Làm rõ về Máy tính và Công thức Điện trở Dây dẫn

Dù có thể không rõ ràng với những người mới hoặc những ai cho rằng toán học đằng sau thiết kế PCB phần lớn đã được giải quyết, vẫn còn nhiều tranh cãi về công thức đúng để tính toán trở kháng đường dẫn. Sự không đồng thuận này mở rộng tới các công cụ tính toán trở kháng đường dẫn trực tuyến, và các nhà thiết kế nên nhận thức được giới hạn của những công cụ này.

Vấn đề với Máy Tính Trở Kháng Đường Dẫn

Nếu bạn sử dụng công cụ tìm kiếm yêu thích của mình để tìm một máy tính trở kháng đường dẫn, bạn sẽ tìm thấy một số. Một số máy tính trực tuyến này là chương trình miễn phí từ các công ty khác nhau. Một số khác chỉ liệt kê công thức mà không trích dẫn nguồn. Một số máy tính này sẽ cho kết quả mà không có bất kỳ bối cảnh nào, không liệt kê các giả định cụ thể, và không chi tiết các ước lượng liên quan mà công thức của họ sử dụng.

Những điểm này rất quan trọng khi làm việc với, ví dụ, thiết kế một mạng trở kháng khớp cho một ăng-ten dấu vết in. Một số máy tính sẽ cho phép bạn tính toán trở kháng đường dẫn trong một số hình dạng hình học, ví dụ, kết hợp bên cạnh, microstrip nhúng, stripline đối xứng hoặc không đối xứng, hoặc microstrip thông thường. Các máy tính khác giống như một hộp đen; bạn không biết họ đang sử dụng công thức nào và không có cách nào để kiểm tra độ chính xác của những tính toán này mà không so sánh với một số máy tính khác.

Để trích dẫn Douglas Brooks trong một bài viết tháng 10 năm 2011, “Theo ý kiến của nhiều nhà thiết kế, không có công thức trở kháng nào hiện nay được coi là đủ tốt.” Việc phân tích toán học của mỗi công thức trở kháng dấu vết và cung cấp một giải pháp toàn diện cho trở kháng dấu vết nằm ngoài phạm vi của bài viết này. Thay vào đó, hãy cùng xem xét các công thức trở kháng dấu vết dựa trên kinh nghiệm thường được IPC quy định và các phương trình chính xác hơn được cung cấp trong cuốn sách quan trọng Transmission Line Design Handbook của Brian Wadell, dựa trên phương pháp của Wheeler.

IPC-2141 so với Phương trình của Wheeler cho Microstrips

Tiêu chuẩn IPC-2141 chỉ là một trong những nguồn cung cấp các phương trình dựa trên kinh nghiệm cho microstrip và stripline trở kháng. Tuy nhiên, các công thức của IPC-2141 cho dấu vết microstrip thực sự cho kết quả kém chính xác hơn so với các phương trình được trình bày bởi Wheeler. Polar Instruments cung cấp một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về chủ đề này, và công thức của IPC-2141 cùng với các phương trình của Wheeler được liệt kê trong bài viết này.

Công thức của IPC-2141 cho trở kháng đặc trưng của dấu vết

Độ chính xác của các phương trình này đối với các dấu vết microstrip với các trở kháng khác nhau cũng được so sánh trong bài viết của Polar Instruments. Khi kết quả phân tích được so sánh với kết quả được tính toán bằng số trong một hình học cho trước, kết quả từ các phương trình của Wheeler có độ chính xác cao hơn khoảng ~10 lần (lỗi ít hơn 0,7%) so với kết quả từ phương trình IPC-2141 cho microstrip. Mặc dù các phương trình của Wheeler cung cấp độ chính xác cao hơn, phương trình IPC-2141 vẫn được sử dụng trong nhiều máy tính trực tuyến.

Phương trình của Wheeler cho Microstrips

Rick Hartley trình bày một bộ phương trình trở kháng trong một bài thuyết trình cũ cho các microstrip bề mặt và nhúng. Những phương trình này bao gồm rõ ràng hằng số điện môi hiệu quả và điều chỉnh chiều rộng dấu vết tăng thêm. Những yếu tố này không được nêu rõ trong bài viết của Polar Instruments, mặc dù chúng có thể được tìm thấy trong các tài liệu tham khảo về công trình của Wadell và Wheeler.

Các phương trình mà Rick trình bày thực sự là phương trình của Wadell, được in trong Transmission Line Design Handbook. Bài viết của Polar Instruments được trích dẫn ở trên chứa một lỗi rõ ràng bên trong phương trình trở kháng đặc trưng của Wheeler: có vẻ như có một căn bậc hai thừa bên trong hàm logarit. Người ta nên lưu ý điều này và kiểm tra các phương trình so với các tài liệu gốc khi thiết kế máy tính trở kháng đường dẫn cho microstrip nằm trong và trên bề mặt.

Phương trình của Wheeler cho trở kháng đường dẫn microstrip

Dựa trên đánh giá trong bài viết của Polar Instruments, phương pháp của Wheeler dường như là phương pháp chính xác nhất để tính toán trở kháng đường dẫn microstrip cho cả đường dẫn nằm trong và trên bề mặt. Tuy nhiên, vẫn có một sự ước lượng được áp đặt lên tỷ lệ giữa chiều rộng microstrip và chiều cao so với mặt phẳng dẫn. Điều này làm cho các phương trình của Wheeler không liên tục và đặt ra câu hỏi về độ chính xác của chúng khi chiều rộng microstrip tương tự như chiều cao của microstrip so với mặt phẳng dẫn.

Tiến lên với Máy Tính Trở Kháng Đường Dẫn

Trước khi sử dụng máy tính toán trở kháng đường dẫn, người ta cần biết các phương trình mà máy tính sử dụng. Không phải tất cả các máy tính đều rõ ràng nêu điều này. Một số máy tính chọn kết quả của Wadell, nhưng họ chỉ nói rằng chúng dựa trên phương pháp của Wheeler mà không cung cấp tài liệu tham khảo. Một số khác chỉ trình bày phương trình IPC-2141 mà không nêu rõ phương trình được lấy từ đâu.

Điều làm phức tạp thêm, một số máy tính RF sẽ trình bày các phương trình trở kháng đường dẫn khác mà không trích dẫn nguồn. Những phương trình này dường như là sự kết hợp của nhiều yếu tố từ các phương trình của Wadell, trong khi các yếu tố khác bị bỏ qua hoặc đơn giản là được giảm bớt thông qua các phép ước lượng.

Lưu ý cuối cùng về các máy tính trực tuyến: những máy tính này có thể cho phép bạn nhập các giá trị nằm ngoài phạm vi hợp lệ của phép ước lượng của chúng. Điều này tạo ra các giá trị trở kháng không chính xác, nhưng bạn sẽ không biết chúng không chính xác vì phép ước lượng không được liệt kê, cũng như máy tính không kiểm tra tính hợp lệ của các giá trị nhập vào.

Với thiết kế trở kháng kiểm soát tốc độ cao và tần số cao, bạn cần những công cụ thiết kế cho phép bạn xác định trở kháng phù hợp cho cấu hình đường dẫn cụ thể của bạn trên các lớp bề mặt hoặc trên các lớp tín hiệu nội bộ. Altium Designer bao gồm một trình quản lý lớp chồng với một trình giải quyết trường tích hợp xây dựng một hồ sơ trở kháng cho bảng mạch của bạn và định nghĩa hồ sơ này như một phần của thiết kế của bạn. Những tính năng này tích hợp trực tiếp với công cụ bố trí của bạn và chạy trên một động cơ thiết kế thống nhất, cho phép bạn tạo ra các bảng mạch chất lượng cao cho bất kỳ ứng dụng nào.

Nếu bạn quan tâm muốn tìm hiểu thêm về Altium, bạn có thể liên hệ với chúng tôi hoặc tải xuống một bản dùng thử miễn phí và truy cập vào các công cụ bố trí, định tuyến và mô phỏng tốt nhất của ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.