Как проектировать в соответствии со спецификацией дифференциального импеданса

Концепция дифференциального импеданса сама по себе являетсяматематической структурой , которая не полностью отражает поведение каждого сигнала в дифференциальной маршрутизации. Дифференциальный импеданс — это быстрый способ получить другое важное значение, импеданс нечетной моды, и наоборот. Так что же нам нужно проектировать и как убедиться, что сигнал правильно декодируется в приемнике?

Определение дифференциального импеданса

Дифференциальный импеданс связан с фундаментальными характеристиками дифференциального сигнала. Все дифференциальные сигналы интерпретируются узлом приемника как дифференциальные сигналы (отсюда и название «дифференциальный»). Один из способов представить дифференциальный сигнал: это распространяющаяся электромагнитная помеха, включающая два разных сигнала, которые в идеале отправляются вместе по паре маршрутов. Когда мы говорим «электромагнитные помехи», мы имеем в виду распределение электрического и магнитного полей вокруг двух дорожек. В конце концов, в этом весь смысл проводников на печатной плате: направлять и передавать электромагнитные поля по макету.

Так что будет интересно посмотреть, как эта электромагнитная помеха сигналу распространяется по двум дорожкам. Для этого нам нужно знать:

Полное сопротивление линии передачи, испытываемое электромагнитными объектами.

Постоянная распространения этой помехи.

Если вы знаете одно из этих значений, вы можете вычислить другое значение. Смысл разработки определенного дифференциального импеданса состоит в том, чтобы гарантировать, что электромагнитное поле, которое мы вводим в канал, интерпретируется как такое же (или почти такое же) электромагнитное поле, принимаемое на стороне нагрузки канала.

Здесь должно быть интересно то, как используется каждое поле, сгенерированное трассировкой. Я имею в виду, что нас интересует разница между двумя сигналами (их полями) или их сумма, в зависимости от функции приемника. Итак, что касается уравнения телеграфа, мы хотим рассмотреть распространение различий между этими двумя сигналами, математически сложный вопрос, который требует определения взаимной емкости и индуктивности между дорожками.

Формула дифференциального импеданса

Вычисление дифференциального импеданса — это упражнение по вычислению другой важной величины — импеданса нечетной моды. Когда два провода проложены как дифференциальные пары и управляются дифференциальными сигналами, импеданс одного провода будет значением импеданса нечетной моды.

К сожалению, существует не так много хороших аналитических моделей дифференциального импеданса или, точнее, импеданса нечетной моды. Если вы посмотрите руководство Брайана К. Уоделла по проектированию линии передачи, вы обнаружите, что для определения импеданса пары микрополосковых линий используется 70 формул. Это не опечатка, для расчета нечетного или четного импеданса пары микрополосковых линий требуется всего 70 формул. Если вы хотите использовать копланарные перестановки или асимметричные траектории, вам понадобится меньше формул, но вам нужно будет вычислять эллиптические интегралы и использовать такие приложения, как MATLAB или Mathematica.

Вы можете получить взаимную индуктивность или взаимную емкость непосредственно из уравнений Максвелла, хотя эти результаты являются предметом многих исследовательских работ, и их не всегда легко использовать. Они часто включают в себя набор уродливых формул с несколькими параметрами. Вот почему вы видите так много онлайн-калькуляторов дифференциального импеданса, которые используют только формулы IPC-2141A, которые являются аппроксимациями менее используемых формул.

Рассчитать ширину и расстояние

Если вы рассчитаете ширину, необходимую для линии выхода, чтобы достичь целевого характеристического импеданса (то есть 50 ohm), а затем подставите эту ширину в калькулятор дифференциального импеданса, вы обнаружите, что не всегда получите полезные результаты расстояния; Расстояние может быть слишком маленьким (< 4 mils) и, вероятно, выходит за пределы возможностей очень тонких диэлектриков. И наоборот, для более толстых диэлектриков расстояние может оказаться очень большим. Фактически, на двухслойной печатной плате стандартной толщинынеобходимая ширина провода микрополоски для достижения импеданса 50 ohm на стандартной сердцевине составляет около 105 ohm. Чтобы одиночная трасса имела импеданс нечетной моды, равный характеристическому импедансу, ваш полевой решатель сообщит вам, что вам нужно разделить трассу на большую величину. Если вы используете решатель поля, вы обнаружите, что он может перестать сходиться, когда расстояние составляет около 10 дюймов! Видимо, это тоже не помогает.

В общем, существует множество комбинаций межстрочного интервала и ширины, которые позволят вам получить характеристики дифференциального импеданса. На самом деле вы разрабатываете импеданс нечетного режима, а не дифференциальный импеданс, который является просто спецификацией, определяющей импеданс нечетного режима.