Đặc tính của Đường truyền Ảnh hưởng đến Trở kháng—Những Tính năng Ẩn

Tại đây và trong một số bài viết khác được công bố trên mục tài nguyên Altium trên trang web của công ty, chủ đề về trở kháng đường truyền đã được đề cập từ nhiều góc độ khác nhau. Tôi đã đề cập đến trở kháng đường truyền trước đây trong bài viết của mình, Sự Phát Triển Của Công Nghệ Mô Phỏng và Trở Kháng và, có vẻ như chúng ta có thể đã khai thác hết lĩnh vực thông tin tiềm năng có thể được cung cấp về trở kháng, tuy nhiên, thực tế, một số đặc điểm chỉ được đề cập qua loa. Bài viết này sẽ đi sâu vào những đặc điểm đó và tác động của chúng cùng với các phương trình cơ bản được sử dụng trong việc kiểm soát trở kháng đường truyền.

Nguồn gốc của Trở Kháng hoặc Sự Không Khớp

Như đã được thảo luận trong các bài viết trước, bốn biến chính quyết định trở kháng của một đường truyền trên lớp bề mặt bao gồm:

• Chiều cao của dấu vết so với mặt phẳng mà nó di chuyển qua.
• Chiều rộng của dấu vết.
• Độ dày của dấu vết.
• Vật liệu cách điện được sử dụng để hỗ trợ dấu vết.

Một khi bốn biến số trên được biết đến, có thể xác định được những đặc điểm nào trong PCB sẽ có ảnh hưởng liên quan đến trở kháng. Những đặc điểm này bao gồm:

• Thay đổi độ rộng dây dẫn trên cùng một lớp. Điều này thường được gọi là thu hẹp dây dẫn.
  • Thu hẹp dây dẫn ám chỉ việc giảm độ rộng của dây dẫn khi nó tiếp cận với một pad hẹp hơn như pad trên thiết bị gắn mặt (SMD) hoặc một lỗ thông có đường kính nhỏ hơn độ rộng của dây dẫn.
• Thay đổi độ dày của dây dẫn.
• Thay đổi chiều cao so với mặt phẳng.
• Các đoạn nhô ra dọc theo đường truyền.
• Các tải trọng dọc theo đường truyền.
• Chuyển đổi kết nối.
• Kết thúc không khớp đúng.
• Không có kết thúc.
• Sự không liên tục lớn hơn của mặt phẳng nguồn.
• Thay đổi trong hằng số điện môi tương đối.

Như đã đề cập trong các bài viết trước, các góc vuông và vias không nằm trong danh sách trên bởi vì không có tính năng nào trong số này là nguồn gây ra sự không khớp trở kháng đáng kể.

Phương trình Trở kháng

Có một số phương trình hữu ích trong tính toán trở kháng. Chúng được trình bày dưới đây. Như đã đề cập trước đó, trở kháng của một đường truyền được xác định bởi dung lượng và cảm kháng phân bố dọc theo chiều dài của đường truyền. Và, phương trình được sử dụng để tính toán trở kháng được lặp lại ở đây trong Phương trình 1.

Phương trình 1. Phương trình Trở kháng

Trong phần trên, Z₀ là trở kháng tính bằng ohm; jωL₀ là độ tự cảm nhiễu tính bằng henry trên mỗi đơn vị chiều dài, jωC₀ là dung kháng nhiễu tính bằng farad trên mỗi đơn vị chiều dài và R₀ là tổn thất do hiệu ứng bề mặt (có thể bỏ qua cho đến khi bạn đạt đến tần số rất cao). G₀ là tổn thất trong điện môi. Như đã nêu ở trên, thay đổi bất kỳ độ tự cảm nhiễu hoặc dung kháng nhiễu nào sẽ thay đổi trở kháng của đường truyền tín hiệu. Cũng đã được chứng minh rằng sự thay đổi trong trở kháng gây ra phản xạ tín hiệu. Để tiện lợi, phương trình phản xạ được lặp lại trong Phương trình 2.

 
Phương trình 2. Phương trình Phản xạ

Phương trình này dự đoán phần trăm của trường EM sự cố sẽ được phản xạ trở lại nguồn dựa trên hai trở kháng ở mỗi bên của một sự thay đổi nơi Z_l là trở kháng phía hạ lưu và Z₀ là trở kháng phía thượng lưu. Phương trình phản ánh biên độ điện áp của sự phản xạ.

Dựa trên Phương trình 1, không rõ ràng biến số nào sẽ ảnh hưởng đến trở kháng. Phương trình 3 là phương trình microstrip bề mặt cổ điển. Nó minh họa các biến số trong PCB quyết định trở kháng.

Phương trình 3. Phương trình Trở kháng Microstrip Bề mặt Cổ điển

Phương trình này được đưa ra chỉ để mục đích minh họa để các biến số có thể được hiển thị. Trong một bài viết riêng biệt tiếp theo, sẽ được chỉ ra rằng phương trình này cũng như các phương trình khác được sử dụng để tính toán trở kháng chỉ có phạm vi hợp lệ hạn chế. Có những phương pháp chính xác hơn có sẵn và một số đã được thảo luận trong các bài viết trước. Bài viết tiếp theo cũng sẽ bao gồm các phương pháp khác để xác định trở kháng.

Đặc điểm chung của các đặc điểm được nêu trên là chúng có thể có tác động đo được lên một hoặc cả hai biến số trong Phương trình 1, độ tự cảm nhiễu hoặc điện dung nhiễu. Chúng ta có thể lấy những đặc điểm đó và chỉ ra các biến số mà chúng ảnh hưởng.

• Thay đổi chiều rộng dấu vết trên cùng một lớp—C₀
• Thay đổi độ dày dấu vết—C₀
• Thay đổi chiều cao dấu vết so với mặt phẳng—C₀
• Đuôi dọc theo đường truyền—C₀
• Tải trọng dọc theo đường truyền—C₀
• Chuyển đổi kết nối—C₀
• Sự không liên tục lớn của mặt phẳng nguồn—C₀
• Thay đổi hằng số điện môi tương đối—C₀
• Kết thúc không khớp đúng
• Không có kết thúc

Như có thể thấy, ngoại trừ việc kết thúc không phù hợp và không có kết thúc, tất cả các nguồn gây ra sự không khớp trở kháng đều do một thay đổi nào đó đã làm thay đổi dung kháng nhiễu. Trong giới hạn của kích thước đường dẫn trên PCB, so với C₀, L₀ tương đối ổn định. Điều này hữu ích khi đến lúc thiết kế đường dẫn tín hiệu kiểm soát trở kháng hoặc khắc phục sự cố trở kháng.

Một khi hiểu rằng hầu như tất cả các thay đổi trở kháng dọc theo chiều dài của đường truyền đều do thay đổi trong dung kháng nhiễu, việc quản lý những thay đổi đó và tạo ra kiểm soát trở kháng tốt trở nên dễ dàng hơn.

Bảng 1 cho thấy hằng số điện môi tương đối của lớp phủ thường được biết đến với tên là FR-4.

Bảng 1. Thông Tin Lớp Phủ cho Lớp Phủ Thường Gọi là FR-4

Không chỉ hằng số điện môi tương đối thay đổi theo tần số, nó còn biến đổi theo lượng kính và nhựa được sử dụng để tạo ra tấm lớp phủ. Như có thể thấy, có bốn cách để tạo ra một miếng lớp phủ dày 4-mil; ba cách để tạo ra một miếng lớp phủ dày 5-mil và bốn cách để tạo ra một miếng lớp phủ dày 6-mil. Ngoài ra, lưu ý rằng tỷ lệ giữa kính và nhựa là khác nhau trong mỗi công thức này cũng như hằng số điện môi tương đối. Nếu một PCB stackup được thiết kế để sử dụng một trong những công thức này và nhà sản xuất sử dụng một trong những công thức khác, trở kháng sẽ không như mong đợi. Đây là lý do phổ biến nhất khiến việc thay đổi nhà sản xuất dẫn đến PCB có các đặc tính khác nhau. Để tránh vấn đề này, cần phải chỉ định, trên bản vẽ sản xuất, công thức lớp phủ nào là cần thiết trong mỗi lỗ mở trong stackup.

Tóm tắt

Hiểu biết các biến số và đặc điểm trong PCB có thể ảnh hưởng đến trở kháng đường truyền làm cho việc thiết kế kiểm soát trở kháng đúng từ lần đầu tiên trở nên dễ dàng hơn, và dễ dàng hơn trong việc khắc phục bất kỳ vấn đề trở kháng nào có thể xảy ra trong quá trình thiết kế hoặc trong quá trình sản xuất.

Có thêm câu hỏi? Hãy gọi cho chuyên gia tại Altium hoặc đọc tiếp để tìm hiểu thêm về việc tính toán trở kháng và áp dụng vào quy tắc thiết kế với Altium Designer^®.

Tham khảo:

1. Ritchey, Lee W. và Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 1.”