Coincidencia de impedancia y grandes anchos de trazo

Actualmente estoy trabajando en un diseño en el que uno de mis circuitos integrados especifica el uso de una traza de 50 ohmios. La respuesta a esta pregunta, Impedancia característica de una traza , muestra que se requiere una traza de 120 mil para obtener esta impedancia.

El IC solo tiene espacio para trazas de 18,8 mil, y eso supone que no hay espacio entre trazas. Entonces, ¿cómo puedo diseñar teniendo en cuenta esa traza de impedancia? Obviamente, puedo disminuir el grosor del tablero o aumentar la altura del cobre, pero solo hasta cierto punto y me gustaría que esto se fabrique a un precio algo económico. ¿Cómo se suele tratar esto?

El IC que estoy usando es el MAX9382 que puede operar hasta 450 MHz, probablemente lo usaré alrededor de 400-450 MHz. Los datos que se utilizan son inicialmente analógicos, pero tienen que ser estrictamente limitados para convertirse en digitales para poder usarse con ese IC.

Publique la pila de PCB y la permitividad dieléctrica.
@Marque la pila y la permitividad dieléctrica todavía están en discusión sobre qué usar (como en Estoy abierto a sugerencias). Pero para FR-4 a 500 MHz, la permitividad dieléctrica es de 4,35 y una placa de 63 mil con 2 oz de cobre da como resultado una altura de 1,8 mil.

Respuestas (5)

Utilice una acumulación de 4 capas.

Calcular el ancho de trazo necesario no tiene sentido a menos que haya un plano de tierra sólido debajo, con un diseño de 2 capas, es posible que deba enrutar los trazos en el otro lado, lo que luego arruina su impedancia si se acercan a su trazo.

A 450Mhz, realmente debería tener planos de tierra y alimentación sólidos, continuos y correctamente desacoplados. Esto mejorará el rendimiento del ruido, los problemas de EMI, le brindará un mejor control de la impedancia, etc. Fabricar una placa de 4 capas no es mucho más costoso que una de 2 capas.

Use una capa de 4 como:

>----------------Signal 1
8.3 mil
>----------------Ground
39 mil
>----------------Power
8.3 mil
>----------------Signal 2

El espaciado podría cambiar un poco según su elección de espesor de cobre.

Eso le dará algo así como 10-20 mil para su traza de 50 ohmios en Signal 1/2 dependiendo del grosor final del dieléctrico y del cobre en las capas de Signal.

este diseño va a ser lo suficientemente simple como para que pueda obtener fácilmente un plano de tierra sólido sin rastros que lo corten. Sin embargo, estoy de acuerdo en que tener tanto un plano de alimentación como uno de tierra ayuda mucho. Sin mencionar la menor distancia entre las capas.
La fabricación de PCB que uso dice 9,3 mil entre la capa interna y la capa superior, 1,35 mil de altura para 1 oz de cobre y, por lo que puedo encontrar, la permitividad relativa es de aproximadamente 3,2. Esto hace que mi ancho de trazo requerido sea de 18,55 mil. Eso suena mucho más razonable para un ancho de trazo.
@Kellenjb Suena bien, la regla general es permanecer por debajo de 10 mil entre las capas de señal y el plano de tierra/alimentación. En mi experiencia, es mejor seguir lo que recomienda Fab, todos parecen ensamblarse de manera un poco diferente y no vale la pena luchar contra ellos a menos que tenga una buena razón. Tenga en cuenta que con trazas de 10 a 20 mil, probablemente perderá ~ 2 a 3 ohmios de impedancia de la máscara de soldadura, por lo que es posible que desee disparar a más de 52 a 53 ohmios, o pedirle al fabricante el grosor y la constante dieléctrica de la máscara e incluirlo en el cálculo.

No tiene que preocuparse por la impedancia de trazos de PCB muy cortos como parte de un trazo más largo. Entonces tendrá un rastro más delgado directamente al lado del chip. Pero si el trazo tiene que recorrer alguna distancia, debe ajustar el grosor del trazo a medida que se aleja del chip. Simplemente "abanicará" el ancho del trazo lejos del chip. Así es como siempre lo he visto hacer.

Esto no es diferente a los conectores de cualquier línea de transmisión. La impedancia de un solo elemento corto puede ser un poco menor, pero es leve en comparación con la línea de transmisión general.

A menudo, tener trazas demasiado anchas puede causar problemas con la capacitancia de la traza. Hacer que la traza sea más delgada reducirá la capacitancia. Por supuesto, tener rastros más delgados estropea la impedancia.

Si el apilamiento de PCB se realiza de manera diferente, donde la capa de señal está más cerca del plano de alimentación/tierra, entonces la traza puede ser más delgada sin dejar de tener la impedancia adecuada. En una PCB multicapa, esto solo funciona cuando la señal también está en una capa interna, lo que dificulta tener la impedancia Y la capacitancia adecuadas en una capa externa.

El resultado final es que todo es un compromiso. Por lo general, ejecuto esas señales en capas internas con apilamientos de PCB optimizados, pero luego mantengo los rastros delgados y muy cortos cuando tiene que ir a una capa externa para llegar a un chip.

En una PCB de 2 capas, es muy difícil tener la impedancia adecuada en pistas estrechas, por lo que generalmente no me molesto. Si la impedancia es crítica, usaré al menos una PCB de 4 capas.

Por definición, cuando mira su impedancia, está mirando una medida relativa de capacitancia a inductancia. El hecho de que la traza tenga que ser tan ancha es una señal de que la distancia entre el plano de tierra y la traza es lo suficientemente grande como para que la capacitancia no sea tan grande. ¡Piensa en el espacio que necesitas entre trazas para no tener acoplamiento!
@Kortuk Eso no es estrictamente cierto. Acabo de pasar por los cálculos de un tablero que acabo de hacer. La capa 3 es un avión. Para 50 ohmios, una traza en la capa 1 debe ser de 21,81 milésimas de pulgada y en la capa 2 debe ser de 8,03 milésimas de pulgada. Esa traza L1 tiene 1,697 pF/pulgada, mientras que la traza L2 tiene 1,354 pF/pulgada. Puede que no parezca mucho, pero es un 25 % más de pF para la capa 1, y he visto que esto influye en las señales de muy alta velocidad (>500 MHz).
si está cambiando de interno a la placa a externo a la placa, sus ecuaciones de diseño cambiarán. Si es interno al tablero y tiene dos planos de tierra, incluso hay soluciones de forma cerrada. Al diseñar circuitos de RF, hubo tres preocupaciones principales con la impedancia: si coincide, tendrá que variar (vías y demás) y tendrá demasiadas franjas para que coincida con mis diseños. A menudo, con trazas muy amplias, se encuentra con situaciones no ideales, especialmente con el acoplamiento a trazas cercanas. Puedo decir que incluso con trazos anchos (y quiero decir muy anchos) todavía funcionó.

¿Puede enrutar la traza de referencia adyacente junto con sus señales? Me han dicho que los trillizos enrutados, o incluso los quintetos si no puedes encajar trillizos, etc., a veces pueden funcionar en situaciones como la tuya si no tienes un plano cercano al que hacer referencia. Si tiene un par de diferencias, entonces podría ser más como un cuádruple, con referencias/devoluciones adyacentes afuera a ambos lados del par de diferencias. El mismo mentor sugiere que un tablero de dos capas debe tratarse como dos tableros no relacionados debido al espacio entre las capas, y las referencias/devoluciones enrutadas son el camino a seguir si no se pueden tener más capas.

Me equivoqué con el cuádruple para un par diferencial. Mis notas de las presentaciones relevantes dicen usar un triplete, con una referencia ENTRE las dos señales del par diferencial. Sigo buscando/esperando los cálculos de impedancia de esta manera. Me dijeron que está buscando en qué libro de RF/Microondas están, tiene varios de ellos.

@ user4849, Este es un excelente consejo. ¡Si no puede acercarse al plano de tierra, traiga la referencia de tierra hacia usted! ¿Tiene alguna referencia a ecuaciones de diseño para este tipo de diseño? ¡Esto suena tanto funcional como exactamente lo que necesita el OP!
todavía no Sucedió que comencé a aprender sobre este tipo de cosas hace aproximadamente una semana. Solicité hace un par de días una lista de lecturas e información de ecuaciones como la que solicitaste, pero aún no he recibido una respuesta. Voy a publicar aquí cuando lo haga.
Hubo 4 charlas largas en Freescale FTF sobre este tema exacto, la primera de Dan Beeker es quizás la más directamente relacionada aquí. El PDF de las diapositivas está en el sitio de escala libre, creo que en la categoría Habilitación de tecnología, lo publicaré cuando logre encontrar un enlace o un nombre de archivo para estos también. Rick hartley también habló, y uno de sus libros sugeridos es gratuito en línea thehighspeeddesignbook.com
@Billt, ¡Espero saber de usted!
FTF-ENT-F0964 Diseño efectivo de placa de circuito impreso: técnicas para mejorar el rendimiento [enlace] freescale.com/webapp/sps/site/…
estos enlaces funcionan? No estoy seguro de si están vinculados a mi sesión de inicio de sesión... FTF-ENT-F0167 Diseño de sistemas de alta frecuencia (Parte 1): Trazas como líneas de transmisión, una perspectiva de la física del campo electromagnético [enlace] freescale.com/webapp/…
FTF-ENT-F0172 Diseño de sistemas de alta frecuencia (parte 2): diseño de líneas de transmisión en placas de circuito impreso de alta velocidad: prevención de posibles problemas [enlace] freescale.com/webapp/…
éste tiene "automotor" en el título. Compruébalo independientemente de tu aplicación. Habla de cosas a velocidades algo más lentas que los chicos anteriores. FTF-ENT-F0174 Diseño de sistemas de alta frecuencia (parte 3): soluciones para problemas de EMC en líneas de transmisión de sistemas automotrices [enlace] freescale.com/webapp/…
También encontré esto en la red... Consulte la última página para ver las ecuaciones no planas, uno de los PDF de TFT tiene una ecuación que puede poner todo esto junto. Sin embargo, sigo esperando respuesta a mis solicitudes. Básicamente, estamos buscando ecuaciones similares a la diafonía, supongo. [enlace] cvel.clemson.edu/emc/expert_systems/PCB/summaries/…
OK, después de un largo retraso (lo siento), el libro que me recomendaron con respecto a enrutar su ruta de retorno junto a su rastro de señal es "Transmission Line Design Handbook" de Brian Wadell. Cambie a tiras coplanares en la sección sobre guías de ondas coplanares.

Primero averigüe si es un requisito real. ¿A qué distancia debe mantenerse esto? Si se trata de una señal de velocidad muy alta (observe la tasa de borde en comparación con la longitud de la traza), es posible que deba realizar alguna simulación. La referencia de Howard y Johnson que se encuentra en la respuesta a su pregunta vinculada es un gran recurso sobre este tipo de cosas.

Si el requisito es real, averigüe cuánta tolerancia hay (la fábrica de su tablero probablemente solo pueda llegar a +/- 10% de lo que solicita, así que tenga eso en cuenta).

EDITAR: Mirando su parte que ahora ha publicado, se encuentra en territorio de "requisito real".

¡Los bordes de 80ps son bastante rápidos! La "frecuencia de codo" en la que el armónico comienza a caer rápidamente es superior a 6 GHz. Suponiendo que el retraso de propagación es aproximadamente el 66% de la velocidad de la luz, 80ps son 16 mm. La regla general es que cualquier cosa que supere 1/4-1/6 del tiempo de transición deberá tratarse como una línea de transmisión, lo que significa que cualquier rastro de más de unos pocos mm.

Dudaría en intentar esto en un tablero de 2 capas por cualquier diferencia sin hacer alguna simulación.

Es probable que tenga que usar varias capas para acercar el plano de referencia a la traza, lo que permite que las trazas más delgadas cumplan con la especificación de impedancia. (EDITAR: como se señaló en los comentarios, podría hacerlo en 2 capas, ¡pero entonces tendrá una placa muy delgada!)

Alternativamente, es posible que pueda construir una estructura de guía de onda coplanar en 2 capas que pueda proporcionar la impedancia que está buscando. O tal vez aumente la resistencia de terminación, lo que significa cambiar la impedancia del rastro para que coincida, lo que significa un rastro más delgado. AppCAD puede ayudarlo a jugar con los parámetros para estas opciones.

Suena divertido :)

Creo que esto solo le dice al OP, si realmente está haciendo esta pregunta, no tiene suerte y necesita una PCB diferente. ¿Por qué multicapa, por qué no solo más delgada?
@Kortuk Si el OP necesitaba un rastro de 120 mil para 50 ohmios, probablemente esté usando una PCB de 2 capas con un grosor de aproximadamente 63 mil. Para obtener 50 ohmios con trazas de 18 mil, la separación entre las capas debe ser de alrededor de 10 mil, lo que hace que la PCB de 2 capas tenga un grosor de aproximadamente 15 mil, demasiado delgada para la mayoría de las aplicaciones. Por lo tanto... Ir con al menos un PCB de 4 capas es la forma de hacerlo.
@DavidKessner, ese fue un punto secundario de mi comentario, pensé que podría usar alguna explicación en la respuesta.
@Kortuk Según los números que he visto en el pasado, construir una placa de 4 capas con un grosor estándar como 63 mil es más barato que construir una placa de 2 capas con un grosor no estándar.