Calculadora de impedância Dual Stripline
Calcule a impedância para ambas as camadas de sinal de uma faixa dupla (duas camadas de roteamento compartilhando um par de planos), mais a penalidade de diafonia lateral quando os traços se sobrepõem.
Fórmula
Referência: IPC-2141A; E. Bogatin, "Signal and Power Integrity — Simplified", 3rd ed., ch. 11
Como Funciona
A linha de faixa dupla coloca duas camadas de roteamento entre um par de planos de referência. É uma jogada de custo: você obtém duas camadas de sinal pelo preço de um par de planos, o que em uma placa densa pode economizar duas camadas de cobre e um ciclo de laminação. O preço que você paga é o acoplamento entre as duas camadas de sinal e deve ser gerenciado pela disciplina de roteamento e não pela geometria.
Cada camada de sinal por si só é simplesmente uma faixa offset. A camada 1 fica $ h_1 $ do plano superior e $ s + t + h_2 $ do plano inferior; a camada 2 é o espelho. Ambos são resolvidos com a construção da metade paralela de Cohn:
A outra camada de sinal é deliberadamente não tratada como uma referência. É um condutor flutuante, não um avião, e carrega seu próprio sinal. Essa suposição é exatamente a razão pela qual as duas camadas devem ser roteadas ortogonalmente — no momento em que dois traços correm paralelamente um sobre o outro, o modelo para de ser aplicado e, em vez disso, você tem um par amplo acoplado.
Por que a sobreposição é tão prejudicial
Quando dois traços em camadas de sinal adjacentes se sobrepõem, eles se enfrentam através de um dielétrico fino sem nenhum plano no meio. Essa é a geometria de acoplamento mais rígida disponível em um PCB. Decomposição em modos: o modo ímpar coloca uma parede elétrica a meio caminho entre os traços, o modo par coloca uma parede magnética lá e deixa cada traço referenciado apenas ao seu próprio plano. O coeficiente de diafonia inversa segue da divisão:
Para uma geometria típica de faixa dupla, ela atinge cerca de 20% e ultrapassa 50% quando as duas camadas de sinal ficam mais próximas uma da outra do que de seus planos — várias vezes pior do que o acoplamento de bordas entre traços vizinhos na mesma camada. Esse não é um número em torno do qual você cria; é um número que você evita ao rotear uma camada norte-sul e a outra leste-oeste.
Assimetria de impedância
A menos que o empilhamento seja simétrico, as duas camadas não terão a mesma impedância. Qualquer camada que esteja mais próxima de seu plano é a de menor impedância. Se ambos precisarem atingir o mesmo alvo, use larguras de traço diferentes por camada e informe ao fabricante os dois valores.
Exemplo Resolvido
Problema: Uma placa de 6 camadas tem aterramento em L2 e L5, com camadas de sinal em L3 e L4. O espaçamento plano a plano é de 0,8 mm, L3 fica 0,2 mm abaixo de L2, as duas camadas de sinal estão separadas por 0,33 mm, o cobre tem 1 onça, FR4 er = 4,2. Encontre as impedâncias e o pior acoplamento possível.
Etapa 1 - Determine a lacuna inferior: h2 = b - h1 - s - 2t = 0,8 - 0,2 - 0,33 - 0,07 = 0,2 mm O empilhamento é simétrico, então as duas camadas devem coincidir.
Etapa 2 - Impedância da camada 3, traço de 0,13 mm. Espaço próximo de 0,2 mm, referência distante em s + t + h2 = 0,565 mm. Espelhar cada metade em torno de seu próprio plano fornece duas listras simétricas equivalentes: Z_a (b = 0,435 mm) = 50,04 ohm Z_b (b = 1,165 mm) = 78,55 ohm Combinando as metades e restaurando a franja que a superposição simples omite: Z0 = 60,51 ohm
Etapa 3 - A camada 4 é a imagem espelhada, assim como 60,51 ohm. Simétrica confirmada.
Etapa 4 - Na pior das hipóteses, acoplamento lateral largo se as camadas se sobrepuserem. O modo ímpar coloca uma parede elétrica a meio caminho entre os traços em s/2 = 0,165 mm; o modo par a substitui por uma parede magnética, então cada traço é referenciado ao seu próprio plano, mas ainda vê algum campo além da parede. Z_ímpar = 47,45 ohm, Z_par = 73,52 ohm k_b = (73,52 - 47,45)/(73,52 + 47,45) = 21,6%
Etapa 5 - Interpretação. Mais de um quinto da voltagem do agressor aparece na vítima se os dois traços correrem paralelamente um sobre o outro — várias vezes pior do que o acoplamento de bordas entre vizinhos na mesma camada no espaçamento normal. Rote L3 horizontalmente e L4 verticalmente; a sobreposição então se reduz a cruzamentos isolados, onde o comprimento acoplado é uma fração de milímetro e a diafonia é insignificante.
Dicas Práticas
- ✓Roteie as duas camadas ortogonalmente, sem exceção. Aplique isso com uma regra de design, não com a disciplina do revisor.
- ✓Dê a cada camada sua própria largura de traço se o empilhamento for assimétrico e coloque as duas larguras no desenho de fabricação.
- ✓Mantenha as duas camadas de sinal tão afastadas quanto o empilhamento permitir e cada camada o mais próxima possível de seu próprio plano — essa é a geometria que minimiza o acoplamento.
- ✓Se você precisar executar duas redes paralelas entre camadas, certifique-se de que elas não estejam relacionadas e sejam lentas. Nunca faça isso com um relógio ou um estroboscópio.
- ✓Onde o orçamento permite um plano entre as duas camadas de sinal, pegue-o. A faixa dupla é uma redução de custos, não uma opção de desempenho.
- ✓Verifique o coeficiente de acoplamento informado antes de se comprometer com o empilhamento. Acima de cerca de 10%, a regra de ortogonalidade deixa de ser um conselho e se torna uma exigência difícil.
Erros Comuns
- ✗Roteando as duas camadas de sinal na mesma direção. Traços laterais sobrepostos normalmente se acoplam em cerca de 20%, e muito mais quando as camadas estão próximas — nenhuma quantidade de espaçamento dentro de uma camada os fixa.
- ✗Supondo que ambas as camadas tenham a mesma impedância. Eles só coincidem se o empilhamento for simétrico; caso contrário, a camada mais próxima de seu plano é mais baixa.
- ✗Tratar a outra camada de sinal como um plano de referência no modelo de impedância. É um condutor flutuante que transporta seu próprio sinal, e modelá-lo como terra fornece uma impedância otimista baixa.
- ✗Colocar um par diferencial em uma camada de faixa dupla e um relógio rápido de ponta única na outra, diretamente acima dela. O relógio se acopla ao par como um modo comum, que o receptor não pode rejeitar.
- ✗Esquecer de adicionar as duas espessuras de cobre ao derivar o deslocamento da segunda camada do espaçamento do plano — um erro de 0,07 mm em uma folga de 0,2 mm é um erro de 35% no lugar errado.
Perguntas Frequentes
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