Votre stripline n'est pas centrée (et c'est très bien)

Personne ne construit un stripline centré

Ouvrez n'importe quel manuel et une bande est dessinée avec la trace exactement à mi-chemin entre deux plans. Ouvrez l'empilage réel de votre fabricant et ce n'est presque jamais le cas.

La raison est ennuyeuse : le noyau et le préimprégné sont disponibles en épaisseurs distinctes. 0,1 mm, 0,2 mm, 0,36 mm, peu importe ce que propose le fournisseur. À moins que la disposition de vos couches ne se divise uniformément, la couche de signal atterrit plus près d'un plan que de l'autre. Sur une planche à 8 couches, il est parfaitement normal de s'asseoir à 0,2 mm d'un plan et à 0,6 mm de l'autre.

Il s'agit d'un offset, ou stripline asymétrique. C'est le cas le plus courant, pas l'exception.

Combien coûte réellement la compensation

Moins que ce que les gens craignent, et d'une manière différente de ce à quoi ils s'attendent.

Prenez une trace de 0,15 mm dans du FR4, 1 oz de cuivre, 0,2 mm vers le plan proche et 0,6 mm vers le plan le plus éloigné. Centré dans la même cavité de 0,835 mm, vous obtiendrez environ 65,5 Ω. Décalage tel que décrit : environ 58 Ω. Environ 11 % de moins.

Le décalage réduit donc l'impédance. C'est logique : la trace est plus proche d'un plan, donc la capacité augmente. Et vous le corrigez de manière ennuyeuse : ajustez la largeur du tracé. La largeur est libre. Le laminage personnalisé ne l'est pas. Ne demandez jamais à un fabricant un préimprégné non standard pour retrouver un empilage centré lorsqu'un changement de largeur fait le même travail.

Ce qui compte vraiment, ce n'est pas le décalage d'impédance. C'est là que passe le courant.

Le courant de retour choisit le plan le plus proche

Le courant de retour se divise entre les deux plans à peu près en proportion inverse de la distance. Avec un décalage de 3:1, environ les trois quarts de celui-ci s'écoulent dans le plan rapproché.

C'est la conséquence pratique, qui a tendance à se faire sentir lors des tests CEM plutôt que lors de l'examen de la conception. Une fente, un vide ou un amas dense d'antipads dans le plan proch force le retour au détour. Ce détour est la zone de boucle, et la zone de boucle est l'émission rayonnée et la diaphonie.

Le même défaut dans le plan éloigné est à peine visible.

Ainsi, lorsque vous tracez une stripline décalée, sachez quel avion se trouve le plus proche et gardez-le ininterrompu pendant tout le trajet. Au-delà d'une asymétrie d'environ 5 : 1, vous pouvez considérer le plan le plus éloigné comme décoratif pour des raisons d'intégrité du signal et le concevoir entièrement autour du plan le plus proche.

Pourquoi la plupart des formules de décalage se lisent en haut

Voici la partie que j'ai trouvée intéressante lors de la construction de la calculatrice.

L'approche standard est la superposition de Cohn. La trace voit deux demi-structures : l'une délimitée par le plan proche, l'autre par le plan éloigné. Réfléchissez chaque moitié autour de son propre plan et vous obtenez une stripline symétrique ordinaire, dont la capacité est deux fois supérieure à celle de la moitié d'où elle provient. Les deux moitiés partagent un conducteur, de sorte que leurs capacités s'additionnent.

Il est élégant, il se replie exactement dans le boîtier symétrique lorsque $h_1 = h_2$, et il réduit correctement l'impédance à zéro lorsque l'un ou l'autre des espaces se ferme. Toutes de bonnes propriétés.

C'est aussi pas exact, et la raison en est subtile. La superposition suppose discrètement qu'un mur magnétique se trouve sur le plan de la trace à l'extérieur de la trace, ce qui signifie qu'aucun champ ne peut s'enrouler autour du bord de la trace d'une moitié à l'autre. Les structures réelles n'ont pas un tel mur. Field s'enroule.

Écrivez la capacité sous la forme d'une partie à plaque parallèle plus une frange :

La superposition renvoie toujours $F = 8\ln 2/\pi$, la frange symétrique, quel que soit le décalage de la trace. La véritable frange augmente fortement à mesure que la trace s'approche d'un plan. Cette seule omission constitue l'erreur complète.

Quelle taille ? Nous l'avons comparé à un solveur basé sur la méthode des moments basée sur la fonction exacte de Green à plaque parallèle, le type de référence qui reproduit le stripline centré de l'analyse à environ 0,0002 %. La superposition nue atteint une hauteur de quelques pour cent aux décalages typiques et atteint 14 % lorsque la trace se trouve très près d'un plan.

Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi un tableau avait perdu quelques ohms par rapport à une calculatrice qui semblait faire autorité, c'est un candidat.

La limite de validité que les gens ignorent

La formule de stripline logarithmique familière :

est livré avec une condition attachée : il tient pour une bande étroite, environ $W/(b-t) < 0.35$. Passé ce délai, l'argument du logarithme s'effondre vers 1 et la réponse s'effondre. Au $ W/b = 2$, il sous-prédit de près de 80 %.

Cela est important pour un routage large et à faible impédance : distribution de l'énergie sur les couches internes, larges épines d'horloge, tout ce qui est délibérément gros. De nombreux outils appliquent la formule logarithmique partout et vous donnent un chiffre qui semble plausible et qui ne l'est pas.

Le correctif est la solution exacte de mappage conforme, qui tient à toutes les largeurs :

Aucune branche, aucun croisement, aucune discontinuité lorsque deux approximations se rencontrent.

Contrôles de santé pour tout outil d'impédance

Ceux-ci prennent trente secondes et détectent de vrais bugs :

1. Réglez les deux hauteurs de manière égale. Un modèle correct renvoie exactement la valeur du stripline centré. Pas proche, exactement.
2. Poussez un espace vers zéro. L'impédance devrait chuter vers zéro, car le conducteur s'approche d'un avion.
3. Balayez la largeur en douceur. L'impédance doit chuter de façon monotone, sans étapes. Un saut signifie que l'outil a changé de formule en milieu de gamme.

Nous avons trouvé une implémentation livrée qui a échoué les deux premières : elle renvoyait 1,089 fois la valeur symétrique au $h_1 = h_2$, et l'impédance augmentait lorsque la trace s'approchait d'un plan. Les deux sont physiquement impossibles et aucun n'est visible à moins que vous ne regardiez.

Que faire réellement

• Procurez-vous l'empilage pressé auprès de votre fabricant, et non la valeur nominale de la fiche technique. L'épaisseur du préimprégné après laminage dépend de la quantité de cuivre qui doit circuler.
• Compensez le décalage avec la largeur du tracé.
• Identifiez l'avion le plus proche et maintenez-le solide sous la route.
• Au-delà d'un décalage de 3:1, attendez-vous à une incertitude supplémentaire de quelques pour cent pour tout modèle à forme fermée, et obtenez une résolution de champ si la marge est étroite.

Le calculateur à bandes asymétriques utilise la forme elliptique exacte avec la correction des franges, et affiche la valeur centrée à côté afin que vous puissiez voir le coût du décalage.