Pares acoplados lateralmente: la mitad del ancho, un gran riesgo

Dos formas de construir un par

El modo predeterminado es acoplado por bordes: dos trazas una al lado de la otra en la misma capa. En su lugar, las apila lateralmente, una directamente encima de la otra en las capas adyacentes.

La recompensa es el ancho. Un par de lados anchos ocupa aproximadamente la mitad del canal de enrutamiento de un par acoplado por bordes con un acoplamiento similar. En un tablero denso y rígido, eso son bienes inmuebles que puedes gastar en otro lugar. En la flexión, ésta suele ser la única opción sensata, ya que tanto el radio como la anchura de la curvatura son importantes y los dos conductores se doblan juntos en lugar de que uno tome el camino más largo alrededor de la parte exterior de una curva.

Las matemáticas son mejores de lo que imaginas

Un par simétrico impulsado diferencialmente tiene una propiedad útil: el plano exactamente a medio camino entre las dos trazas se encuentra a cero voltios. No aproximadamente, por simetría.

Esa conexión virtual a tierra es una pared eléctrica y convierte un problema complicado de cuatro conductores en dos problemas independientes de una sola línea. Cada traza se convierte en una línea de banda desplazada: el suelo virtual está a la mitad de la separación en un lado y el plano real en el otro. Luego:

Lo bueno es que esto no es una aproximación. Al trabajar algebraicamente la función de Green en dos franjas, el núcleo en modo impar resulta ser idéntico al de una sola tira en una cavidad de media altura. Por lo tanto, si su modelo de línea de franjas de una sola línea es bueno, su impedancia diferencial es buena, de forma gratuita.

El modo par es la parte más difícil (pared magnética en lugar de eléctrica, sin identidad equivalente), pero el modo par solo es importante para la impedancia en modo común, que es una preocupación secundaria en la mayoría de los diseños.

Flexión sin blindaje: el modo común no tiene adónde ir

En una flexión de dos capas sin planos de tierra, el suelo virtual es la única referencia de la estructura. En un dieléctrico homogéneo, cada trazo se convierte en una franja a la mitad de la separación respecto al plano del suelo, y las microbandas de Hammerstad se aplican directamente con εr en lugar de εeff, porque no existe un límite entre el aire y el sustrato sobre el que promediar.

La impedancia diferencial está bien definida y es fácil de alcanzar.

El modo común no lo es. No es pequeño, es indefinido. El modo común significa que ambos conductores giran al mismo tiempo, por lo que se necesita una ruta de retorno en alguna otra parte del sistema, y no hay ninguna. Cualquier corriente en modo común que capte el cable no tiene adónde ir excepto hacia el espacio libre.

Esta es la razón por la que la flexión lateral sin blindaje irradia radiación, y por eso colocas los estranguladores de modo común en ambos extremos. No como cinturón y tirantes, sino como la verdadera mitigación de un modo en el que la geometría no puede terminar.

El grosor del cobre importa aquí más que en cualquier otro lugar

Vale la pena llamarlo porque es fácil de omitir.

En un par flexible típico con 0,2 mm entre las capas, el suelo virtual se encuentra solo 0,1 mm por debajo de cada trazo. Una onza de cobre equivale a 35 µm, un tercio de esa altura.

Ignore el grosor y sobreestimará la impedancia diferencial en más de un 10%. En la práctica, eso significa diseñar un trazo de 0,18 mm cuando es correcto 0,15 mm, o creer que estás en 100 Ω cuando estás en 89 Ω. Ninguno de los dos es lo suficientemente sutil como para ocultarlo.

Cualquier calculadora que te permita introducir el peso del cobre pero arroje la misma respuesta a pesar de todo, no la está utilizando. Vale la pena comprobarlo en diez segundos.

El verdadero riesgo: el registro

Esto es lo que realmente falla en la producción, y no es la impedancia.

Todo el análisis anterior asume que las dos trazas se encuentran directamente una encima de la otra. Todos los fabricantes mantienen el ancho de grabado con firmeza, porque eso es lo que miden los cupones de impedancia. El registro capa a capa es mucho más flexible: se trata de un problema de alineación mecánica en una prensa de laminación, no de un problema de fotolitografía.

Un desplazamiento lateral rompe la simetría de la que depende el análisis. Y la ruptura de la simetría en un par diferencial significa la conversión del diferencial al modo común. Estás, mecánicamente, construyendo un conversor de modos.

El modo común es el modo que irradia y el modo que un receptor diferencial no puede rechazar. Por lo tanto, un problema de registro se presenta como una falla de EMC y un problema de fluctuación, no como una falla en el cupón de impedancia. El cupón se aprueba. La junta no lo hace.

¿Qué hacer al respecto

• Pregunte por las especificaciones de registro antes de elegir los anchos de trazo. No la tolerancia de grabado, sino el número de capa a capa.
• Ajusta el tamaño de las trazas de forma que el desplazamiento en el peor de los casos sea una pequeña fracción del ancho. Un desplazamiento de 25 µm en una traza de 0,15 mm implica un error de superposición del 17%. En una traza de 0,3 mm, es del 8%. Los trazos más anchos desensibilizan el diseño y, cuando se flexiona, a menudo tienes espacio.
• Mantén las transiciones simétricas. Cuando la pareja se separe de la geometría apilada, mantén las dos vías juntas y reflejadas. Una transición asimétrica es otro conversor de modos, y es uno que puedes controlar por completo.

Comprobaciones rápidas de modelos

Si estás validando una herramienta o tus propias matemáticas:

• La impedancia diferencial debe ser exactamente el doble de la impedancia del modo impar. No aproximadamente.
• El modo impar debe estar por debajo del valor de una sola línea desacoplada; el acoplamiento lo reduce.
• La unión de las trazas debe reducir la impedancia diferencial. Si sube, el modelo está roto.
• La impedancia en modo común en un par sin blindaje debe indicarse como indefinida, no como un número finito.

La calculadora de pares acoplados lateralmente maneja tanto la carcasa blindada entre planos como la carcasa flexible sin blindaje, e incluye el efecto del grosor del cobre que produce la caída de las formas simples.