如何按照差分阻抗規范進(jìn)行設計

2021-11-25

如何按照差分阻抗規范進(jìn)行設計

差分阻抗的概念本身是一種數學(xué)結構，它不能完全捕捉差分走線(xiàn)中每個(gè)信號的行為。差分阻抗是另一個(gè)重要值的捷徑，奇模阻抗，反之亦然。那么我們需要針對哪些設計以及如何確保信號在接收器處正確解碼？

差分阻抗定義

差分阻抗與差分信號的基本特性有關(guān)。所有差分信號都由接收器組件解釋為差分信號（因此稱(chēng)為“差分”）?？紤]差分信號的一種方式是：它是一種傳播的電磁干擾，涉及兩個(gè)不同的信號，理想情況下沿著(zhù)一對走線(xiàn)一起發(fā)送。當我們說(shuō)“電磁干擾”時(shí)，我們指的是兩條軌跡周?chē)碾妶?chǎng)和磁場(chǎng)分布。畢竟，這就是PCB中導體的全部意義所在：引導和傳輸布局周?chē)碾姶艌?chǎng)。

因此，看看這對信號產(chǎn)生的電磁干擾如何沿兩條跡線(xiàn)傳播是很有趣的。為此，我們需要：

電磁場(chǎng)所經(jīng)歷的傳輸線(xiàn)阻抗

這種干擾的傳播常數

如果您知道這些值之一，那么您就可以計算出另一個(gè)值。設計特定差分阻抗的重點(diǎn)是確保我們注入通道的電磁場(chǎng)被解釋為在通道負載端接收到的相同（或幾乎相同）的電磁場(chǎng)。

這里應該有趣的是如何使用每個(gè)跟蹤生成的字段。我的意思是，我們關(guān)心兩個(gè)信號（它們的場(chǎng)）之間的差異，或者它們的總和，這取決于接收器的功能。因此，就 Telegrapher 方程而言，我們想看看這兩個(gè)信號的差異的傳播，這是一個(gè)數學(xué)要求很高的主題，需要定義跡線(xiàn)之間的互電容和電感。

差分阻抗公式

計算差分阻抗是計算另一個(gè)重要量的練習，即奇模阻抗。當兩條走線(xiàn)作為差分對布線(xiàn)并用差分信號驅動(dòng)時(shí)，單條走線(xiàn)的阻抗將是奇模阻抗值。

 

不幸的是，對于差分阻抗，或更具體地說(shuō)，奇模阻抗，沒(méi)有很多好的分析模型。如果您查看 Brian C. Wadell 的傳輸線(xiàn)設計手冊，您會(huì )發(fā)現確定一對微帶線(xiàn)的阻抗需要使用 70 個(gè)公式（參見(jiàn)第 4.5 節）。這不是印刷錯誤，它確實(shí)需要總計計算一對微帶線(xiàn)的奇?；蚺寄Ｗ杩沟?70 個(gè)公式。如果您想使用共面排列或不對稱(chēng)軌跡，您將需要更少的公式，但您需要計算橢圓積分，這是我從未做過(guò)的事情，并且會(huì )采用像 MATLAB 或 Mathematica 這樣的應用程序。

您可以直接從麥克斯韋方程中獲得互感或互電容，盡管這些結果是許多研究論文的主題，而且結果并不總是那么容易使用。它們往往涉及一組具有多個(gè)參數的丑陋公式。這就是為什么您會(huì )在網(wǎng)上看到如此多的差分阻抗計算器僅使用 IPC-2141A 公式的原因，這些公式是使用較少公式的近似值。

計算寬度和間距

如果您計算出走線(xiàn)達到特征阻抗目標（即50歐姆）所需的寬度，然后將該寬度插入差分阻抗計算器中，您會(huì )發(fā)現您不會(huì )總是得到有用的間距結果; 間距可能太?。?lt;4 密耳）并且可能超出了非常薄的電介質(zhì)的制造能力。相反，對于較厚的電介質(zhì)，間距最終可能會(huì )非常大。實(shí)際上，在2層標準厚度PCB上，在標準核心上，微帶達到50歐姆阻抗所需的走線(xiàn)寬度約為 105歐姆。為了使單個(gè)跡線(xiàn)具有等于特征阻抗的奇模阻抗，您的場(chǎng)解算器會(huì )告訴您需要將跡線(xiàn)分開(kāi)大量。如果您使用場(chǎng)解算器，您會(huì )發(fā)現當間距約為10英寸時(shí)，它可能會(huì )停止收斂！顯然，這也沒(méi)有用。

一般來(lái)說(shuō)，有許多走線(xiàn)間距和寬度組合可以讓您達到差分阻抗規格。您真正設計的是奇模阻抗，而不是差分阻抗，差分阻抗只是定義奇模阻抗的規范。那么，我們不禁要問(wèn)，在沒(méi)有公式的情況下，我們如何確定奇模阻抗以及客觀(guān)上的走線(xiàn)寬度和間距組合？

比較差分微帶線(xiàn)的寬度和間距

要了解走線(xiàn)寬度和間距的哪種組合會(huì )提供所需的差分阻抗，讓我們看一些仿真結果。在下面的示例中，我將運行以下過(guò)程 

計算差分微帶線(xiàn)對中特定走線(xiàn)寬度所需的走線(xiàn)間距，目標是達到 100 歐姆的目標差分阻抗。

掃描多個(gè)電介質(zhì)厚度值（到微帶參考平面的距離）。

對于每個(gè)電介質(zhì)厚度值，請注意 50 歐姆特性阻抗所需的走線(xiàn)寬度。

我將在 Altium Designer 中使用層堆棧管理器執行這些操作，以便用戶(hù)可以復制它們。在下圖中，我展示了不同走線(xiàn)寬度和電介質(zhì)厚度的差分微帶線(xiàn)所需的一組間距值（下面標記為 H，針對 100 歐姆差分阻抗目標和 Dk = 4.8 繪制，不考慮色散或粗糙度）。這里的想法是確定給定寬度所需的間距，目標是達到特定的差分阻抗值。

 

圖 1. 間距和寬度值對將在不同厚度的 Dk = 4.8基板上提供100歐姆的差分阻抗。

請注意，為清楚起見(jiàn)，y 軸采用對數刻度。我們可以為其他Dk值和差分阻抗值生成一組新曲線(xiàn)。這些曲線(xiàn)應該說(shuō)明電介質(zhì)厚度的作用；隨著(zhù)微帶線(xiàn)與其接地平面的距離增加，達到 100歐姆阻抗所需的寬度與間距比對接地距離的依賴(lài)程度降低（參見(jiàn)60密耳和45密耳阻抗曲線(xiàn)）。

上面顯示的寬度值與50歐姆特性阻抗所需的值相比如何？下圖顯示了這些值。這是一個(gè)很好的線(xiàn)性模型，它說(shuō)明了在較寬的走線(xiàn)寬度處發(fā)生的飽和；當軌跡很寬時(shí)，寬厚比變得恒定。

 

圖 2. Dk = 4.8襯底上特性阻抗為50歐姆時(shí)的電介質(zhì)厚度與走線(xiàn)寬度的關(guān)系。

現在根據上面顯示的特征阻抗和走線(xiàn)寬度/間距對的值，我們可以確定導致50歐姆奇模阻抗的走線(xiàn)寬度也產(chǎn)生50歐姆特征阻抗的間距。

 

圖 3. 不同厚度的 Dk = 4.8基板上100歐姆差分阻抗的間距和寬度比對。

這個(gè)圖可能看起來(lái)很復雜，但它有一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋。每條曲線(xiàn)在 y 軸上與 1 相交的間距值將導致差分對中的走線(xiàn)寬度等于走線(xiàn)不是差分對的一部分時(shí)的走線(xiàn)寬度，同時(shí)仍提供相同的阻抗。換句話(huà)說(shuō)，隔離的走線(xiàn)和成對的走線(xiàn)在每個(gè)電介質(zhì)厚度的特定間距值下將具有相同的寬度和50歐姆阻抗。

不幸的是，奇模阻抗和特性阻抗永遠不相等。這只會(huì )發(fā)生在大間距限制中，或者當成對被無(wú)限遠的距離分開(kāi)時(shí)！y = 1的值是此圖上的漸近線(xiàn)。如果電介質(zhì)很?。?lt;15密耳），那么對于差分對中給定的走線(xiàn)間距，您將更接近于使走線(xiàn)寬度重合。

舉個(gè)例子，如果我們采用圖3中5密耳的電介質(zhì)，我們計算奇模阻抗的走線(xiàn)寬度，我們將得到6.184密耳。如果我然后使用它來(lái)計算特征阻抗，我會(huì )得到55歐姆的值，或者只有 10% 的偏差。這是在某些信號標準中您可以接受的阻抗偏差的高端。例如，USB SuperSpeed 更寬容，允許差分阻抗（因此奇模阻抗）有很大的變化。

使用間距和走線(xiàn)寬度為您帶來(lái)優(yōu)勢

您可能想知道，具有同時(shí)適用于特征阻抗和奇模阻抗的單一走線(xiàn)寬度真的那么重要嗎？這有三個(gè)很好的理由：

它將設計差分通道的問(wèn)題從涉及2個(gè)變量的問(wèn)題轉換為涉及1個(gè)變量：間距。

當您僅設計適用于差分和單端阻抗的單一跡線(xiàn)寬度時(shí)，制造商更容易確保受控阻抗。根據您設計中的容差，您可以使用一種寬度來(lái)滿(mǎn)足單端和差分規格的容差。

您可以在路由差分通道時(shí)解耦走線(xiàn)，甚至非?？拷邮掌?，而且您不必擔心反射，因為從接收器看，走線(xiàn)的每一端都將匹配每個(gè)端口的輸入阻抗.

請注意，這在較薄的電介質(zhì)上更容易，在厚電介質(zhì)上，特征跡線(xiàn)寬度和奇模跡線(xiàn)寬度之間的對應關(guān)系不會(huì )幾乎相同。如果您想在使用較厚的電介質(zhì)時(shí)有更多的回旋余地，您還可以選擇另一種樣式，例如共面差分對。