Pencocokan Impedansi dan Lebar Jejak Besar

11

Saat ini saya sedang mengerjakan desain di mana salah satu IC saya menentukan penggunaan jejak 50 ohm. Jawaban untuk pertanyaan ini, Karakteristik impedansi jejak , menunjukkan bahwa jejak 120 mil diperlukan untuk mendapatkan impedansi ini.

IC hanya memiliki ruang untuk jejak 18,8 mil, dan itu dengan asumsi tidak ada ruang antara jejak. Jadi, bagaimana saya bisa benar-benar merancang dengan jejak impedansi yang diingat? Jelas saya dapat mengurangi ketebalan papan atau menambah tinggi tembaga, tetapi hanya sampai batas tertentu dan saya ingin ini dibuat untuk agak murah. Bagaimana ini biasanya ditangani?

IC yang saya gunakan adalah MAX9382 yang dapat beroperasi hingga 450 MHz, saya mungkin akan menggunakannya sekitar 400-450 MHz. Data yang digunakan pada awalnya adalah analog, tetapi harus sulit dibatasi untuk menjadi digital agar dapat digunakan dengan IC itu.

rf pcb-design impedance Kellenjb
sumber
Pasang tumpukan PCB dan izin dielektrik.
Tandai
@ Tandai tumpukan dan izin dielektrik masih untuk diskusi tentang apa yang harus digunakan (seperti dalam saya terbuka untuk saran). Tetapi untuk FR-4 pada 500 MHz maka dielektrik permitivitas adalah 4,35 dan 63 mil papan dengan 2 ons tembaga yang menghasilkan 1,8 mil tinggi
Kellenjb

Jawaban:

6

Gunakan tumpukan 4 lapisan.

Menghitung lebar jejak yang diperlukan tidak ada gunanya kecuali ada bidang tanah yang kokoh di bawahnya, dengan desain 2 lapisan Anda mungkin perlu untuk merutekan jejak di sisi lain yang kemudian cukup merusak reruntuhan impedansi Anda jika mereka mendekati jejak Anda.

Pada 450Mhz, Anda benar-benar harus memiliki pesawat ground dan ground yang solid, kontinu, dan dipisahkan dengan baik. Ini akan meningkatkan kinerja noise, masalah EMI, memberi Anda kontrol impedansi yang lebih baik, dll. Fabbing a 4 layer board tidak jauh lebih mahal daripada 2 layer.

Gunakan 4 layer seperti:

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

Jarak dapat berubah sedikit berdasarkan pilihan ketebalan tembaga Anda.

Itu akan memberi Anda sesuatu seperti 10-20mil untuk jejak 50ohm Anda pada Sinyal 1/2 tergantung pada dielektrik akhir dan ketebalan tembaga pada lapisan Sinyal.

Menandai
sumber
1
desain ini akan cukup sederhana sehingga saya dapat dengan mudah mendapatkan bidang tanah yang kokoh tanpa jejak mengirisnya. Saya setuju bahwa memiliki kedua kekuatan dan tanah pesawat banyak membantu. Belum lagi jarak antar lapisan yang lebih pendek.
Kellenjb
1
Pembuatan PCB yang saya gunakan mengatakan 9,3 mil antara lapisan dalam dan lapisan atas, tinggi 1,35 mil untuk 1 ons tembaga, dan dari apa yang saya dapat temukan permitivitas relatif adalah sekitar 3,2. Ini membuat lebar jejak saya menjadi 18,55 juta. Kedengarannya jauh lebih masuk akal untuk jejak lebar.
Kellenjb
1
@Kellenjb Kedengarannya benar, aturan umum adalah untuk tetap di bawah 10mil antara lapisan sinyal dan ground / power plane. Dalam pengalaman saya yang terbaik untuk pergi dengan apa yang direkomendasikan fab, mereka semua tampaknya berkumpul sedikit berbeda dan tidak layak melawan mereka kecuali Anda memiliki alasan yang bagus. Perlu diingat bahwa dengan jejak 10-20mil Anda mungkin akan kehilangan ~ 2-3 ohm impedansi dari soldermask sehingga Anda mungkin ingin memotret lebih seperti 52-53 ohm, atau meminta fab untuk ketebalan dan konstanta dielektrik dari mask dan sertakan dalam perhitungan.
Tandai
8

Anda tidak perlu khawatir tentang impedansi jejak PCB yang sangat pendek sebagai bagian dari jejak yang lebih panjang. Jadi Anda akan memiliki jejak yang lebih tipis langsung di sebelah chip. Tetapi jika jejak harus menempuh jarak tertentu, maka Anda perlu menyesuaikan ketebalan jejak saat menjauh dari chip. Anda hanya akan "melonggarkan" jejak jauh dari chip. Begitulah cara saya selalu melihatnya dilakukan.

Ini tidak berbeda dengan konektor saluran transmisi mana pun. Impedansi elemen pendek tunggal mungkin sedikit kurang, tetapi sedikit jika dibandingkan dengan saluran transmisi keseluruhan.

Joe
sumber
5

Seringkali memiliki jejak yang terlalu lebar dapat menyebabkan masalah dengan kapasitansi jejak. Membuat jejak lebih tipis akan mengurangi kapasitansi. Tentu saja memiliki jejak yang lebih tipis mengacaukan impedansi.

Jika penumpukan PCB dilakukan secara berbeda, di mana lapisan sinyal lebih dekat ke bidang daya / gnd, maka jejak dapat lebih tipis sementara masih memiliki impedansi yang tepat. Pada multilayer PCB ini hanya berfungsi ketika sinyalnya juga berada di lapisan dalam - membuatnya sulit untuk memiliki impedansi DAN kapasitansi yang tepat pada lapisan luar.

Hasil akhirnya adalah kompromi. Saya biasanya menjalankan sinyal-sinyal pada lapisan dalam dengan dioptimalkan PCB stackup's - tapi kemudian menjaga jejak kurus dan sangat pendek ketika harus pergi ke lapisan luar untuk sampai ke sebuah chip.

Pada PCB 2 lapis sangat sulit untuk memiliki impedansi yang tepat pada jejak sempit - jadi saya biasanya tidak repot. Jika impedansi sangat penting saya akan pergi ke setidaknya 4 lapisan PCB.


sumber
Menurut definisi ketika Anda melihat impedansi Anda, Anda melihat ukuran relatif dari kapasitansi ke induktansi. Fakta bahwa jejak harus selebar itu adalah tanda bahwa jarak antara bidang tanah dan jejak cukup besar sehingga kapasitansi tidak terlalu besar. Pikirkan ruang yang Anda butuhkan di antara jejak untuk tidak memiliki kopling!
Kortuk
@Kortuk Itu tidak sepenuhnya benar. Saya baru saja menghitung perhitungan untuk papan yang baru saja saya lakukan. Layer 3 adalah pesawat. Untuk 50 ohm, jejak pada layer 1 harus 21,81 mil dan pada layer 2 harus 8,03 mil. Jejak L1 memiliki 1,697pF / inci, sedangkan jejak L2 memiliki 1,354pF / inci. Itu mungkin kedengarannya tidak banyak, tetapi 25% lebih banyak pF untuk lapisan 1-- dan saya telah melihat ini memiliki pengaruh pada sinyal kecepatan sangat tinggi (> 500 MHz).
1
jika Anda mengubah dari internal ke papan ke eksternal ke papan Anda akan memiliki persamaan desain Anda berubah. Jika internal ke papan dan memiliki dua bidang tanah bahkan ada solusi bentuk tertutup. Ketika merancang sirkuit RF ada tiga masalah utama dengan impedansi, apakah itu cocok, apakah itu harus bervariasi (vias dan semacamnya), dan akankah terlalu banyak fringing untuk mencocokkan desain saya. Seringkali dengan jejak yang sangat luas Anda mengalami situasi yang tidak ideal, terutama dengan menyambung ke jejak di dekatnya. Saya dapat mengatakan bahwa bahkan dengan jejak luas (dan maksud saya sangat luas) itu masih berhasil.
Kortuk
3

Bisakah Anda merutekan pelacakan referensi yang berdekatan bersama dengan sinyal Anda? Saya telah diberi tahu bahwa kembar tiga yang dialihkan, atau bahkan quint jika Anda tidak bisa mendapatkan kembar tiga, dll. Kadang-kadang dapat bekerja dalam situasi seperti milik Anda jika Anda tidak memiliki pesawat dekat yang bisa dijadikan rujukan. Jika Anda memiliki pasangan diff maka mungkin lebih seperti quad, dengan referensi yang berdekatan / kembali di luar di kedua sisi pasangan diff. Mentor yang sama menunjukkan bahwa papan dua lapisan harus diperlakukan sebagai dua papan yang tidak terkait karena ruang antara lapisan, dan referensi / pengembalian dialihkan adalah cara untuk pergi jika lebih banyak lapisan tidak bisa didapat.

Saya salah tentang quad untuk pasangan diff. Catatan saya dari presentasi yang relevan mengatakan menggunakan triplet, dengan referensi ANTARA dua sinyal dari pasangan diff. Masih mencari / menunggu perhitungan impedansi dengan cara ini. Saya diberitahu bahwa dia mencari untuk mencari buku RF / Microwave mana mereka, dia memiliki beberapa dari mereka.

billt
sumber
@ user4849, Ini saran yang bagus. Jika Anda tidak dapat mendekati pesawat tanah, bawa referensi tanah kepada Anda! Apakah Anda punya referensi untuk persamaan desain untuk jenis tata letak ini? Ini terdengar fungsional dan persis apa yang dibutuhkan OP! \
Kortuk
1
Saya belum. Saya baru saja mulai belajar tentang hal semacam ini sekitar seminggu yang lalu. Saya telah meminta beberapa hari yang lalu daftar bacaan dan informasi persamaan seperti yang Anda tanyakan, tetapi belum melihat balasan. Saya akan memposting di sini ketika saya melakukannya.
tagihan
2
Ada 4 pembicaraan panjang di Freescale FTF tentang topik yang tepat ini, yang pertama oleh Dan Beeker mungkin yang paling terkait langsung di sini. PDF slide ada di situs freescale, saya pikir sebagai kategori Enabling Tech, saya akan memposting ketika saya berhasil menemukan tautan atau nama file untuk ini juga. Rick hartley juga berbicara, dan salah satu buku yang disarankannya adalah thehighspeeddesignbook.com
billt
@ Bill, saya berharap dapat mendengar kembali dari Anda!
Kortuk
1
yang ini memiliki "otomotif" dalam judulnya. Lihatlah terlepas dari aplikasi Anda. Bicara tentang hal-hal kecepatan agak lebih lambat dari yang sebelumnya. FTF-ENT-F0174 Desain Sistem Frekuensi Tinggi (Bagian 3): Solusi untuk Masalah EMC di Jalur Transmisi Sistem Otomotif [tautan] freescale.com/webapp/…
billt
0

Cari tahu dulu apakah itu persyaratan nyata. Ke mana jarak ini harus dijaga? Jika ini adalah sinyal kecepatan tinggi yang serius (lihat tingkat-tepi dibandingkan dengan panjang jejak) Anda mungkin perlu melakukan beberapa simulasi. Referensi Howard dan Johnson yang ada dalam jawaban untuk pertanyaan Anda yang terhubung adalah sumber yang bagus untuk hal semacam ini.

Jika persyaratan adalah nyata, kemudian mencari tahu banyak toleransi ada (papan fab mungkin hanya bisa untuk +/- 10% dari apa yang Anda minta, sehingga memperhitungkannya).

EDIT: Melihat bagian Anda yang sekarang Anda posting, Anda berada di wilayah "persyaratan nyata".

Tepi 80ps cukup cepat! "Frekuensi lutut" di mana harmonik mulai turun dengan cepat adalah di atas 6GHz. Dengan asumsi keterlambatan propagasi adalah sekitar 66% dari kecepatan cahaya, 80ps adalah 16mm. Aturan praktisnya adalah bahwa sesuatu yang lebih dari 1 / 4-1 / 6 dari waktu transisi akan perlu diperlakukan seperti saluran transmisi, yang berarti jejak lebih dari beberapa mm!

Saya ragu untuk mencoba ini pada papan 2-layer atas perbedaan apa pun tanpa melakukan simulasi.

Anda mungkin harus menggunakan multilayer untuk mendapatkan bidang referensi lebih dekat dengan jejak yang memungkinkan jejak yang lebih tipis untuk memenuhi spesifikasi impedansi. (EDIT: Seperti yang ditunjukkan dalam komentar, Anda bisa melakukannya dalam 2 lapisan, tetapi Anda akan memiliki papan yang sangat tipis!)

Atau, Anda mungkin dapat membangun struktur pandu gelombang coplanar pada 2 lapisan yang dapat memberikan impedansi yang Anda cari. Atau mungkin meningkatkan tahanan terminasi, yang berarti mengubah impedansi jejak agar sesuai, yang berarti jejak yang lebih tipis. AppCAD dapat membantu Anda bermain dengan parameter untuk opsi ini.

Terdengar menyenangkan :)

Martin Thompson
sumber
Saya pikir ini hanya memberitahu OP, jika Anda benar-benar mengajukan pertanyaan ini, Anda kurang beruntung dan membutuhkan PCB yang berbeda. Kenapa multilayer, kenapa tidak lebih tipis saja?
Kortuk
@Kortuk Jika OP membutuhkan jejak 120mil untuk 50 ohm, dia mungkin menggunakan PCB 2 lapis yang tebalnya sekitar 63 mil. Untuk mendapatkan 50 ohm dengan jejak 18 mil, pemisahan antara lapisan harus dalam lingkungan 10 mil, membuat 2 layer PCB sekitar 15 mil tebal - terlalu tipis untuk sebagian besar aplikasi. Jadi ... Pergi dengan setidaknya 4 lapisan PCB adalah cara untuk melakukannya.
@ Davidvidess, Itu adalah poin kedua dari komentar saya, saya pikir itu bisa menggunakan beberapa penjelasan dalam jawabannya.
Kortuk
@ Kortuk Dari angka yang pernah saya lihat di masa lalu, membangun papan 4 lapisan yang merupakan ketebalan standar seperti 63mil lebih murah daripada membangun papan 2 lapisan pada ketebalan yang tidak standar.
Tandai