Свойства линий передачи, влияющие на импеданс — Скрытые особенности

Здесь и в нескольких других статьях, опубликованных в разделе Ресурсы Altium на сайте компании, рассматривается тема импеданса линии передачи с различных точек зрения. Я уже рассматривал импеданс линии передачи в своей статье, Эволюция технологий моделирования и импеданс, и может показаться, что мы исчерпали все возможные аспекты информации, которую можно предоставить по импедансу, однако, на самом деле, некоторые аспекты были затронуты лишь вскользь. Эта статья подробнее расскажет об этих аспектах и их влиянии, а также о базовых уравнениях, используемых для контроля импеданса линии передачи.

Источники импеданса или несоответствия

Как обсуждалось в предыдущих статьях, четыре основных переменных, определяющих импеданс линии передачи на поверхностном слое, включают:

• Высоту дорожки над плоскостью, по которой она проходит.
• Ширину дорожки.
• Толщину дорожки.
• Изоляционный материал, используемый для поддержки дорожки.

Как только известны вышеуказанные четыре переменные, можно определить, какие особенности на печатной плате будут иметь значимое влияние на импеданс. Эти особенности включают:

• Изменения ширины дорожки в одном слое. Это обычно называется сужением дорожки.
  • Сужение дорожки относится к уменьшению ширины дорожки, когда она приближается к более узкому контактному площадку, например, как на SMD (поверхностном монтажном устройстве) или сквозному отверстию, диаметр которого меньше ширины дорожки.
• Изменения толщины дорожки.
• Изменения высоты над плоскостью.
• Ответвления вдоль линии передачи.
• Нагрузки вдоль линии передачи.
• Переходы через разъемы.
• Плохо согласованные завершения.
• Отсутствие завершений.
• Большие разрывы в плоскости питания.
• Изменения относительной диэлектрической проницаемости.

Как отмечалось в предыдущих статьях, прямоугольные изгибы и переходные отверстия (виасы) не включены в вышеуказанный список, поскольку ни одна из этих особенностей не является значительным источником несоответствия импеданса.

Уравнения импеданса

Существует несколько уравнений, которые помогают в расчете импеданса. Они представлены ниже. Как отмечалось ранее, импеданс линии передачи определяется распределенной вдоль ее длины емкостью и индуктивностью. И уравнение, используемое для расчета импеданса, повторяется здесь в Уравнении 1.

Уравнение 1. Уравнение импеданса

В вышеупомянутом, Z₀ - это импеданс в омах; jωL₀ - это паразитная индуктивность в генри на единицу длины, jωC₀ - это паразитная емкость в фарадах на единицу длины, а R₀ - потери из-за скин-эффекта (которые можно игнорировать до тех пор, пока вы не достигнете очень высоких частот). G₀ - это потери в диэлектрике. Как отмечалось выше, изменение либо паразитной индуктивности, либо паразитной емкости изменит импеданс передающей линии. Также было показано, что изменения в импедансе вызывают отражения сигнала. Для удобства уравнение отражения повторяется в Уравнении 2.

 
Уравнение 2. Уравнение отражения

Это уравнение предсказывает процент отраженного обратно к источнику ЭМ поля на основе двух импедансов по обе стороны изменения, где Z_l - это импеданс на нижнем участке, а Z₀ - импеданс на верхнем участке. Уравнение отражает амплитуду напряжения отражения.

Исходя из Уравнения 1, не очевидно, какие переменные будут влиять на импеданс. Уравнение 3 - это классическое уравнение поверхностной микрополоски. Оно иллюстрирует переменные на печатной плате, определяющие импеданс.

Уравнение 3. Классическое уравнение импеданса поверхностной микрополоски

Это уравнение приведено только для наглядности, чтобы можно было показать переменные. В отдельной статье, следующей за этой, будет показано, что это уравнение, а также другие уравнения, используемые для расчета импеданса, имеют ограниченный диапазон, в котором они действительны. Существуют более точные методы, некоторые из которых обсуждались в предыдущих статьях. В следующей статье также будут представлены другие методы определения импеданса.

Общие характеристики упомянутых выше особенностей заключаются в том, что они могут оказывать измеримое влияние на одну или обе переменные в Уравнении 1, паразитную индуктивность или паразитную емкость. Мы можем взять эти особенности и показать переменные, на которые они влияют.

• Изменение ширины дорожки в том же слое—C₀
• Изменение толщины дорожки—C₀
• Изменение высоты дорожки над плоскостью—C₀
• Шлейфы вдоль линии передачи—C₀
• Нагрузки вдоль линии передачи—C₀
• Переходы через разъемы—C₀
• Большие разрывы в плоскости питания—C₀
• Изменения в относительной диэлектрической проницаемости—C₀
• Плохо согласованные завершения
• Отсутствие завершений

Как видно, за исключением плохо подобранных терминаторов и отсутствия терминаторов, все источники несоответствия импеданса вызваны чем-то, что изменило паразитную емкость. В пределах размеров дорожек на печатных платах по сравнению с C₀, L₀ относительно постоянна. Это помогает при проектировании путей сигналов с контролируемым импедансом или при устранении проблем с импедансом.

Как только становится понятно, что практически все изменения импеданса вдоль линии передачи обусловлены изменениями паразитной емкости, становится легче управлять этими изменениями и обеспечивать хороший контроль импеданса.

Таблица 1 показывает относительную диэлектрическую проницаемость ламината, который обычно называют FR-4.

Таблица 1. Информация о ламинате для ламината, обычно называемого FR-4

Относительная диэлектрическая проницаемость не только изменяется в зависимости от частоты, но и варьируется в зависимости от количества использованного стекла и смолы для изготовления ламината. Как видно, существует четыре способа изготовления ламината толщиной 4 мила; три способа изготовления ламината толщиной 5 мил и четыре способа изготовления ламината толщиной 6 мил. Также обратите внимание, что соотношение стекла к смоле различается в каждой из этих формул, как и относительная диэлектрическая проницаемость. Если структура печатной платы разработана для использования одной из этих формул, а производитель использует другую, импеданс не будет таким, как ожидалось. Это наиболее распространенная причина, по которой смена производителей приводит к получению печатных плат с различными характеристиками. Чтобы избежать этой проблемы, необходимо указать на чертеже изготовления, какая формула ламината требуется в каждом отверстии структуры.

Заключение

Понимание переменных и особенностей в печатной плате, которые могут влиять на импеданс линии передачи, упрощает проектирование с учетом контроля импеданса с первого раза и облегчает устранение любых проблем с импедансом, которые могут возникнуть в процессе проектирования или в процессе изготовления.

Есть еще вопросы? Звоните эксперту в Altium или читайте дальше, чтобы узнать больше о включении расчетов импеданса в ваши правила проектирования с Altium Designer^®.

Ссылки:

1. Ричи, Ли В. и Засио, Джон Дж., "С первого раза, Практическое руководство по проектированию высокоскоростных печатных плат и систем, Том 1."