Nei progetti di PCB ad alta velocità, le linee di trasmissione sono strutture fondamentali che devono garantire il mantenimento dell'integrità del segnale. La maggior parte degli errori sulla linea di trasmissione nei circuiti elettronici si propaga attraverso interazioni, perdite e distorsioni, che si verificano a causa delle interferenze dei moderni sistemi digitali e di comunicazione in rapida evoluzione. Tra i tipi più comuni di linee di trasmissione nei progetti di PCB, due sono fondamentali: stripline e microstrip.
Ma cosa sono esattamente le stripline e le microstrip e come influiscono sulle prestazioni dei PCB? Questo articolo esaminerà queste due linee di trasmissione, ne analizzerà la struttura, i principi di funzionamento e alcuni vantaggi, per giungere a una conclusione definitiva su quando utilizzare le microstrip anziché le stripline per ottenere prestazioni di segnale ottimali e una migliore efficienza produttiva.
Che cosa è Stripline?
Si tratta di una delle linee di trasmissione più pratiche su un PCB, in grado di trasportare segnali ad alta frequenza senza interferenze. L'ultima parte del termine è più generica, poiché non rappresenta altro che il percorso per i segnali elettrici nascosti negli strati del PCB. Questo la rende preferibile nelle schede multistrato, dove l'integrità del segnale è un aspetto fondamentale.
È comunemente utilizzato in applicazioni in cui i circuiti sono ad alta velocità e vengono utilizzati sistemi di comunicazione. Grazie alle sue caratteristiche peculiari e alla schermatura, la stripline consente di supportare segnali molto complessi senza perdite o interferenze. Per questo motivo, ha trovato ampia applicazione in settori che richiedono precisione e stabilità.
Struttura della Stripline:
La configurazione stripline è semplice ma altamente efficiente. Il conduttore forma due strati, ricoperti di dielettrico. Tra i due strati si trovano due piani di massa: uno sopra la struttura e l'altro sotto. Questi sono i piani di massa. Agiscono come schermi, impedendo ai disturbi esterni di raggiungere il segnale. In questo modo, il segnale viaggia a una velocità elevata lungo la scheda, senza interferenze da parte di rumori esterni.
Principio di funzionamento della Stripline:
I segnali trasportati dalla stripline sono contenuti in un ambiente completamente schermato. I piani di massa schermano il conduttore, che pertanto subisce un'interferenza minima con gli altri componenti. In questa configurazione, l'impedenza è costante ed essenziale per l'integrità del segnale. L'integrità del segnale è mantenuta da condizioni di segnale stabili alle alte frequenze.
Vantaggi di Stripline:
1. Schermatura contro altri interferenze: Il principale vantaggio di una stripline è la sua eccellente schermatura. Poiché il conduttore è completamente racchiuso, si ottiene la massima protezione dalle interferenze elettromagnetiche. Qualsiasi circuito ad alta velocità necessita di immunità alle interferenze di livello elevato, poiché anche interferenze di entità minore possono influire sulle prestazioni del circuito.
2. Impedenza bilanciata: Essendo una struttura a sandwich dall'interno all'interno, la stripline avrà probabilmente un'impedenza bilanciata. Ciò significa che il segnale dovrebbe essere completamente indisturbato durante la trasmissione lungo il PCB, con la minima possibilità di distorsione o perdita di segnale.
Svantaggi di Stripline:
1. Complessità nella fabbricazione: La microstrip sarebbe la più complessa da realizzare rispetto alla stripline. Un numero maggiore di strati, insieme alla presenza di un conduttore vicino al piano di massa, aumenta la complessità e, di conseguenza, comporta un aumento dei costi.
2. Vincoli planari: Poiché la stripline è striata, risulta più ingombrante su un PCB rispetto, ad esempio, a un cavo coassiale. Questo, a sua volta, tenderebbe a rendere le schede complessivamente più spesse in media, il che potrebbe rappresentare un problema nei progetti orientati alla compattezza.
Che cosa è Microstrip?
La linea di trasmissione a microstrip è stata ampiamente utilizzata nei PCB grazie al suo design semplice ed efficiente ad alta frequenza. A differenza della stripline, una microstrip si trova sulla superficie del PCB ed è quindi facile da realizzare e installare. Inoltre, è ampiamente utilizzata nei circuiti RF e nei dispositivi a microonde grazie al suo design semplice ed economico.
È economico, occupa poco spazio ed è facile da produrre; per questo è ampiamente utilizzato. Trasmette un segnale ad alta frequenza ed è molto diffuso nei sistemi di comunicazione, nei radar e nell'elettronica ad alta velocità.
Configurazione di Microstrip:
Questa configurazione è molto meno complessa rispetto alla stripline. Nella microstrip, un conduttore è posizionato su uno strato superficiale dielettrico, toccando il piano di massa sottostante solo con uno dei suoi lati. La microstrip ha una configurazione aperta in cui il lato superiore del conduttore è esposto all'aria, a differenza di qualsiasi altra linea di trasmissione. Questo piano di massa invertito indirizza il segnale, ma aumenta l'esposizione di questo lato, il che conferisce al segnale una schermatura molto inferiore da possibili disturbi esterni.
Principio di funzionamento della microstrip:
Nel caso della microstriscia, il segnale viaggia lungo la superficie superiore del conduttore. A causa della presenza di un solo piano di massa nella parte inferiore, i campi elettromagnetici che circondano il conduttore sono esposti alle interferenze dell'ambiente esterno. Il segnale penetra nell'aria attraverso dimensioni parziali e quindi è parzialmente esposto a sorgenti di interferenza. Tuttavia, grazie al funzionamento ad alta frequenza e ai bassi costi, la semplicità rende possibile questo tipo di progettazione.
Vantaggi della microstrip:
1. Economico: Vengono risparmiate le scorte di tutte le materie prime e degli strati, riducendo così i costi di produzione.
2. Disponibile per la produzione: Poiché sono necessari meno strati, la microstrip è meno complicata e più accessibile da produrre rispetto alla stripline.
Difetti del Microstrip:
1. Altamente suscettibile alle interferenze:La microstrip è molto sensibile alle interferenze esterne poiché ha una resistenza quasi trascurabile.
2. Scarso equilibrio: Questo cavo deve essere adeguatamente schermato. Pertanto, l'impedenza non è costante. Di conseguenza, la qualità del segnale è destinata a ridursi.
Linea Microstrip vs Stripline: un'analisi comparativa
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Aspetto
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stripline
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Microstriscia
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Variazione strutturale
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L'impedenza di super schermatura è garantita perché la schermatura è realizzata inserendo due piani di massa tra una stripline e l'altra, racchiusa tra due strati di materiale dielettrico su entrambi i lati.
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Una microstrip è montata sopra lo strato dielettrico, ma entra in contatto solo con un lato del piano di massa. Pertanto, ha un design molto più semplice, ma è più suscettibile alle interferenze.
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Confronto del principale operativo
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Questo è il design di una stripline: i segnali sono racchiusi e quindi protetti da fonti di interferenza esterne. Valido principalmente per l'uso ad alta frequenza.
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I segnali microstrip corrono lungo la superficie. Una schermatura parziale ne riduce la resistenza alle interferenze, quindi le prestazioni saranno compromesse in ambienti sensibili.
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Impedenza caratteristica
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Mentre stripline e microstrip hanno un'impedenza definita, la configurazione stripline, essendo bilanciata, fornisce risultati uniformi.
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L'impedenza della microstrip varia. La microstrip non può controllare l'impedenza alle alte frequenze. Pertanto, le guide d'onda coplanari CPW vengono combinate con essa.
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Perdite nella trasmissione
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Rispetto alla configurazione microstrip, la configurazione stripline è quella che riduce meglio le perdite.
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Poiché le guide d'onda coplanari CPW riducono la perdita di segnale, limitano i campi elettromagnetici meglio delle tradizionali microstrip.
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Efficienza e integrità del segnale
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Stripline garantisce un'eccellente integrità del segnale anche nei progetti multistrato più complessi.
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Le linee di trasmissione coplanari sono una soluzione intermedia che migliora l'integrità del segnale senza la complicazione delle stripline.
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Scenari di utilizzo dell'applicazione
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La tecnologia Stripline viene applicata nei circuiti digitali ad alta velocità e nei PCB multistrato per ridurre al minimo il rumore e garantire l'integrità del segnale.
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La microstrip è ancora più soggetta a interferenze. Viene utilizzata principalmente quando la semplicità di progettazione e il costo diventano più critici nei progetti RF, nei sistemi wireless e nei circuiti più semplici.
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Differenze di percorso
Tecniche di routing microstrip
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Instradamento standard microstrip
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Talvolta, per progetti semplici ad alta frequenza, si ricorre al routing superficiale.
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Coppie differenziali di percorso
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Instrada i segnali insieme per ridurre il rumore. È ampiamente utilizzato in applicazioni ad alta velocità.
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Routing microstrip incorporato
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È integrato nel PCB ed è immune alle interferenze.
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Stili di routing Stripline
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Instradamento standard della stripline
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È molto diffuso nei PCB multistrato in cui il segnale deve essere schermato.
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Instradamento a strisce complanari
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Introduce diversi piani di massa per prestazioni migliori.
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Instradamento Stripline Broadside-Coupled
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Lo spazio è molto limitato, ma il segnale ad alta velocità deve essere inviato.
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Problemi di progettazione per Stripline e Microstrip
Fattori di controllo dell'impedenza
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Costante dielettrica (εr)
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Mostra variazioni di impedenza nella natura dielettrica anche se i valori di εr sono più trascurabili.
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Costante dielettrica pratica (εeff)
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Questa impedenza varia a seconda della struttura degli strati.
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Larghezza e spessore della traccia
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Una traccia più ampia e spessa modificherà il percorso del segnale e, di conseguenza, l'impedenza.
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Tecnica di minimizzazione delle perdite
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Per Stripline
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Tutto ciò deve essere realizzato con la migliore progettazione possibile.
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Per microstrip
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Le perdite possono essere ridotte al minimo mediante una corretta messa a terra e una ridotta esposizione.
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Considerazioni sulla progettazione di PCB multistrato
Ciò richiederebbe quindi la gestione della qualità del segnale nella stripline e nella microstrip di un PCB multistrato. La qualità può essere gestita attraverso la larghezza delle tracce, la disposizione degli strati e l'adattamento di impedenza.
Conclusione
Ce ne sono due: la stripline, meglio progettata e più complessa da realizzare, ma con una maggiore integrità del segnale se utilizzata come schermatura, e la microstrip, più semplice e molto più economica, ma con una suscettibilità alle interferenze significativamente maggiore. Questo dipenderà dall'applicazione, dal costo e dalle prestazioni.
