Coincidencia de impedancia y anchos de traza grandes

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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 impedancia de traza? Obviamente, puedo disminuir el grosor de la placa o aumentar la altura del cobre, pero solo hasta cierto punto y me gustaría que esto se fabrique por algo barato. ¿Cómo se trata esto generalmente?

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 están utilizando son inicialmente analógicos, pero deben limitarse mucho para convertirse en digitales para poder usarlos con ese IC.

rf pcb-design impedance

— Kellenjb
fuente

Publique la pila de PCB y la permitividad dieléctrica.

— Mark

@ Marque el apilamiento y la permitividad dieléctrica aún están en discusión sobre qué usar (ya que 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 que da como resultado una altura de 1.8 mil

— Kellenjb

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Use una pila de 4 capas.

Calcular el ancho de traza necesario no tiene sentido a menos que haya un plano de tierra sólido debajo de él, con un diseño de 2 capas puede que necesite enrutar trazas en el otro lado que luego arruina su impedancia si se acercan a su traza.

A 450Mhz realmente debería tener poder sólido, continuo, desacoplado adecuadamente y planos de tierra. Esto mejorará el rendimiento de ruido, los problemas de EMI, le dará un mejor control de impedancia, etc. Fabbing una placa de 4 capas no es mucho más caro 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 espacio puede cambiar un poco en función de su elección de espesor de cobre.

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

— marca
fuente

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Este diseño será 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 potencia como de tierra ayuda mucho. Sin mencionar la distancia más corta entre las capas.

— Kellenjb

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La fabricación de PCB que utilizo 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 rastreo requerido sea 18.55 mil. Eso suena mucho más razonable para un ancho de traza.

— Kellenjb

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@Kellenjb Suena correcto, la regla general es mantenerse por debajo de 10mil entre las capas de señal y el plano de tierra / potencia. En mi experiencia, es mejor ir con lo que recomienda el fabuloso, todos parecen ensamblarse de manera un poco diferente y no vale la pena luchar contra ellos a menos que tengas una buena razón. Tenga en cuenta que con trazas de 10-20mil probablemente perderá ~ 2-3 ohmios de impedancia de la máscara de soldadura, por lo que es posible que desee disparar por más de 52-53 ohmios, o pregunte a la fábrica por el espesor y la constante dieléctrica de la máscara. enmascarar e incluirlo en el cálculo.

— Mark

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No tiene que preocuparse por la impedancia de trazas de PCB muy cortas como parte de una traza más larga. Entonces tendrá una traza más delgada directamente al lado del chip. Pero si la traza tiene que ir a cualquier distancia, entonces debe ajustar el grosor de la traza a medida que se aleja del chip. Simplemente "desplegará" el ancho del rastro lejos del chip. Así es como siempre lo he visto hecho.

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.

— Joe
fuente

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A menudo, tener trazas demasiado anchas puede causar problemas con la capacitancia de la traza. Hacer la traza más delgada reducirá la capacitancia. Por supuesto, tener rastros más delgados arruina 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 y tener la impedancia adecuada. En una PCB multicapa, esto solo funciona cuando la señal también se encuentra en una capa interna, lo que dificulta tener la impedancia Y la capacidad adecuadas en una capa externa.

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

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

Por definición, cuando observa su impedancia, observa una medida relativa de capacitancia a inductancia. El hecho de que la traza tenga que ser tan amplia 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. ¡Piense en el espacio que necesita entre trazas para no tener acoplamiento!

— Kortuk

@ Kortuk Eso no es estrictamente cierto. Acabo de hacer los cálculos para una tabla que acabo de hacer. La capa 3 es un avión. Para 50 ohmios, una traza en la capa 1 debe ser de 21.81 mils y en la capa 2 debe ser de 8.03 mils. Esa traza L1 tiene 1.697pF / pulgada, mientras que la traza L2 tiene 1.354pF / pulgada. Puede que no parezca mucho, pero es un 25% más pF para la capa 1, y he visto que esto influye en las señales de muy alta velocidad (> 500 MHz).

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Si va a cambiar de interno a la placa a externo a la placa, tendrá que cambiar sus ecuaciones de diseño. 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 demasiados bordes para que coincida con mis diseños. A menudo, con trazas muy amplias, se encuentra con situaciones no ideales, especialmente al acoplar trazas cercanas. Puedo decir que incluso con trazas anchas (y quiero decir muy anchas) todavía funcionó.

— Kortuk

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¿Puedes enrutar el rastro de referencia adyacente junto con tus señales? Me han dicho que los trillizos enrutados, o incluso los quejidos si no puedes colocar 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 quad, con referencias / retornos adyacentes afuera en 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 sobre el quad para un par de diferencias. Mis notas de las presentaciones relevantes dicen que use un triplete, con una referencia ENTRE las dos señales del par de diferencias. Todavía estoy buscando / esperando cálculos de impedancia de esta manera. Me han dicho que está buscando encontrar en qué libro de RF / microondas están, tiene varios.

— billt
fuente

@ user4849, este es un excelente consejo. Si no puede acercarse al plano de tierra, ¡traiga la referencia de tierra a usted! ¿Tiene alguna referencia a las ecuaciones de diseño para este tipo de diseño? ¡Esto suena a la vez funcional y exactamente lo que necesita el OP! \

— Kortuk

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Aún no. Acabo de empezar a aprender sobre este tipo de cosas hace una semana. Hace un par de días solicité una lista de lecturas e información de ecuaciones como las que usted pregunta, pero aún no he visto una respuesta. Publicaré aquí cuando lo haga.

— billt

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Hubo 4 largas conversaciones en Freescale FTF sobre este tema exacto, la primera de Dan Beeker es quizás la más directamente relacionada aquí. El PDF de diapositivas está en el sitio de escala libre, creo que como categoría de tecnología habilitadora, 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 gratis en línea thehighspeeddesignbook.com

— billt

@Billt, ¡espero tener noticias tuyas!

— Kortuk

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éste tiene "automotriz" en el título. Compruébalo independientemente de tu aplicación. Habla de cosas algo más lentas que los chicos anteriores. Diseño FTF-ENT-F0174 de alta frecuencia del sistema (parte 3): soluciones para los problemas de EMC en Automotrices del sistema Líneas de Transmisión [link] freescale.com/webapp/...

— billt

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Primero averigua si es un requisito real. ¿A qué distancia debe mantenerse esto? Si es un serio señal de alta velocidad (vistazo a la tasa de borde en comparación con la longitud de la traza) puede que tenga que 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, descubra que hay mucha tolerancia (su fab de tablero probablemente solo puede llegar a +/- 10% de lo que solicita, así que tenga eso en cuenta).

EDITAR: Mirando tu parte que has publicado, tú está en el territorio "requisito real".

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

Dudaría en intentar esto en una placa de 2 capas sobre cualquier diferencia sin hacer alguna simulación.

Es probable que tengas que usar varias capas para acercar el plano de referencia al trazado, lo que permite que los trazos más delgados cumplan con la especificación de impedancia. (EDITAR: como se señaló en los comentarios, puede hacerlo en 2 capas, pero tendrá un pizarra realmente delgada!)

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

Suena divertido :)

— Martin Thompson
fuente

Creo que esto es solo decirle al OP, si realmente está haciendo esta pregunta, no tiene suerte y necesita una PCB diferente. ¿Por qué multicapa, por qué no solo más delgado?

— Kortuk

@Kortuk Si el OP necesitaba una traza de 120mil para 50 ohmios, probablemente esté usando un PCB de 2 capas que tiene un grosor de aproximadamente 63 mils. Para obtener 50 ohmios con trazas de 18 mil, la separación entre capas debe estar en el vecindario de 10 mils, lo que hace que el PCB de 2 capas tenga aproximadamente 15 mils de grosor, demasiado delgado 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

@Kortuk De los números que he visto en el pasado, construir una placa de 4 capas con un grosor estándar como 63mil es más barato que construir una placa de 2 capas con un grosor no estándar.

— Mark