я обсуждал этот момент в других статьях о проектировании и трассировке дифференциальных пар; вы можете прочитать больше в этих статьях:

• Как проектировать с учетом спецификации дифференциального импеданса
• Стоит ли использовать плотное или редкое расположение и связывание дифференциальных пар?

Уделите время, чтобы изучить Менеджер Стека Слоев в Altium Designer^® и увидеть, как вы можете легко использовать лучший калькулятор импеданса дифференциальных пар для построения вашего стека слоев. Когда вы закончите с вашим стеком слоев и будете готовы, чтобы ваш дизайн оценил производитель, вы можете выпустить файлы дизайна с помощью платформы Altium 365^™. Никакая другая комбинация инструментов для проектирования не делает сотрудничество и обмен проектами таким простым.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.