Calculateur d'impédance à double bande
Calculez l'impédance pour les deux couches de signal d'une double bande (deux couches de routage partageant une paire de plans), plus la pénalité de diaphonie latérale lorsque les traces se chevauchent.
Formule
Référence: IPC-2141A; E. Bogatin, "Signal and Power Integrity — Simplified", 3rd ed., ch. 11
Comment ça marche
Le double stripline place deux couches de routage entre une paire de plans de référence. Il s'agit d'une solution rentable : vous obtenez deux couches de signal pour le prix d'une paire de plans, ce qui, sur une carte dense, permet d'économiser deux couches de cuivre et un cycle de lamination. Le prix à payer est le couplage entre les deux couches de signal, et il doit être géré par la discipline du routage plutôt que par la géométrie.
Chaque couche de signal est à elle seule une bande de décalage. La couche 1 se trouve à du plan supérieur et à partir du plan inférieur ; la couche 2 est le miroir. Les deux sont résolus avec la construction en demi-parallèle de Cohn :
L'autre couche de signal n'est délibérément pas traitée comme une référence. C'est un conducteur flottant, pas un avion, et il transmet son propre signal. Cette hypothèse explique exactement pourquoi les deux couches doivent être acheminées de manière orthogonale : au moment où deux traces sont parallèles l'une sur l'autre, le modèle cesse de s'appliquer et vous obtenez à la place une paire couplée sur le côté large.
Pourquoi le chevauchement est si dommageable
Lorsque deux traces situées sur des couches de signal adjacentes se chevauchent, elles se font face à travers un mince diélectrique sans plan entre les deux. Il s'agit de la géométrie de couplage la plus étroite disponible sur un circuit imprimé. Décomposition en modes : le mode impair place un mur électrique à mi-chemin entre les traces, le mode pair y place un mur magnétique et laisse chaque trace référencée uniquement sur son propre plan. Le coefficient de diaphonie rétrograde résulte de la division :
Pour une géométrie à double bande typique, cela se situe autour de 20 % et dépasse 50 % lorsque les deux couches de signal sont situées plus près l'une de l'autre que de leur plan, ce qui est bien pire que le couplage de bord entre des traces voisines sur la même couche. Ce n'est pas un chiffre que vous concevez autour de vous ; c'est un chiffre que vous évitez en acheminant une couche nord-sud et l'autre est-ouest.
Asymétrie d'impédance
À moins que l'empilement ne soit symétrique, les deux couches n'auront pas la même impédance. La couche la plus proche de son plan est celle à plus faible impédance. Si les deux doivent atteindre la même cible, utilisez des largeurs de trace différentes par couche et indiquez les deux valeurs au fabricant.
Exemple Résolu
Problème : une carte à 6 couches est mise à la terre sur L2 et L5, avec des couches de signal sur L3 et L4. L'espacement plan-plan est de 0,8 mm, L3 se situe à 0,2 mm en dessous de L2, les deux couches de signal sont distantes de 0,33 mm, le cuivre mesure 1 oz, FR4 er = 4,2. Déterminez à la fois les impédances et le pire des cas de couplage.
Étape 1 - Calculez l'écart le plus bas : h2 = b - h1 - s - 2 t = 0,8 - 0,2 - 0,33 - 0,07 = 0,2 mm L'empilement est symétrique, les deux couches doivent donc correspondre.
Étape 2 - Impédance de couche 3, trace de 0,13 mm. Proche de l'écart 0,2 mm, référence éloignée à s + t + h2 = 0,565 mm. La mise en miroir de chaque moitié autour de son propre plan donne deux bandes symétriques équivalentes : Z_a (b = 0,435 mm) = 50,04 ohms Z_b (b = 1,165 mm) = 78,55 ohms Combiner les moitiés et restaurer les franges que la superposition simple omet : Z0 = 60,51 ohms
Étape 3 - La couche 4 est l'image miroir, donc également 60,51 ohms. Symétrique confirmée.
Étape 4 - Couplage large dans le pire des cas si les couches se chevauchent. Le mode impair place un mur électrique à mi-chemin entre les traces à s/2 = 0,165 mm ; le mode pair le remplace par un mur magnétique, de sorte que chaque trace est référencée dans son propre plan mais voit toujours un certain champ au-delà du mur. Z_impair = 47,45 ohms, Z_pair = 73,52 ohms k_b = (73,52 - 47,45)/(73,52 + 47,45) = 21,6 %
Étape 5 - Interprétation. Plus d'un cinquième de la tension de l'agresseur apparaît sur la victime si les deux traces sont parallèles l'une sur l'autre, ce qui est plusieurs fois pire que le couplage de bord entre voisins sur la même couche à un espacement normal. Tracez la L3 horizontalement et la L4 verticalement ; le chevauchement se réduit ensuite à des croisements isolés, où la longueur couplée est d'une fraction de millimètre et la diaphonie est négligeable.
Conseils Pratiques
- ✓Acheminez les deux couches de manière orthogonale sans exception. Appliquez-le à l'aide d'une règle de conception, et non d'une discipline à l'attention des évaluateurs.
- ✓Donnez à chaque couche sa propre largeur de trace si l'empilement est asymétrique et indiquez les deux largeurs sur le dessin de fabrication.
- ✓Gardez les deux couches de signal aussi éloignées que le permet l'empilement et chaque couche aussi près que possible de son propre plan. C'est la géométrie qui minimise le couplage.
- ✓Si vous devez exécuter deux réseaux en parallèle sur des couches, assurez-vous qu'ils ne sont pas liés et qu'ils sont lents. Ne le faites jamais avec une horloge ou un stroboscope.
- ✓Lorsque le budget permet un plan entre les deux couches de signal, prenez-le. La double bande est un compromis en termes de coûts et non un choix de performance.
- ✓Vérifiez le coefficient de couplage indiqué avant de passer à l'empilement. Au-delà d'environ 10 %, la règle d'orthogonalité cesse d'être un conseil et devient une exigence stricte.
Erreurs Fréquentes
- ✗Acheminement des deux couches de signal dans la même direction. Les traces transversales qui se chevauchent se couplent généralement à environ 20 %, et beaucoup plus lorsque les couches sont rapprochées les unes des autres : aucun espacement au sein d'une couche ne permet de la fixer.
- ✗En supposant que les deux couches ont la même impédance. Ils ne correspondent que si l'empilement est symétrique ; sinon, la couche la plus proche de son plan est plus basse.
- ✗Traiter l'autre couche de signal comme un plan de référence dans le modèle d'impédance. Il s'agit d'un conducteur flottant transportant son propre signal, et sa modélisation en tant que masse permet d'obtenir une impédance faible, de manière optimiste.
- ✗Placer une paire différentielle sur une couche à double bande et une horloge asymétrique rapide sur l'autre, juste au-dessus. L'horloge est couplée à la paire en mode commun, ce que le récepteur ne peut pas rejeter.
- ✗Oublier d'ajouter les deux épaisseurs de cuivre lors de la dérivation du décalage de la deuxième couche par rapport à l'espacement des plans : une erreur de 0,07 mm sur un intervalle de 0,2 mm correspond à une erreur de 35 % au mauvais endroit.
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