Chiều rộng dây dẫn Stripline so với Microstrip để đạt được Trở kháng mong muốn: Chúng có giống nhau không?

Thỉnh thoảng, tôi nhận được những câu hỏi thú vị về định tuyến, bố trí, tính toàn vẹn tín hiệu, hoặc những vấn đề tương tự. Tôi cố gắng trả lời những câu hỏi này khi tôi không quá bận rộn, nhưng đôi khi một trong số chúng thu hút sự chú ý của tôi và tôi cảm thấy cần phải chia sẻ câu trả lời với nhiều nhà thiết kế hơn. Không chần chừ thêm nữa, đây là một câu hỏi tôi nhận được về chiều rộng của stripline so với microstrip cần thiết cho trở kháng kiểm soát.

Tôi có một thắc mắc về microstrip và stripline. Liệu có thể sử dụng cùng một giá trị của T, H và W cho đường truyền của microstrip và stripline không? Tôi muốn trở kháng cho stripline khoảng 32 ohm.

Câu hỏi có vẻ hơi mơ hồ ban đầu, nhưng tôi hiểu nó như sau: Nếu tôi xác định được chiều rộng tốt nhất cho một microstrip, liệu tôi có thể sử dụng cùng một chiều rộng cho stripline, với cùng trọng lượng đồng và khoảng cách đến mặt phẳng tham chiếu? Tôi thích loại câu hỏi này vì nó quay trở lại với một số khía cạnh quan trọng và thường bị bỏ qua của việc định tuyến và thiết kế dấu vết. Hãy đi sâu vào vấn đề này một chút nữa vì nó đề cập đến một số lĩnh vực thú vị của thiết kế tốc độ cao và kiểm soát trở kháng trong PCB.

Câu Trả Lời Ngắn Gọn: Hãy Nhìn vào Các Đường Trường!

Không, bạn không thể sử dụng cùng một chiều rộng cho hai hình dạng đường truyền khác nhau và mong đợi có cùng trở kháng. Chúng ta có thể thấy điều này một cách toán học và khái niệm. Từ góc độ khái niệm, các dấu vết trên microstrip phát ra trường của chúng vào lớp hàn và không khí phía trên điện môi. Sức mạnh trường trong những khu vực này khác với nó trong điện môi, vì vậy chúng ta không thể hợp lý mong đợi những đường trường này tạo ra cùng một mẫu hình và dòng điện dịch chuyển trong mặt phẳng tham chiếu như một đường trường chỉ thẳng qua điện môi đến mặt phẳng tham chiếu. Sự biến đổi giá trị Dk xung quanh dấu vết gây ra tín hiệu trên microstrip có vận tốc được xác định bởi hằng số điện môi hiệu quả, thay vì giá trị Dk thô của chất nền PCB.

Trong một stripline, trường điện chỉ đi qua điện môi; không có không khí. Nói cách khác, hằng số điện môi chỉ là giá trị Dk; không có "Dk hiệu quả" như trong microstrip. Điều này có nghĩa, cho một đường trường cụ thể đi từ stripline qua điện môi, chúng ta sẽ mong đợi một dòng điện dịch chuyển lớn hơn trong các mặt phẳng tham chiếu, do đó chúng ta sẽ mong đợi trở kháng đặc trưng đo được giữa stripline và mặt phẳng tham chiếu sẽ thấp hơn.

Hóa ra, các đường trường hợp ích hơn nhiều so với vẻ ngoài của chúng trong dữ liệu mô phỏng. Nếu bạn muốn có cái nhìn sâu hơn, việc xem xét các phương trình mô tả trở kháng đặc trưng của cả hai loại đường truyền sẽ rất hữu ích.

Câu trả lời dài: Xem xét các phương trình của Stripline so với Microstrip!

Để thực sự thấy sự biến thiên của trở kháng của stripline và microstrip theo chiều rộng, chúng ta cần bắt đầu với trở kháng đặc trưng của các đường truyền này. Hãy xem các bài viết này để tìm các phương trình đó:

• Làm rõ các Máy tính và Công thức Trở kháng Dấu vết
• Các Máy tính và Công thức Trở kháng Stripline Đối xứng

Để thực sự so sánh chiều rộng dấu vết của các đường truyền này, chúng ta cần vẽ biểu đồ trở kháng đặc trưng so với chiều rộng dấu vết. Điều này có thể dễ dàng hình dung nếu chúng ta thay đổi chiều rộng (thực sự là tỷ lệ W/H trong các phương trình này) trong khi giữ tất cả các thông số khác không đổi.

Hình dưới đây cho thấy phần thực được tính toán của trở kháng đặc trưng của microstrip và stripline trên FR4 (Dk = 4.4, hệ số mất mát = 0.02). Tôi đã giả định một bảng mạch 8 lớp với khoảng cách đều nhau giữa các lớp điện môi để đơn giản hóa, và trọng lượng đồng được thiết lập là 0.5 oz/sq. ft. Stripline cũng đối xứng so với các mặt phẳng tham chiếu. Tại đây, tôi đã tập trung vào trở kháng thực vì phần ảo rất nhỏ.

Rõ ràng, chúng ta không thể sử dụng cùng một chiều rộng cho microstrip và stripline và mong đợi thấy trở kháng đặc trưng giống nhau, ngay cả khi tất cả các yếu tố khác được giữ nguyên. Từ đây, chúng ta có thể thấy rằng, với hằng số điện môi và cấu trúc lớp mà tôi đã sử dụng, một microstrip khoảng ~16 mil sẽ có trở kháng gần giống với một stripline khoảng ~7 mil. Các đường cong trên không nên bị nhầm lẫn với trở kháng đầu vào, phụ thuộc vào chiều dài của đường dẫn và trở kháng đầu vào tại tải, sau đó phụ thuộc vào lược đồ kết thúc.

Nếu bạn muốn thấy điều gì xảy ra trong một tình huống thực tế hơn, chúng ta cần xem xét đến trở kháng đầu vào vì đây là thứ mà tín hiệu sẽ gặp khi được tiêm từ bộ điều khiển vào đường truyền. Đồ thị dưới đây cho thấy độ lớn của trở kháng đầu vào cho một microstrip và stripline dài 1 m ở băng thông 1 GHz (thời gian tăng 350 ps cho tín hiệu số) với dung lượng tải 10 pF với kết thúc song song (shunt) ở 50 Ohms.

Đồ thị này nên minh họa tầm quan trọng của kết thúc trong đường truyền. Có một phạm vi các chiều rộng mà trở kháng có thể nằm trên hoặc dưới giá trị mục tiêu. Một lần nữa, chúng ta không thể đơn giản sử dụng chiều rộng được xác định cho microstrip và mong đợi thấy cùng một trở kháng đầu vào cho stripline, và ngược lại. Thú vị thay, cho sắp xếp cụ thể này, stripline đạt ~50 Ohms qua một phạm vi chiều rộng hẹp. Nếu trở kháng đầu vào của tải hoặc trở kháng kết thúc thay đổi, chúng ta sẽ không có cùng điều kiện.

Thay vì đoán mò về độ rộng dấu vết phù hợp cho thiết kế trở kháng kiểm soát, Altium Designer® cung cấp cho bạn quyền truy cập vào trình giải 3D tích hợp từ Simberian để giúp bạn nhanh chóng tạo hồ sơ trở kháng cho các PCB tốc độ cao và tần số cao của mình. Bạn sẽ có thể ngay lập tức nhìn thấy sự đánh đổi giữa độ rộng dải micro và trở kháng khi bạn tạo bảng mạch của mình. Bạn cũng sẽ có các tính năng cần thiết để xác định phương án kết thúc phù hợp cho các PCB tốc độ cao của mình.

Altium Designer trên Altium 365® mang lại một lượng tích hợp chưa từng có cho ngành công nghiệp điện tử cho đến nay chỉ giới hạn trong thế giới phát triển phần mềm, cho phép các nhà thiết kế làm việc từ nhà và đạt được mức độ hiệu quả chưa từng có.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bạn có thể kiểm tra trang sản phẩm để biết mô tả tính năng sâu hơn hoặc một trong những Webinar Theo Yêu Cầu.