Cách Bù Đắp cho Sự Mất Mát trong Trở Kháng Đường Truyền

| Created: Tháng Bảy 3, 2024 | Updated: Tháng Năm 8, 2025

Cách Bù Đắp cho Sự Mất Mát trong Trở Kháng Đường Truyền

Độ nhám của đồng có lẽ là yếu tố tạo ra sự không chắc chắn lớn nhất trong trở kháng của đường truyền. Đúng là các bộ giải khác nhau có các mô hình tổng hợp và phương pháp tính toán khác nhau được áp dụng để xác định một giá trị trở kháng, nhưng việc cố gắng tính toán ảnh hưởng của độ nhám giới thiệu một sự không chắc chắn mới. Điều này là do sự phụ thuộc của trở kháng dựa trên độ nhám vào mô hình cụ thể được sử dụng và phạm vi tần số nơi độ nhám có ảnh hưởng lớn.

Điện môi gây ra tổn thất cũng khiến trở kháng thực tế của một đường truyền khác biệt rất nhiều so với giá trị trở kháng không tổn thất mà bạn sẽ tính toán trong một máy tính đường truyền tiêu biểu.

Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày một cách đơn giản để tính toán độ nhám trong một phạm vi tần số rộng, áp dụng được đến phạm vi 30 GHz. Điều này sẽ bao gồm hầu hết các ứng dụng kỹ thuật số và tốc độ dữ liệu, cung cấp một cách nhanh chóng để bù đắp cho độ nhám trong tính toán trở kháng đường truyền không tổn thất.

Tổn thất Cần Được Bao Gồm Trong Tính Toán Trở Kháng

Thách thức khi tích hợp tính toán độ nhám của đồng không phải là việc sử dụng một mô hình, vì có nhiều mô hình có sẵn trong phần mềm EDA hiện đại. Điểm đầu tiên cần nhớ là:

Chỉ có trở kháng không tổn thất mới là một giá trị không đổi ở tất cả các tần số!

Nếu bạn đang làm việc trong dải tần số mà độ nhám của đồng và tổn thất điện mô rất quan trọng (trên ~3 GHz), bạn sẽ cần nhận ra rằng trở kháng của một đường dẫn giờ đây sẽ thay đổi theo chức năng của tần số. Kết quả là các nhà thiết kế thường tiếp cận vấn đề tính toán trở kháng đường truyền như sau:

Nhà thiết kế sử dụng một công cụ tính toán như Layer Stack Manager trong Altium Designer, Polar Instruments, hoặc một công cụ trực tuyến để xác định chiều rộng cho một trở kháng 50 Ohm chính xác
Sau khi thiết kế hoàn tất và họ mô phỏng hoặc đo các tham số S, nhà thiết kế phát hiện ra rằng trở kháng thực tế của đường dẫn khá khác biệt so với trở kháng không tổn thất

Điều trên áp dụng cho cả đường dẫn đơn và đường dẫn vi sai. Rõ ràng là chúng ta cần phải có một phương pháp nào đó để ước lượng sự lệch trở kháng do tổn thất, theo cách này tính toán trở kháng không tổn thất của chúng ta thực sự hữu ích. Như chúng ta sẽ thấy dưới đây, sự lệch do tổn thất là một chức năng của góc tổn thất điện mô.

Ví dụ Microstrip Với Góc Tổn Thất Cao (Df = 0.02 @ 1 GHz)

Hãy xem xét điều gì xảy ra khi chúng ta có một dấu vết microstrip với lớp mặt nạ hàn (Dk = 3.5/Df = 0.02 @ 10 MHz), và chúng ta so sánh trở kháng dấu vết thô với trở kháng lý tưởng không tổn hao. Chúng ta có thể mong đợi sự lệch lạc nào do độ thô của dấu vết và tổn hao điện môi?

Hình dưới đây cho thấy trở kháng thực tế cho một dấu vết được thiết kế chính xác 50 Ohm, được xác định sử dụng Simbeor. Tôi đã sử dụng giá trị độ thô bằng không, độ thô 0.75 micron, 1.5 micron, và 2 micron để minh họa cách các đường cong thay đổi do độ thô (Mô hình Hammerstad đã được chỉnh sửa).

Phổ trở kháng cho một microstrip rộng 7.973 mil (1 oz. đồng) trên FR4 4.5 mil (Dk = 4, Df = 0.02 @ 1 GHz) với yếu tố ăn mòn bằng không. Trở kháng microstrip chính xác là 50 Ohm với độ thô bằng không.

Như chúng ta có thể thấy, ở tần số rất thấp (~1 GHz) có một số sai lệch trở kháng do hiệu ứng da và góc mất mát, nhưng trở kháng sẽ hội tụ về trở kháng đặc trưng mục tiêu của chúng ta là 50 Ohm. Trong các phạm vi tần số này, tổn hao chèn thường rất thấp và thiết kế theo trở kháng đặc trưng thường cho kết quả tổn hao phản xạ từ -20 dB đến -30 dB, điều này là hơn cả chấp nhận được cho các giao diện số hoạt động ở tốc độ dữ liệu ~1 Gbps.

Kết luận: cho các giá trị góc mất mát điển hình là 0.02 và các giá trị độ nhám RMS điển hình là 2 micron, lỗi trở kháng không tổn hao là khoảng 1.5%.

Ví dụ về Microstrip Với Góc Mất Mát Thấp (Df = 0.005 tại 10 GHz)

Bây giờ hãy xem điều gì xảy ra trong trường hợp Df thấp hơn. Giả sử chúng ta sử dụng một loại laminate ít tổn hao hơn với độ dày 4.1 mil, Dk = 3.5/Df = 0.005 tại 10 GHz; các giá trị này nằm trong phạm vi của Megtron 5 hoặc 6. Độ dày laminate giảm xuống còn 4.1 mil nhằm đảm bảo rằng chiều rộng của các đường dẫn này được giữ ổn định ở 7.973 mil cho một trở kháng không tổn hao mục tiêu là 50 Ohm.

Biểu đồ dưới đây cho thấy cùng một phép tính nơi chúng tôi tính toán một đặc tính 50 Ohm chính xác với độ nhám bằng không (cho chiều rộng = 7.973 mil), sau đó chúng tôi thêm vào độ nhám của đồng.

Phổ trở kháng cho một microstrip rộng 7.973 mil (đồng 1 oz.) trên FR4 tiên tiến 4.1 mil (Dk = 3.5, Df = 0.005 @ 10 GHz) với hệ số khắc bằng không. Trở kháng microstrip chính xác là 50 Ohms với độ nhám bằng không.

Ở đây chúng ta thấy kết quả tốt hơn một chút ở chỗ lỗi ở tần số cao hơn thấp hơn. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra vì tổn thất điện môi không chiếm ưu thế cho đến tần số cao hơn, điều này là điều người ta mong đợi ở góc tổn thất thấp. Một sự điều chỉnh trở kháng vẫn cần thiết để bù cho độ nhám, nhưng giá trị chỉ thấp hơn vì tổn thất điện môi đã được giảm bớt.

Kết luận: đối với góc tổn thất thấp hơn <0.02 và các giá trị độ nhám RMS điển hình là 2 micron, lỗi trở kháng không tổn thất là khoảng 1.5 phần trăm ở tần số thấp và khoảng 1.0% ở tần số cao.

Hướng đi tiếp theo

Không phải ai cũng có quyền truy cập vào các công cụ mô phỏng như Simbeor, Polar, hoặc các công cụ tương tự để xác định trở kháng đường truyền có tổn hao. Tuy nhiên, bạn có thể áp dụng một quy tắc đơn giản với máy tính trở kháng đường truyền không tổn hao để đảm bảo bạn tính toán được tổn hao của điện môi và đồng.

Do máy tính trở kháng không tổn hao có thể ước lượng thấp hơn trở kháng có tổn hao vài phần trăm trên 1 GHz, tốt nhất là chọn chiều rộng lớn hơn một chút sẽ cho trở kháng thấp hơn một chút. Nếu bạn cần một đường 50 Ohm, hãy tính toán một đường 48.5.49 Ohm nếu bạn hoạt động ở những tần số cao này. Điều này sẽ đảm bảo rằng tổn hao sẽ đưa trở kháng đường truyền của bạn gần hơn với 50 Ohms trên một phạm vi tần số rộng.

Để tìm hiểu thêm, hãy đọc các bài viết sau:

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và các công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường liên ngành ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

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

How to Simulate a PCB Design PCB Design and Simulation Workflows SPICE Simulation in Altium xSignals in Altium PDN Analyzer for DC Power Integrity

About Author

Zachariah Peterson has an extensive technical background in academia and industry. He currently provides research, design, and marketing services to companies in the electronics industry. Prior to working in the PCB industry, he taught at Portland State University and conducted research on random laser theory, materials, and stability. His background in scientific research spans topics in nanoparticle lasers, electronic and optoelectronic semiconductor devices, environmental sensors, and stochastics. His work has been published in over a dozen peer-reviewed journals and conference proceedings, and he has written 2500+ technical articles on PCB design for a number of companies. He is a member of IEEE Photonics Society, IEEE Electronics Packaging Society, American Physical Society, and the Printed Circuit Engineering Association (PCEA). He previously served as a voting member on the INCITS Quantum Computing Technical Advisory Committee working on technical standards for quantum electronics, and he currently serves on the IEEE P3186 Working Group focused on Port Interface Representing Photonic Signals Using SPICE-class Circuit Simulators.