Ширина линии стриплайн по сравнению с микрополосковой линией для желаемого импеданса: Одинаковы ли они?

Иногда мне приходят интересные вопросы о трассировке, разводке, целостности сигналов и подобном. Я стараюсь отвечать на них, когда у меня есть свободное время, но иногда один из таких вопросов привлекает мое внимание, и я чувствую необходимость донести ответ до большего числа разработчиков. Без лишних слов, вот вопрос, который я получил о сравнении ширины стриплайна и микрополосковой линии для контролируемого импеданса.

У меня есть вопрос о микрополосковой линии и стриплайне. Возможно ли использовать одинаковые значения T, H и W для линии передачи как для микрополосковой линии, так и для стриплайна? Я хочу, чтобы импеданс для стриплайна был около 32 ом.

Вопрос показался мне немного неопределенным сначала, но я понял его следующим образом: если я определю оптимальную ширину для микрополосковой линии, могу ли я использовать ту же ширину для стриплайна при том же весе меди и расстоянии до опорного слоя? Мне нравится этот тип вопросов, так как он возвращает нас к некоторым важным и часто упускаемым аспектам трассировки и дизайна дорожек. Давайте погрузимся в этот вопрос немного глубже, так как он поднимает несколько интересных областей высокоскоростного дизайна и контроля импеданса на печатных платах.

Краткий ответ: Смотрите на линии поля!

Нет, вы не можете использовать одинаковую ширину для двух разных геометрий передающих линий и ожидать, что получите одинаковое сопротивление. Это можно увидеть как математически, так и концептуально. С концептуальной точки зрения, следы на микрополоске излучают свое поле в паяльную маску и воздух над диэлектриком. Сила поля в этих областях отличается от той, что в диэлектрике, поэтому мы не можем с уверенностью ожидать, что эти линии поля создадут такой же контурный узор и ток смещения в опорной плоскости, как линия поля, направленная непосредственно через диэлектрик к опорной плоскости. Это изменение значения Dk вокруг следа вызывает то, что сигналы на микрополоске имеют скорость, определяемую эффективной диэлектрической проницаемостью, а не исходным значением Dk подложки ПП.

В стриплайне электрическое поле проходит только через диэлектрик; нет воздуха. Другими словами, диэлектрическая проницаемость это просто значение Dk; нет «эффективного Dk» так же, как в микрополоске. Это означает, что для данной линии поля, проходящей от стриплайна через диэлектрик, мы ожидаем больший ток смещения в опорных плоскостях, следовательно, мы ожидаем, что характеристическое сопротивление, измеренное между стриплайном и опорной плоскостью, будет ниже.

Оказывается, линии поля гораздо полезнее, чем может показаться при анализе данных симуляции. Если вы хотите получить более глубокое представление, полезно взглянуть на уравнения, описывающие характеристическое сопротивление обоих типов линий передачи.

Подробный ответ: Рассмотрим уравнения стриплайна и микрополосковой линии!

Чтобы действительно увидеть, как изменяется импеданс стриплайна и микрополосковой линии в зависимости от ширины, нам нужно начать с характеристического сопротивления этих линий передачи. Ознакомьтесь с этими статьями, чтобы найти эти уравнения:

• Разъяснение калькуляторов и формул импеданса трасс
• Калькуляторы и формулы импеданса симметричного стриплайна

Чтобы действительно сравнить ширины трасс этих линий передачи, нам нужно построить график характеристического сопротивления в зависимости от ширины трассы. Это можно легко визуализировать, если мы будем изменять ширину (на самом деле, соотношение W/H в этих уравнениях), сохраняя при этом все остальные параметры постоянными.

На изображении ниже показана рассчитанная действительная часть характеристического импеданса микрополоски и стриплайна на FR4 (Dk = 4.4, тангенс угла потерь = 0.02). Я предположил, что плата имеет 8 слоев с равным расстоянием между диэлектрическими слоями для упрощения, а масса меди была установлена в 0.5 унции/кв. фут. Стриплайн также симметричен относительно опорных плоскостей. Здесь я сосредоточился на действительном импедансе, поскольку мнимая часть очень мала.

Очевидно, что мы не можем использовать одинаковую ширину для микрополоски и стриплайна и ожидать увидеть одинаковый характеристический импеданс, даже если все остальное остается неизменным. Отсюда мы видим, что при использовании диэлектрической постоянной и стека слоев, которые я использовал, микрополоска шириной ~16 мил имеет примерно такой же импеданс, как стриплайн шириной ~7 мил. Приведенные выше кривые не следует путать с входным импедансом, который зависит от длины линии и входного импеданса на нагрузке, который, в свою очередь, зависит от схемы завершения.

Если вы хотите увидеть, что происходит в более реалистичной ситуации, нам нужно учитывать входное сопротивление, поскольку именно это сигнал будет видеть, когда он подается от драйвера на линию передачи. На графике ниже показана величина входного сопротивления для 1 м длинной микрополосы и стриплайна на полосе пропускания 1 ГГц (время нарастания для цифрового сигнала 350 пс) с емкостной нагрузкой 10 пФ с параллельным (шунтирующим) окончанием на 50 Ом.

Этот график должен иллюстрировать важность завершения в линиях передачи. Существует диапазон ширин, где сопротивление может быть выше или ниже целевого значения. Опять же, мы не можем просто использовать ширину, определенную для микрополосы, и ожидать, что увидим то же входное сопротивление для стриплайна, и наоборот. Интересно, что для этой конкретной конфигурации стриплайн достигает ~50 Ом в узком диапазоне ширин. Если входное сопротивление нагрузки или сопротивление окончания изменятся, у нас не будет того же условия.

Вместо того чтобы угадывать правильную ширину дорожки для проектирования с контролируемым импедансом, Altium Designer® предоставляет вам доступ к интегрированному 3D полевому решателю от Simberian, чтобы помочь вам быстро создать профили импеданса для ваших высокоскоростных и высокочастотных печатных плат. Вы сможете мгновенно видеть компромиссы между шириной и импедансом вашей полосковой линии по сравнению с микрополосковой, когда создаете свою плату. Также у вас будут функции, необходимые для определения правильной схемы завершения для ваших высокоскоростных печатных плат.

Altium Designer на Altium 365® обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции в электронной индустрии, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать беспрецедентных уровней эффективности.

Мы только начали раскрывать возможности использования Altium Designer на Altium 365. Вы можете посмотреть страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.