Cách Thiết kế theo Đặc tả Trở kháng Chênh lệch

Khái niệm và việc triển khai trở kháng vi sai thường xuyên bị hiểu lầm. Ngoài ra, việc thiết kế một kênh để đạt được trở kháng vi sai cụ thể thường được thực hiện một cách tùy tiện. Đôi khi, tôi nhìn lại các thiết kế cũ và suy nghĩ về cách tôi đã thiết kế các đường dẫn để đạt được thông số trở kháng vi sai, và tôi nhận ra rằng có lẽ tôi có thể đã làm tốt hơn và tránh được một số rắc rối nếu tôi hiểu rõ hơn về trở kháng vi sai.

Chính khái niệm về trở kháng vi sai là một cấu trúc toán học mà không hoàn toàn nắm bắt được hành vi của từng tín hiệu trong một đường dẫn vi sai. Trở kháng vi sai là một phương pháp tắt để đến với một giá trị quan trọng khác, trở kháng lẻ, và ngược lại. Vậy chúng ta cần thiết kế cái nào và làm thế nào chúng ta có thể đảm bảo tín hiệu được giải mã đúng cách tại bộ thu? Hãy tiếp tục đọc để biết trở kháng vi sai là gì và xem sâu hơn một chút về cách thiết kế theo thông số trở kháng vi sai và chính xác nó có ý nghĩa gì cho thiết kế của bạn.

Trở Kháng Vi Sai Được Định Nghĩa

Trở kháng vi sai liên quan đến một tính chất cơ bản của tín hiệu vi sai. Tất cả tín hiệu vi sai đều được một thành phần thu giải mã như một tín hiệu chênh lệch (do đó có tên là “vi sai”). Một cách để nghĩ về tín hiệu vi sai là: đó là một sự xáo trộn điện từ lan truyền bao gồm hai tín hiệu khác nhau, lý tưởng là được gửi cùng nhau dọc theo một cặp dấu vết. Khi chúng ta nói “xáo trộn điện từ,” chúng ta ám chỉ sự phân bố trường điện và trường từ xung quanh hai dấu vết đó. Đó, sau cùng, là toàn bộ điểm của dẫn điện trong một PCB: để hướng dẫn và vận chuyển trường điện từ xung quanh bố cục.

Do đó, việc quan sát xem sự xáo trộn điện từ tạo ra bởi cặp tín hiệu này lan truyền như thế nào dọc theo hai dấu vết là điều thú vị. Để làm điều đó, chúng ta cần:

• Trở kháng đường truyền mà trường điện từ trải nghiệm
• Hằng số lan truyền cho sự xáo trộn này

Nếu bạn biết một trong những giá trị này, thì bạn có thể tìm ra giá trị kia. Mục đích của việc thiết kế vi sai cho một trở kháng vi sai cụ thể là để đảm bảo trường điện từ chúng ta tiêm vào một kênh được giải mã như là cùng một (hoặc gần giống như) trường điện từ nhận được ở cuối tải của một kênh.

Điều thú vị ở đây là cách mà trường được tạo ra bởi mỗi đường dẫn được sử dụng. Ý tôi là, chúng ta quan tâm đến sự khác biệt giữa hai tín hiệu (các trường của chúng) hoặc tổng của chúng, tùy thuộc vào chức năng của bộ thu. Do đó, về mặt phương trình Telegrapher, chúng ta muốn xem xét sự lan truyền của sự khác biệt giữa hai tín hiệu đó, một chủ đề đòi hỏi sự hiểu biết toán học cao và yêu cầu phải định nghĩa dung kháng và cảm kháng lẫn nhau giữa các đường dẫn.

Công thức cho Trở kháng Đối xứng

Tính toán trở kháng đối xứng là một bài tập trong việc tính toán một đại lượng quan trọng khác, đó là trở kháng chế độ lẻ. Khi hai đường dẫn được bố trí thành một cặp đối xứng và được kích thích bằng một tín hiệu đối xứng, trở kháng của một đường dẫn đơn lẻ sẽ là giá trị trở kháng chế độ lẻ.

Thật không may, không có nhiều mô hình phân tích tốt cho trở kháng vi sai, hoặc cụ thể hơn là trở kháng chế độ lẻ. Nếu bạn xem qua Transmission Line Design Handbook của Brian C. Wadell, bạn sẽ thấy rằng việc xác định trở kháng cho một cặp microstrip yêu cầu sử dụng 70 công thức (Xem mục 4.5). Đó không phải là lỗi đánh máy, thực sự cần tổng cộng 70 công thức để tính toán trở kháng chế độ lẻ hoặc chế độ chẵn cho một cặp microstrip. Nếu bạn muốn làm việc với các bố trí đồng mặt phẳng hoặc các dấu vết không đối xứng, bạn sẽ cần ít công thức hơn nhưng bạn cần đánh giá một tích phân elip, điều mà tôi chưa bao giờ thực hiện và sẽ cần một ứng dụng như MATLAB hoặc Mathematica.

Bạn có thể lấy trực tiếp độ tự cảm hoặc điện dung tương hỗ từ các phương trình Maxwell, mặc dù những kết quả này là đề tài của nhiều bài báo nghiên cứu và kết quả không phải lúc nào cũng dễ sử dụng. Chúng thường liên quan đến các bộ công thức trở kháng vi sai lớn xấu xí có nhiều tham số. Đây là lý do tại sao nhiều máy tính trở kháng vi sai bạn thấy trực tuyến chỉ sử dụng công thức IPC-2141A, là một phép ước lượng với ít công thức trở kháng vi sai hơn.

Bạn Có Nên Sử Dụng Trở Kháng Đặc Trưng hay Trở Kháng Chế Độ Lẻ?

Tóm lại, trở kháng chế độ lẻ là giá trị được sử dụng để kết thúc. Có một điều rất quan trọng cần lưu ý về trở kháng chế độ lẻ mà tôi ước mình được biết từ lâu:

• Trở kháng chế độ lẻ của một dấu vết không phải lúc nào cũng giống như trở kháng đặc trưng của dấu vết đó.

Nếu bạn đảo ngược lại, chúng ta có thể phát biểu lại như sau:

• Chiều rộng dấu vết cần thiết cho một trở kháng chế độ lẻ cụ thể không phải lúc nào cũng giống như chiều rộng dấu vết cần thiết cho một trở kháng đặc trưng cụ thể.

Nói cách khác, thông số trở kháng vi sai cho tiêu chuẩn tín hiệu của bạn liệt kê một trở kháng vi sai cụ thể, và bạn cần đạt được điều đó bằng cách thiết kế vi sai theo trở kháng chế độ lẻ. Vì lý do này, giá trị thường được trích dẫn cho việc kết thúc song song tại bộ thu thường gấp đôi trở kháng chế độ lẻ, nhưng mỗi đầu của dấu vết chỉ quan tâm đến trở kháng chế độ lẻ của từng dấu vết một cách riêng lẻ, không nhất thiết là trở kháng vi sai.

Tùy thuộc vào khoảng cách và độ dày điện môi, bạn có thể đặt chiều rộng dấu vết trở kháng đặc trưng gần giá trị tương tự như chiều rộng dấu vết trở kháng chế độ lẻ.

Tính toán Chiều Rộng và Khoảng Cách

Nếu bạn tính toán độ rộng mà một đường dẫn cần có để đạt được mục tiêu trở kháng đặc trưng (tức là, 50 Ohm), và sau đó bạn nhập độ rộng đó vào một máy tính trở kháng vi sai, bạn sẽ thấy rằng bạn không phải lúc nào cũng nhận được kết quả hữu ích cho khoảng cách; khoảng cách có thể quá nhỏ (<4 mils) và có thể nằm ngoài khả năng sản xuất cho một điện môi rất mỏng. Ngược lại, khoảng cách có thể trở nên rất lớn đối với một điện môi dày hơn. Thực tế, trên một PCB tiêu chuẩn 2 lớp có độ dày tiêu chuẩn, độ rộng đường dẫn cần thiết để một microstrip đạt trở kháng 50 Ohm là khoảng 105 Ohm trên một lõi tiêu chuẩn. Để một đường dẫn riêng lẻ có trở kháng chế độ lẻ bằng với trở kháng đặc trưng, máy giải phương trình trường của bạn sẽ cho bạn biết rằng bạn cần phải tách các đường dẫn ra một khoảng cách lớn. Nếu bạn sử dụng máy giải phương trình trường, bạn sẽ thấy rằng nó có thể sẽ ngừng hội tụ khi khoảng cách khoảng 10 inch! Rõ ràng, điều này cũng không hữu ích.

Nói chung, có nhiều sự kết hợp giữa khoảng cách và độ rộng dấu vết mà sẽ giúp bạn đạt được thông số trở kháng vi sai. Điều bạn thực sự thiết kế là trở kháng chế độ lẻ, không phải trở kháng vi sai, trở kháng vi sai chỉ là một thông số định nghĩa trở kháng chế độ lẻ. Vậy, chúng ta phải hỏi, làm thế nào để xác định trở kháng chế độ lẻ và sự kết hợp “tốt nhất” một cách khách quan giữa độ rộng và khoảng cách dấu vết mà không cần công thức?

So sánh Độ Rộng và Khoảng Cách cho Microstrips Vi Sai

Để xem sự kết hợp nào giữa độ rộng và khoảng cách dấu vết sẽ cho một trở kháng vi sai mong muốn, hãy xem một số kết quả mô phỏng. Trong ví dụ dưới đây, tôi sẽ thực hiện quy trình sau

• Tính toán khoảng cách dấu vết cần thiết cho một độ rộng dấu vết cụ thể trong cặp microstrip vi sai với mục tiêu đạt được trở kháng vi sai mục tiêu là 100 Ohm.
• Quét qua nhiều giá trị độ dày điện môi (khoảng cách đến mặt phẳng tham chiếu của microstrip).
• Đối với mỗi giá trị độ dày điện môi, ghi chú lại độ rộng dấu vết cần thiết cho trở kháng đặc trưng 50 Ohm.

Tôi sẽ thực hiện những điều này trong Altium Designer với Layer Stack Manager để người dùng có thể sao chép chúng. Trong biểu đồ dưới đây, tôi đã chỉ ra một bộ giá trị khoảng cách cần thiết cho các microstrip khác biệt cho các chiều rộng dấu vết và độ dày điện môi khác nhau (được ghi nhãn là H dưới đây, được vẽ cho mục tiêu trở kháng khác biệt 100 Ohm và Dk = 4.8, không xem xét đến sự phân tán hoặc độ nhám). Ý tưởng ở đây là xác định khoảng cách cần thiết cho một chiều rộng nhất định với mục tiêu đạt được giá trị trở kháng khác biệt cụ thể.

Lưu ý rằng trục y được vẽ trên thang đo logarit để rõ ràng hơn. Chúng ta có thể tạo ra một bộ đường cong mới cho các giá trị Dk khác và các giá trị trở kháng cặp khác biệt. Những đường cong này nên minh họa vai trò của độ dày điện môi; khi khoảng cách từ một microstrip đến mặt đất của nó tăng lên, tỷ lệ chiều rộng-khoảng cách cần thiết để đạt 100 Ohm trở kháng phụ thuộc ít vào khoảng cách đến mặt đất (xem các đường cong trở kháng 60 mils và 45 mils).

Giá trị chiều rộng được hiển thị ở trên so sánh như thế nào với giá trị cần thiết cho một trở kháng đặc trưng 50-ohm? Biểu đồ dưới đây cho thấy những giá trị này. Đây là một mô hình tuyến tính đẹp mắt minh họa sự bão hòa xảy ra ở các chiều rộng dấu vết rộng; khi dấu vết rộng, tỷ lệ chiều rộng-độ dày trở nên không đổi.

Giờ đây, với các giá trị được hiển thị ở trên cho trở kháng đặc trưng và các cặp độ rộng/ khoảng cách dấu vết, chúng ta có thể xác định khoảng cách gây ra độ rộng dấu vết cho trở kháng lẻ 50 Ohm cũng tạo ra trở kháng đặc trưng 50 Ohm.

Biểu đồ này có vẻ phức tạp, nhưng nó có một cách giải thích đơn giản. Giá trị khoảng cách nơi mỗi đường cong cắt qua 1 trên trục y sẽ khiến độ rộng dấu vết trong cặp vi sai bằng với độ rộng dấu vết khi dấu vết không là một phần của cặp vi sai, trong khi vẫn giữ được cùng một trở kháng. Nói cách khác, dấu vết đơn lẻ và dấu vết trong cặp sẽ có cùng độ rộng và trở kháng 50 Ohm tại một giá trị khoảng cách cụ thể cho mỗi độ dày điện môi.

Thật không may, trở kháng lẻ và trở kháng đặc trưng không bao giờ bằng nhau; điều này chỉ xảy ra trong giới hạn khoảng cách lớn, hoặc khi các cặp được tách ra bởi một khoảng cách vô cùng! Giá trị nơi y = 1 là một tiệm cận trên biểu đồ này. Nếu điện môi mỏng (

Chỉ cần lấy ví dụ, nếu chúng ta lấy điện môi 5 mils trong Hình 3, và chúng ta tính toán độ rộng dấu vết cho trở kháng chế độ lẻ, chúng ta sẽ nhận được 6.184 mils. Nếu sau đó tôi sử dụng điều này để tính toán trở kháng đặc trưng, tôi sẽ nhận được giá trị 55 Ohm, hoặc chỉ lệch 10%. Đây là khoảng lệch trở kháng cao nhất bạn có thể chấp nhận trong một số tiêu chuẩn tín hiệu. Chẳng hạn, USB SuperSpeed linh hoạt hơn và cho phép sự biến đổi rộng lớn trong trở kháng cặp vi sai (và do đó là trở kháng chế độ lẻ).

Sử dụng Khoảng cách và Độ Rộng Dấu Vết Để Tận Dụng Lợi Thế

Bạn có thể tự hỏi, liệu việc có một độ rộng dấu vết duy nhất hoạt động cho cả trở kháng đặc trưng và trở kháng chế độ lẻ có thực sự quan trọng không? Có ba lý do tốt cho điều này:

• Nó chuyển vấn đề thiết kế một kênh vi sai từ một vấn đề liên quan đến 2 biến số thành một vấn đề liên quan đến 1 biến số: khoảng cách.
• Đối với nhà sản xuất, việc đảm bảo trở kháng kiểm soát dễ dàng hơn khi bạn chỉ thiết kế theo một độ rộng dấu vết hoạt động cho cả trở kháng vi sai và trở kháng đơn cuối. Tùy thuộc vào độ chính xác trong thiết kế của bạn, bạn có thể sử dụng một độ rộng để nằm trong giới hạn cho cả thông số đơn cuối và vi sai.
• Bạn có thể tách các đường dẫn khi định tuyến kênh vi sai, ngay cả khi rất gần với bộ thu, và bạn không cần phải lo lắng về sự phản xạ vì mỗi đầu của đường dẫn sẽ phù hợp với trở kháng đầu vào cho mỗi cổng như được nhìn vào từ bộ thu.

Lưu ý rằng điều này dễ dàng hơn trên các điện mô mỏng, bạn sẽ không có mức độ tương ứng gần như nhau giữa chiều rộng đường dẫn đặc trưng và chiều rộng đường dẫn chế độ lẻ trên một điện mô dày. Bạn cũng có thể chọn một phong cách thay thế như cặp vi sai đồng mặt phẳng nếu bạn muốn có nhiều lựa chọn hơn khi làm việc với các điện mô dày.

Khi bạn cần thiết kế và định tuyến với trở kháng cặp vi sai được xác định, hãy sử dụng bộ tính năng định tuyến, bố trí và mô phỏng PCB tốt nhất trong Altium Designer®. Động cơ quy tắc thiết kế tích hợp và Layer Stack Manager cung cấp cho bạn mọi thứ bạn cần để thiết kế theo một trở kháng cặp vi sai cụ thể và nhanh chóng định tuyến các đường dẫn trong PCB của bạn. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ các dự án của mình.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề nổi 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.