Как спроектировать с учетом спецификации дифференциального импеданса

Концепция и реализация дифференциального импеданса иногда неправильно понимаются. Кроме того, проектирование канала для достижения определенного дифференциального импеданса часто выполняется несистематически. Иногда, вспоминая старые проекты, я думаю о том, как я проектировал дорожки для достижения спецификации дифференциального импеданса, и осознаю, что, возможно, мог бы сделать это лучше и избежать некоторых проблем, если бы лучше понимал дифференциальный импеданс.

Сама концепция дифференциального импеданса является своего рода математической абстракцией, которая не полностью описывает поведение каждого сигнала в дифференциальной дорожке. Дифференциальный импеданс является кратчайшим путем к другому важному значению - импедансу нечетного режима, и наоборот. Так что же нам нужно для проектирования и как мы можем обеспечить правильное декодирование сигналов на приемнике? Продолжайте читать, чтобы узнать, что такое дифференциальный импеданс и получить более подробное представление о том, как проектировать с учетом спецификации дифференциального импеданса и что это значит для вашего проекта.

Определение дифференциального импеданса

Дифференциальное сопротивление относится к фундаментальному свойству дифференциальных сигналов. Все дифференциальные сигналы интерпретируются приемным компонентом как разностный сигнал (отсюда и название "дифференциальный"). Один из способов понимания дифференциального сигнала заключается в следующем: это распространяющееся электромагнитное возмущение, которое включает в себя два разных сигнала, идеально передаваемых вместе по паре дорожек. Когда мы говорим "электромагнитное возмущение", мы имеем в виду распределение электрических и магнитных полей вокруг двух дорожек. В конце концов, это и есть основная цель проводников на печатной плате: направлять и транспортировать электромагнитное поле по макету.

Поэтому интересно увидеть, как электромагнитное возмущение, создаваемое этой парой сигналов, распространяется вдоль двух дорожек. Для этого нам потребуется:

• Сопротивление линии передачи, испытываемое электромагнитным полем
• Постоянная распространения для этого возмущения

Если вы знаете одно из этих значений, то можете вычислить другое значение. Смысл дифференциального проектирования для конкретного дифференциального сопротивления заключается в том, чтобы обеспечить, чтобы электромагнитное поле, которое мы вводим в канал, интерпретировалось как то же самое (или почти то же самое) электромагнитное поле, принимаемое на конце канала.

Что должно быть интересно здесь, так это то, как используется поле, генерируемое каждым следом. Под этим я имею в виду, что нас интересует либо разница между двумя сигналами (их полями), либо их сумма, в зависимости от функциональности приемника. Таким образом, с точки зрения уравнений телеграфиста, мы хотим рассмотреть распространение разницы между этими двумя сигналами, что является математически сложной темой и требует определения взаимной емкости и индуктивности между следами.

Формулы для дифференциального импеданса

Расчет дифференциального импеданса - это упражнение в вычислении другой важной величины, которая является импедансом нечетного режима. Когда два следа прокладываются как дифференциальная пара и возбуждаются дифференциальным сигналом, импеданс одного следа будет значением импеданса нечетного режима.

К сожалению, хороших аналитических моделей для дифференциального импеданса, или более конкретно, нечетного импеданса, не так много. Если вы обратитесь к Руководству по проектированию линий передачи Брайана К. Ваделла, вы обнаружите, что для определения импеданса пары микрополосок требуется использование 70 формул (см. раздел 4.5). Это не опечатка, действительно требуется всего 70 формул для расчета нечетного или четного импеданса пары микрополосок. Если вы хотите работать с копланарными конфигурациями или асимметричными дорожками, вам понадобится меньше формул, но вам нужно будет оценить эллиптический интеграл, что я никогда не делал и что потребует приложения вроде MATLAB или Mathematica.

Вы можете получить взаимную индуктивность или взаимную емкость непосредственно из уравнений Максвелла, хотя эти результаты являются предметом многих исследовательских работ и результаты не всегда так легко использовать. Они склонны включать наборы больших и неприглядных формул дифференциального импеданса, которые имеют несколько параметров. Вот почему так много калькуляторов дифференциального импеданса в интернете просто используют формулы IPC-2141A, которые являются приближением с меньшим количеством формул дифференциального импеданса.

Следует ли использовать характеристический или нечетный импеданс?

Короче говоря, нечетное сопротивление используется для оконечной нагрузки. Есть очень важный момент, касающийся нечетного сопротивления, о котором я хотел бы, чтобы мне рассказали давно:

• Нечетное сопротивление дорожки не всегда совпадает с характеристическим сопротивлением дорожки.

Если посмотреть на это с другой стороны, мы можем переформулировать выше сказанное следующим образом:

• Ширина дорожки, требуемая для определенного нечетного сопротивления, не всегда совпадает с шириной дорожки, требуемой для определенного характеристического сопротивления.

Другими словами, в спецификации дифференциального сопротивления для вашего стандарта сигнализации указано конкретное дифференциальное сопротивление, и вам нужно достичь его, проектируя дифференциально с учетом нечетного сопротивления. Из-за этого значение, которое обычно приводится для параллельной терминации на приемнике, обычно в два раза больше нечетного сопротивления, но каждый конец дорожки заботится только о нечетном сопротивлении каждой дорожки индивидуально, а не обязательно о дифференциальном сопротивлении.

В зависимости от расстояния и толщины диэлектрика, вы можете установить ширину дорожки с характеристическим сопротивлением близкой к значению ширины дорожки с нечетным сопротивлением.

Расчет ширины и расстояния

Если вы рассчитаете ширину дорожки, необходимую для достижения целевого характеристического импеданса (например, 50 Ом), а затем введете эту ширину в калькулятор дифференциального импеданса, вы обнаружите, что результат для расстояния между дорожками не всегда будет приемлемым; расстояние может оказаться слишком маленьким (<4 мил) и может выходить за пределы производственных возможностей для очень тонкого диэлектрика. Напротив, расстояние может оказаться очень большим для более толстого диэлектрика. Фактически, на двухслойной плате стандартной толщины, ширина дорожки, необходимая для микрополосы, чтобы достичь импеданса 50 Ом, составляет около 105 Ом на стандартном сердечнике. Для того чтобы индивидуальная дорожка имела импеданс нечетного режима, равный характеристическому импедансу, ваш решатель поля скажет вам, что вам нужно разделить дорожки огромным расстоянием. Если вы используете решатель поля, вы обнаружите, что он, вероятно, перестанет сходиться, когда расстояние составит около 10 дюймов! Очевидно, что это тоже не пригодится.

В общем, существует множество комбинаций расстояния и ширины дорожек, которые позволят вам достичь спецификации дифференциального импеданса. На самом деле вы проектируете импеданс нечетного режима, а не дифференциальный импеданс, дифференциальный импеданс является лишь спецификацией, определяющей импеданс нечетного режима. Поэтому нам нужно спросить, как мы определяем импеданс нечетного режима и объективно «лучшую» комбинацию ширины и расстояния дорожек без формул?

Сравнение ширины и расстояния для дифференциальных микрополосков

Чтобы увидеть, какая комбинация ширины и расстояния дорожек даст желаемый дифференциальный импеданс, давайте посмотрим на некоторые результаты симуляции. В приведенном ниже примере я пройду следующий процесс

• Рассчитать необходимое расстояние между дорожками для конкретной ширины дорожки в паре дифференциальных микрополосок с целью достижения целевого дифференциального импеданса 100 Ом.
• Проанализировать несколько значений толщины диэлектрика (расстояние до опорной плоскости микрополоски).
• Для каждого значения толщины диэлектрика отметить необходимую ширину дорожки для характеристического импеданса 50 Ом.

Я выполню это в Altium Designer с помощью Менеджера стека слоев, чтобы пользователи могли их воспроизвести. На графике ниже я показал набор значений зазоров, необходимых для дифференциальных микрополосок для различных ширин трасс и толщин диэлектриков (обозначено H ниже, построено для целевого дифференциального импеданса 100 Ом и Dk = 4.8, без учета дисперсии и шероховатости). Здесь идея заключается в определении необходимого зазора для данной ширины с целью достижения конкретного значения дифференциального импеданса.

Обратите внимание, что ось y представлена в логарифмическом масштабе для наглядности. Мы могли бы сгенерировать новый набор кривых для других значений Dk и значений импеданса дифференциальной пары. Эти кривые должны иллюстрировать роль толщины диэлектрика; по мере увеличения расстояния от микрополоски до ее земляного слоя, соотношение ширины к зазору, необходимое для достижения импеданса 100 Ом, зависит меньше от расстояния до земли (см. кривые импеданса 60 и 45 милов).

Как соотносятся показанные выше значения ширины с требуемым значением для характеристического импеданса 50 Ом? На графике ниже показаны эти значения. Это хорошая линейная модель, которая иллюстрирует насыщение, происходящее при широких трассах; когда трасса широкая, соотношение ширины к толщине становится постоянным.

Теперь, имея значения, показанные выше для характеристического импеданса и пар ширины/расстояния следов, мы можем определить расстояние, при котором ширина следа для импеданса нечетного режима 50 Ом также обеспечивает характеристический импеданс 50 Ом.

Этот график может выглядеть сложным, но его интерпретация проста. Значение расстояния, при котором каждая кривая пересекает 1 на оси y, будет означать, что ширина следа в дифференциальной паре равна ширине следа, когда след не является частью дифференциальной пары, при этом сохраняя тот же импеданс. Другими словами, след в изоляции и след в паре будут иметь одинаковую ширину и импеданс 50 Ом при одном конкретном значении расстояния для каждой толщины диэлектрика.

К сожалению, импеданс нечетного режима и характеристический импеданс никогда не равны; это произойдет только в пределе больших расстояний, или когда пары разделены на бесконечное расстояние! Значение, при котором y = 1, является асимптотой на этом графике. Если диэлектрик тонкий (<15 mils), то вы сможете добиться большего совпадения ширин следов для данного расстояния между следами в дифференциальной паре.

Как пример, если мы возьмем диэлектрик толщиной 5 мил в Рисунке 3 и рассчитаем ширину дорожки для нечетного режима импеданса, мы получим 6.184 мила. Если я затем использую это для расчета характеристического импеданса, я получу значение 55 Ом, или отклонение всего на 10%. Это примерно верхний предел отклонений импеданса, который вы могли бы принять в некоторых стандартах сигнализации. Как пример, USB SuperSpeed более терпим к широким вариациям импеданса дифференциальной пары (и, следовательно, нечетного режима импеданса).

Использование расстояния и ширины дорожки в своих интересах

Возможно, вы задаетесь вопросом, действительно ли так важно иметь единую ширину дорожки, которая будет работать как для характеристического импеданса, так и для импеданса нечетного режима? Есть три веские причины для этого:

• Это превращает проблему проектирования дифференциального канала из задачи с 2 переменными в задачу с 1 переменной: расстоянием.
• Производителям легче обеспечить контролируемый импеданс, когда вы проектируете только с одной шириной дорожки, которая работает как для дифференциального, так и для однополюсного импеданса. В зависимости от допусков в вашем проекте, вы можете использовать одну ширину, чтобы уложиться в допуски как для однополюсных, так и для дифференциальных спецификаций.
• Вы можете разъединять дорожки во время прокладки дифференциального канала, даже очень близко к приемнику, и вам не придется беспокоиться о отражениях, поскольку каждый конец дорожки будет соответствовать входному импедансу для каждого порта, как если бы вы смотрели внутрь приемника.

Обратите внимание, что это проще сделать на тонких диэлектриках, у вас не будет почти такого же уровня соответствия между характеристической шириной дорожки и шириной дорожки в нечетном режиме на толстом диэлектрике. Вы также можете выбрать альтернативный стиль, например, копланарные дифференциальные пары, если вы хотите иметь больше свободы при работе с толстыми диэлектриками.

Когда вам нужно спроектировать и проложить дорожки с определенным импедансом дифференциальной пары, используйте лучший набор функций для маршрутизации, размещения и моделирования печатных плат в Altium Designer®. Интегрированный движок правил проектирования и Layer Stack Manager предоставляют вам все необходимое для проектирования с определенным импедансом дифференциальной пары и быстрой маршрутизации дорожек на вашей печатной плате. Когда вы закончите свой проект и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.