Calculadora de pares diferenciales de acoplamiento lateral
Calcule la impedancia diferencial y de modo común para un par acoplado lateralmente (dos trazas apiladas en capas adyacentes) para geometrías blindadas (entre planos) y sin blindaje.
Fórmula
Referencia: B. C. Wadell, "Transmission Line Design Handbook", Artech House 1991, §4.5 (broadside-coupled lines)
Cómo Funciona
Un par acoplado lateralmente apila las dos mitades de un par diferencial en capas contiguas, una directamente encima de la otra, en lugar de colocarlas una al lado de la otra en la misma capa. Reduce a la mitad el ancho de enrutamiento que consume un par, por lo que domina el diseño de circuitos flexibles y se ve reflejado en las placas rígidas más densas.
El análisis se basa en una idea: la simetría. Si se impulsa un par simétrico de forma diferencial, el plano exactamente a medio camino entre las dos trazas se mantiene a cero voltios solo por simetría. Esa tierra virtual es una pared eléctrica, y convierte un problema difícil de cuatro conductores en dos problemas independientes de una sola línea.
Blindado: entre planos de referencia
En los planos superiores e inferiores, cada trazo en modo impar es una línea de banda desplazada: un terreno virtual a d/2 $ por un lado y el plano real a $ h = (b - d - 2t) /2 $ por el otro. Entonces, la impedancia diferencial es simplemente el doble:
El modo par cambia la pared eléctrica por una pared magnética. Ningún campo cruza el plano medio, por lo que cada traza hace referencia solo a su propio plano: una línea de media banda, cuya impedancia es el doble de la línea simétrica reflejada. La impedancia en modo común es la mitad de eso:
Sin blindaje: no hay ningún avión
En un plano flexible de dos capas sin planos de tierra, el suelo virtual es la única referencia de la estructura. Cada trazo se convierte en una franja a una altura de sobre un plano del suelo en un dieléctrico homogéneo, y las formas de microtiras de Hammerstad se aplican directamente con en lugar de $\ varepsilon_ {r, eff} $ porque no hay un límite aire-sustrato sobre el que promediar.
El modo común en que la geometría no tiene ninguna ruta de retorno. Su impedancia no es cero, es indefinida. Cualquier corriente en modo común que capte la pareja no tiene adónde ir excepto al espacio libre, por lo que los pares de banda ancha sin blindaje son antenas eficientes y necesitan obturadores de modo común en ambos extremos.
El verdadero riesgo de diseño
No es impedancia, es registro. La impedancia diferencial depende directamente de que las dos trazas estén colocadas una encima de la otra, y los fabricantes mantienen el registro capa a capa con mucha más holgura que el ancho de grabado. La desalineación lateral rompe la simetría de la que depende todo el análisis, y la simetría interrumpida convierte la señal diferencial en un modo común, precisamente el modo que irradia.
Ejemplo Resuelto
Problema: un cable flexible de poliimida (er = 3.5) lleva un par diferencial de 100 ohmios como par ancho sin planos de referencia. El cobre es de 1 onza, el dieléctrico entre las capas es de 0.2 mm. Halla el ancho de la traza.
Paso 1: objetivo en modo impar. Zdiff = 2*Z_odd, por lo que Z_odd = 50 ohmios.
Paso 2: El terreno virtual se encuentra a medio camino entre las trazas, a d/2 = 0,1 mm. Cada traza es una franja a 0,1 mm por encima del plano del suelo en un er = 3,5 homogéneo.
Paso 3: Ten en cuenta el cobre. Con d = 0,2 mm, el suelo virtual se encuentra solo 0,1 mm por debajo de la traza, por lo que 35 um de cobre equivalen a un tercio de esa altura y no se pueden ignorar. La corrección de Hammerstad amplía la franja: dW = (t/pi) (1 + ln (2h/t)) = (0,035/pi) (1 + ln (0,2/0,035)) = 0,0306 mm
Paso 4: prueba con W = 0,15 mm, por lo que el ancho efectivo es de 0,1806 mm y u = W_eff/h = 1,806. Usa la forma Hammerstad de banda ancha: Z = (376,73/sqrt (3,5))/(1,806 + 1,393 + 0,667*ln (1,806 + 1,444)) = 201,4/(1,806 + 1,393 + 0,786) = 201,4/3,985 = 50,5 ohmios Zdiff = 101,1 ohmios: esencialmente en el blanco.
Paso 5: usa W = 0.15 mm. Observe lo que hizo el cobre: ignorar el grosor habría predicho 111 ohmios con este ancho y lo habría empujado hacia una traza innecesariamente ancha de 0,18 mm.
Paso 6: Presupuesto de registro. Un desplazamiento lateral de 25 micras en una traza de 0,15 mm es un error de superposición del 17%. Pregúntele al proveedor de sistemas flexibles cuál es su especificación de registro capa por capa antes de comprometerse; si es inferior al 10% del ancho de la traza, amplíe las trazas para desensibilizar el diseño.
Paso 7: Modo común. No hay un plano de referencia, por lo que la impedancia del modo común no está definida y cualquier desequilibrio se irradia. Coloque un estrangulador de modo común en cada extremo del cable.
Consejos Prácticos
- ✓Pida a su fabricante la especificación de registro de capa a capa antes de elegir los anchos de las trazas y ajuste el tamaño de las trazas de manera que el cambio en el peor de los casos sea una pequeña fracción del ancho.
- ✓Los pares de lados anchos son la elección natural en flexión, donde el radio y el ancho de curvatura son importantes y los dos conductores se doblan juntos.
- ✓Si se flexiona sin blindaje, coloque los estranguladores de modo común en ambos extremos. La geometría no tiene retorno en modo común e irradiará cualquier desequilibrio que detecte.
- ✓Mantenga la separación de trazas más pequeña que la distancia a los planos de referencia si desea un acoplamiento fuerte; eso es lo que hace que el par sea inmune al ruido externo.
- ✓Verifique el modelo: la impedancia diferencial debe ser exactamente el doble de la impedancia del modo impar y el modo impar debe estar por debajo del valor de línea única desacoplada.
- ✓Cuando una transición de vía interrumpe el apilamiento, mantenga las dos vías lo más juntas y simétricas posible; una transición asimétrica es un conversor de modos.
Errores Comunes
- ✗Ignorar la tolerancia de registro de capa a capa. Es la fuente de error dominante en los pares anchos y, por lo general, es mucho más débil que la tolerancia de grabado: un par desalineado convierte la señal diferencial en un modo común radiante.
- ✗Suponiendo que existe una impedancia de modo común en un par sin blindaje. Sin un plano de referencia, no existe ninguna ruta de retorno en modo común; la cantidad no está definida, no es pequeña.
- ✗Uso de fórmulas acopladas por bordes para un par apilado. El mecanismo de acoplamiento es completamente diferente y los números no son transferibles.
- ✗Colocar un par lateral en las dos capas de una línea de doble franja sin comprobar qué más se dirige hacia allí. Todo lo que esté por encima o por debajo de la pareja se empareja en modo común.
- ✗Olvidando que ambos espesores de cobre afectan el espaciado de los planos. En una pila delgada y apantallada, dos capas de cobre de 35 micras representan una fracción significativa de la altura disponible.
Preguntas Frecuentes
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