Trở kháng cặp vi sai: Sử dụng máy tính để thiết kế PCB của bạn

Trở kháng vi sai trong PCB của bạn là một chủ đề khá phức tạp và thường bị hiểu nhầm. Tôi cũng từng có một số hiểu lầm về những gì cần thiết để đảm bảo các cặp vi sai hoạt động chính xác cho các tốc độ biên của tín hiệu khác nhau và các giao thức số tốc độ cao. Trừ khi thiết kế số của bạn chỉ hoạt động với các bus đơn cuối không có thông số trở kháng cụ thể (SPI, I2C, v.v.), bạn sẽ phải sử dụng định tuyến cặp vi sai để chuyển dữ liệu tốc độ cao giữa các thành phần. Điều này có thể liên quan đến các bus song song rộng như DDR, kênh SerDes, hoặc các giao thức nối tiếp hoàn toàn vi sai. Tất cả những điều này đều cần một phép tính chính xác về trở kháng đường dẫn, bao gồm cả trở kháng vi sai.

Kết quả từ máy tính trở kháng cặp vi sai thường bị hiểu nhầm, với một số định nghĩa xoay quanh trở kháng đơn cuối, trở kháng đặc trưng, và trở kháng chế độ lẻ bị nhầm lẫn và đôi khi được sử dụng thay thế cho nhau. Để giúp các nhà thiết kế có thể đang tìm kiếm hướng dẫn, Altium đã tạo ra hướng dẫn này để giúp các nhà thiết kế hiểu kết quả từ máy tính trở kháng cặp vi sai và một số hướng dẫn quan trọng để giúp áp dụng kết quả vào quá trình thiết kế.

Sử dụng Máy Tính Trở Kháng Cặp Vi Sai

Việc lấy một con số từ máy tính trở kháng là dễ dàng, nhưng hiểu ý nghĩa của con số đó và cách sử dụng nó mới thực sự là thách thức. Máy tính trở kháng cặp vi sai sẽ trả về ít nhất hai giá trị quan trọng, và quan trọng là phải hiểu ý nghĩa của các giá trị này/cách sử dụng chúng. Giá trị trở kháng vi sai được trả về từ hầu hết các máy tính bằng với tổng của trở kháng lẻ cho mỗi đường dẫn:

Khi hai đường dẫn được thiết kế với trở kháng chính xác giống nhau, thì việc lấy trở kháng vi sai và chia cho 2 sẽ cho bạn giá trị trở kháng lẻ của mỗi đường dẫn:

Tất cả điều này bao gồm sự đóng góp từ sự ghép nối. Thực tế, vai trò của máy tính trở kháng cặp vi sai là để tính toán một trong các trở kháng lẻ hoặc vi sai, và sau đó sử dụng điều này để tính toán cái kia trong khi giả định rằng hai đầu của cặp tuân theo các hình dạng cụ thể. Chỉ để cho các nhà thiết kế một điểm xuất phát, hãy xem xét những máy tính trở kháng vi sai này bạn có thể sử dụng để có được ước lượng ban đầu về trở kháng vi sai cho microstrips và striplines.

• Sử dụng máy tính trở kháng microstrip vi sai trực tuyến
• Sử dụng máy tính trở kháng stripline vi sai trực tuyến

Tính toán Trở kháng Vi Sai so với Trở kháng Đơn

Trở kháng đường dẫn (đơn cuối) trong một đường dẫn riêng lẻ thường được tính toán bằng cách bỏ qua bất kỳ đường dẫn lân cận nào, do đó không bao gồm sự ghép nối với các dẫn khác trong thiết kế. Điều này có nghĩa là trở kháng đơn cuối chỉ là trở kháng đặc trưng. Điều này không đúng với trở kháng vi sai; trong các cặp vi sai, trở kháng vi sai được xác định bởi ghép nối điện dung và từ cảm giữa mỗi đường dẫn trong cặp. Kết quả là, trở kháng đơn cuối của một đường dẫn trong cặp vi sai không phải là trở kháng đặc trưng của cùng một đường dẫn; giá trị đó là trở kháng chế độ lẻ và sự khác biệt phát sinh do ghép nối nhiễm từ giữa hai đường dẫn. Trở kháng chế độ lẻ và trở kháng đặc trưng chỉ hội tụ với nhau khi khoảng cách giữa các đường dẫn có xu hướng vô cùng lớn.

Đối với trở kháng cặp vi sai, có một số công thức đơn giản bạn có thể sử dụng để ước lượng trở kháng của cặp (khi nó không được kết nối với bất kỳ tải nào) chỉ bằng cách sử dụng trở kháng đặc trưng và độ mạnh kết nối. Hãy xem webinar này với Ben Jordan để tìm hiểu thêm về cách tính toán này và để xem công thức đơn giản cho microstrips vi sai. Các máy tính được hiển thị ở trên đều sử dụng phương trình Wadell chính xác hơn cho các đường truyền kết nối, được coi là mô hình phân tích tốt nhất có thể tính toán trở kháng không mất mát.

Đối với những người yêu toán học, nội dung tần số trong một tín hiệu số có thể được biểu diễn như là tổng của các tần số analog, và mỗi phần analog của một tín hiệu số sẽ thấy hằng số điện môi khác nhau do sự phân tán màu sắc trong điện môi. Điều này có nghĩa là sự kết nối trong một cặp vi sai chuyển tải tín hiệu số thay đổi trên toàn bộ phổ tần số của một tín hiệu số hoặc một tín hiệu analog băng rộng. Thật không may, máy tính trở kháng cặp vi sai không đạt được kết quả chính xác trong lĩnh vực cụ thể này, cũng như một số lĩnh vực khác, mà tôi sẽ giải thích dưới đây.

Điều Gì Mà Máy Tính Trở Kháng Cặp Vi Sai Bỏ Lỡ

Các máy tính trở kháng cặp vi sai bạn tìm thấy trực tuyến cung cấp một ước lượng đầu tiên tốt về trở kháng mà bạn có thể mong đợi cho hình dạng cụ thể của mình. Đối với các dòng bit số có tốc độ dưới Gbps (thường có thời gian tăng trên 100 ps), kết quả sẽ khá chính xác; các tín hiệu trong phạm vi này có thể có giới hạn lệch lớn, vì vậy những không chính xác nhỏ trong việc tính toán trở kháng sẽ không làm hỏng tín hiệu miễn là việc khớp chiều dài được thực hiện dọc theo kết nối liên tiếp. Các tốc độ dữ liệu cao hơn/tốc độ cạnh nhanh hơn có nhiều khả năng thất bại do lỗi là bản chất khi sử dụng các ứng dụng máy tính đơn giản và máy tính trực tuyến. Điều quan trọng là biết những gì máy tính trở kháng vi sai không thông báo cho bạn, cũng như những gì bạn cần tính toán khi thiết kế chồng PCB của mình:

Hằng số Truyền và Mất mát

Hầu hết các máy tính trực tuyến sẽ không cung cấp cho bạn hằng số truyền sóng hoặc giá trị suy giảm của tín hiệu được truyền bởi một cặp vi sai. Nếu chúng cung cấp, đó chỉ là ở một tần số duy nhất được người dùng chỉ định, và tần số này không được sử dụng trực tiếp trong quá trình tính toán. Bởi vì tín hiệu số là dải rộng và không tập trung công suất ở một tần số duy nhất, kết quả sẽ không đại diện cho hành vi truyền thực tế trong thiết kế cụ thể của bạn. Nếu bạn nhận được một giá trị cho hằng số truyền trong máy tính trở kháng cặp vi sai, đó gần như luôn chỉ là vận tốc pha mà không bao gồm tổn thất. Điều này liên quan đến một nhược điểm khác của các máy tính trở kháng đơn giản hơn: hằng số điện môi.

Hằng Số Điện Môi và Sự Phân Tán

Đối với các tín hiệu số và tín hiệu analog băng thông rộng, chúng ta cần xem xét phổ tần số của tín hiệu khi tính toán trở kháng vi sai. Để có được kết quả chính xác từ máy tính trở kháng vi sai, bạn cần biết hằng số điện mô phức tạp của lớp nền ở tất cả các tần số lên đến một giá trị băng thông giới hạn nào đó, tức là, xem xét sự phân tán. Đối với một dấu vết đơn kết thúc hoạt động ở một tần số (ví dụ, tín hiệu RF), nếu bạn chỉ biết giá trị của hằng số điện mô ở một tần số duy nhất thì cũng được. Đối với các tín hiệu số, không áp dụng phương pháp băng thông rộng và so sánh sự truyền dẫn trên toàn bộ băng thông tín hiệu sẽ che giấu tiềm năng thực sự cho méo và mất mát trong quá trình truyền dẫn, cũng như sự lệch khỏi trở kháng mục tiêu do mất mát.

Đây là một lý do bạn nên tận dụng kinh nghiệm và bộ vật liệu của nhà sản xuất khi thiết kế xếp chồng và xác định trở kháng. Họ có thể cung cấp cho bạn dữ liệu hằng số điện mô và một cách sắp xếp dấu vết đạt được trở kháng cụ thể. Sau đó, bạn có thể lập trình điều này vào công cụ thiết kế của mình và sử dụng nó để đảm bảo bạn nằm trong giới hạn khớp chiều dài. Bạn cũng có thể điều chỉnh các tham số hình học để đảm bảo bạn nằm trong khoảng trở kháng mong muốn với một số dung sai.

Sợi Dệt và Hiệu Ứng Bề Mặt

Tôi chưa bao giờ thấy một máy tính trực tuyến tính toán trở kháng có thể tính đến hiệu ứng của sợi dệt hoặc độ nhám. Một lý do cho điều này là bản chất ngẫu nhiên của sợi dệt. Nếu bạn không đang định tuyến trên các sợi dệt chặt, thì sự lệch pha tạo ra trên mỗi đường dẫn bởi một sợi dệt mở là không thể dự đoán, vì vậy bạn sẽ phải tiếp cận vấn đề một cách thống kê. Với độ nhám, trở kháng và mất mát tạo ra bởi hiệu ứng bề mặt và độ nhám là cụ thể cho quy trình và cần được bao gồm dựa trên dữ liệu được bảng biểu. Tuy nhiên, có một số mô hình cơ bản có thể được sử dụng để xác định độ tăng của trở kháng hiệu ứng bề mặt do độ nhám của đồng, và những mô hình này sẽ được bao gồm trong các máy tính tiên tiến hơn mà bạn thường không tìm thấy trực tuyến.

Trở Kháng Đầu Vào

Giá trị bạn nhận được từ một máy tính trực tuyến tính toán trở kháng cặp vi sai tương ứng với một cặp vi sai cô lập, chúng không xem xét thành phần tải và không tính toán trở kháng đầu vào. Đối với việc khớp trở kháng phức tạp, trở kháng đầu vào rất quan trọng vì đây là trở kháng mà tín hiệu nhìn thấy khi nó nhập vào cặp vi sai. Điều này sẽ cần được tính toán bằng tay hoặc sử dụng một bộ mô phỏng phản xạ được tích hợp trong các công cụ định tuyến tiên tiến, và điều này phải được thực hiện với giá trị trở kháng phức tạp bao gồm hằng số điện mô toàn phần.

Tính toán Trở kháng Cặp Điện Áp Khác Biệt trong Công cụ Thiết kế Lớp Xếp Chồng của Bạn

Do những hạn chế nêu trên với các công cụ tính toán trở kháng cặp điện áp khác biệt đơn giản, các công ty phần mềm ECAD/EDA đã thực hiện nhiều bước để giúp các nhà thiết kế tăng tốc độ tính toán trở kháng và hằng số truyền dẫn cặp điện áp khác biệt. Công cụ thiết kế lớp xếp chồng của bạn nên giúp bạn thiết kế theo trở kháng bạn cần bằng cách cung cấp quyền truy cập vào một công cụ tính toán trở kháng cặp điện áp khác biệt tiên tiến hơn. Trở kháng mà bạn nhận được từ một máy tính thông thường bạn tìm thấy trực tuyến chỉ là một ước lượng; cần có các công cụ tiên tiến hơn để xác minh kết quả và thiết lập một quy tắc thiết kế thực thi độ rộng dấu vết chính xác trong quá trình định tuyến.

Công cụ thiết kế xếp chồng lớp của Altium Designer được tích hợp vào PCB Editor, vì vậy bạn có thể nhanh chóng truy cập vào một trình giải quyết trường 2D mạnh mẽ phù hợp với bốn sắp xếp dấu vết cặp điện áp khác biệt phổ biến, bao gồm cả các sắp xếp đồng mặt phẳng. Để truy cập vào các tính năng này, chỉ cần mở xếp chồng lớp của bạn trong PCB Editor và nhấp vào tab Trở Kháng. Từ đây bạn có thể tạo một hồ sơ trở kháng sẽ thực hiện các phép tính trở kháng dựa trên xếp chồng và sắp xếp dấu vết đã chọn của bạn. Hãy chắc chắn bạn sao chép hằng số điện môi phù hợp vào xếp chồng để đảm bảo bạn đã tính toán đúng trở kháng cặp điện áp khác biệt.

Cũng lưu ý rằng một nửa trở kháng vi sai, tức là trở kháng chế độ lẻ của một đường dẫn đơn lẻ, không giống như trở kháng đặc trưng của một đường dẫn trong cặp. Nếu bạn dự định đặt các cặp vi sai xa nhau, thì trở kháng liên quan là trở kháng đặc trưng của đường dẫn, không phải là trở kháng chế độ lẻ của một đường dẫn đơn lẻ. Tôi đã thảo luận về điểm này trong các bài viết khác về thiết kế và định tuyến cặp vi sai; bạn có thể đọc thêm trong các bài viết này:

• Cách Thiết kế Theo Đặc Tả Trở Kháng Vi Sai
• Bạn Có Nên Sử Dụng Khoảng Cách Cặp Vi Sai Chặt Chẽ hay Lỏng Lẻo và Ghép Nối?

Hãy dành thời gian để kiểm tra Quản Lý Lớp Xếp Chồng trong Altium Designer^® và xem bạn có thể dễ dàng sử dụng máy tính trở kháng cặp vi sai tốt nhất như thế nào để xây dựng lớp xếp chồng của mình. Khi bạn đã hoàn thành lớp xếp chồng và bạn sẵn sàng để thiết kế của mình được đánh giá bởi nhà sản xuất, bạn có thể phát hành các tệp thiết kế với nền tảng Altium 365^™. Không có sự kết hợp nào khác của các công cụ thiết kế làm cho việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng như vậy.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.