Stripline versus microstrip: verschillen in ontwerp en signaalintegriteit

Introductie

Het kennen van het verschil tussen stripline en microstrip is noodzakelijk bij het ontwerpen van effectieve PCB's. Deze twee parametrische transmissielijnen hebben de volgende onderscheidende kenmerken, afhankelijk van de toepassing. Striplines bieden superieure afscherming dan microstrips, terwijl microstrips daarentegen goedkoper en minder complex zijn in ontwerp. Het is vastgesteld dat het selecteren van de juiste de juiste signaalintegriteit oplevert.

Microstrip versus Stripline en hun configuraties

Deze twee verschillende transmissielijnen worden voornamelijk gebruikt bij het ontwerpen van PCB's. Ze hebben allemaal hun eigen configuraties voor de specifieke vereisten voor signaalintegriteit.

Microstrip

Op het oppervlaktedeel van een PCB ligt een transmissie genaamd Microstrip. Het is gemakkelijker om het te maken en ook goedkoper om te produceren. Vanwege de kwetsbare plaatsing is het gevoelig voor interferenties van andere entiteiten in de omgeving. Microstrips zijn geschikter voor lagere werkfrequenties die niet erg gevoelig zijn.

Striplijn

Een stripline bevindt zich tussen twee lagen van de printplaat en is daardoor zeer goed bestand tegen elektromagnetische interferentie. Dit maakt hem bijzonder geschikt voor toepassingen met hoge doorvoertijden en hoge snelheden die een hoge signaalintegriteit vereisen. De stripline zorgt voor een constante impedantie en minimaliseert signaalverlies. Striplines zijn echter wel iets duurder en complexer om te produceren.

Hoe kiest u de juiste laagconfiguratie bij het ontwerpen van PCB's?

Het selecteren van de juiste lagenstapel en signaalintegriteit, frequentie en bordcomplexiteit zijn de belangrijkste factoren bij het selecteren van de lagenconfiguratie. Microstrips zijn geschikt voor laagfrequente circuits en circuits met een gemiddelde complexiteit. Begraven tussen de striplines zijn ze perfect voor hoogfrequente bewerkingen, waarbij meer afscherming tegen de verstoring vereist is. Uw beslissing is gebaseerd op kosten, prestaties en ruimte. De kwestie van zorg hier is de noodzaak om een ​​logo te ontwerpen dat uw bedrijf of merk weerspiegelt, dus de keuze die u maakt, moet afhangen van uw specifieke behoefte.

Belangrijkste verschillen tussen microstrip en stripline

Microstrips worden op het oppervlak van de laag geplaatst, terwijl striplines binnen lagen worden geplaatst. Striplines geven verbeterde kracht op de afscherming en ook signaalkwaliteit op hoogfrequente ontwerpen.

Vergelijking op basis van structuur

Microstrips bevinden zich aan de buitenkant van de printplaat, waar ze blootgesteld zijn aan lucht en andere omstandigheden. Striplines maken deel uit van de lay-out van de printplaat en zijn horizontaal afgeschermd tussen twee aardingsvlakken geplaatst. Dit structurele verschil heeft invloed op de prestaties en interferentie die samenhangt met concurrerende processen. Microstrips vereisen minder fabricagetechnieken dan striplines, maar laatstgenoemde bieden een betere afscherming tegen ruis.

Vergelijking op basis van werkprincipe

Microstrips zorgen ervoor dat signalen door de lucht en het substraatdiëlektricum kunnen reizen en dit verhoogt de straling en mogelijk verlies. Striplines helpen signalen te isoleren tussen lagen van de printplaat, waardoor de afscherming wordt verbeterd en straling wordt geminimaliseerd. Striplines zijn dus nuttig in ontwerpen met hoge frequenties. Microstrips zijn echter eenvoudig te implementeren voor sommige van deze eenvoudigere toepassingen.

Lokatie

Microstrips bevinden zich op de buitenste laag van de printplaat en zijn daardoor gevoelig voor fysiek contact met andere objecten, waaronder de lucht. Striplines worden tussen de lagen geplaatst en zijn volledig omsloten door de massavlakken . Juist in dit opzicht heeft deze plaatsing invloed op de prestaties, met name bij hoge frequenties.

Vergelijking op basis van signaalintegriteit en afscherming

Microstrips zijn veel gevoeliger voor storingen uit de omgeving, omdat ze op het oppervlak zijn gemonteerd en de signaalintegriteit aantasten. OFDM-striplines zijn afgeschermd tussen de lagen van de printplaat, waardoor het signaal beter beschermd is tegen elektromagnetische velden. Striplines bieden ook een betere signaalintegriteit in vergelijking met microstrips, met name bij hoge frequenties die gevoelig zijn voor ruis.

Voordelen en nadelen van Stripline versus Microstrip

Net als in veel andere gevallen hebben zowel microstrips als striplines hun eigen specifieke voor- en nadelen bij het ontwerpen van printplaten . De keuze hangt dan ook af van de prestaties, de kosten en de complexiteit.

Toepassingen van Microstrip versus Stripline

Microstrips zijn geschikt voor laagfrequente, niet-gevoelige PCB's die niet veel afscherming nodig hebben. Striplines worden voornamelijk verwerkt in hogesnelheids- en hoogfrequente circuits waar zaken als signaalinterferenties als zeer essentieel worden beschouwd. Afhankelijk van het ontwerp en de toepassing van het apparaat.

De essentie van een microstriplijn in een printplaat

Een microstrip -lijn is een type transmissielijn dat zich op het buitenvlak van de printplaat bevindt. Deze lijn transporteert elektrische signalen en een deel van de structuur is blootgesteld aan de lucht, terwijl het andere deel op een diëlektrisch materiaal rust.

Voortplantingsmodi in microstriplijnen

Microstriplijnen zijn verantwoordelijk voor het overbrengen van signalen in een Transversale Elektromagnetische modus. Er zijn zowel elektrische als magnetische velden aanwezig, maar niet alle velden zijn transversaal. De velden reizen gedeeltelijk door het diëlektrische substraat en ook gedeeltelijk door de omringende lucht. Het gebruik van dual-medium propagatie heeft invloed op de snelheid waarmee het zich voortplant en de zuiverheid van het signaal. De quasi-TEM-modus veroorzaakt signaalstraling die een bedreiging voor interferentie kan vormen. Het heeft een hoog interferentieniveau, waardoor het geschikt is voor toepassingen met een lage frequentie van bewerkingen.

Effectieve diëlektrische constante in microstrips

Een andere belangrijke factor bij microstrip-lijnen is de diëlektrische constante van het materiaal. Bij bestaande microstrip-lijnen is ook het materiaal boven de printplaat (PCB) hierbij inbegrepen. Omdat een deel van het elektromagnetische veld zich in de omringende lucht van het substraat bevindt en de diëlektrische constante van lucht kleiner is dan die van het substraat, zal ϵeff lager zijn dan de diëlektrische constante van het substraat. Dit beïnvloedt de propagatie en de bijbehorende impedantie bij een bepaalde frequentie van het signaal. Dit betekent dat naarmate ϵeff lager wordt, het systeem signalen sneller kan verzenden. Dit leidt echter ook tot een toename van de signaalstraling en -verliezen, en de afmetingen van de microstrip beperken bovendien het elektrisch vermogen dat door de lijn kan worden geleid. Bepaalde ontwerpoverwegingen maken het mogelijk om ϵeff te verhogen voor betere prestaties.

Impedantiekarakteristiek van Microstrip Line

De karakteristieke impedantie van de microstriplijn hangt af van de breedte van de geleider, de hoogte boven het diëlektricum en de effectieve diëlektrische constante. Het verklaart de impedantie voor de signalen om erdoorheen te gaan. Juiste controle van de impedantie bepaalt de kwaliteit van het signaal terwijl de reflecties ook tot minimale niveaus worden beperkt.

Capaciteit van microstriplijnen

De capaciteit in microstrip-lijnen bevindt zich tussen de signaalgeleider en het aardvlak. Deze capaciteit is afhankelijk van de eigenschappen van het gebruikte diëlektrische materiaal en de afstand tussen de geleider en de aarde. Signalen kunnen ook vertraagd worden doordat energie wordt opgeslagen in capaciteitsniveaus die hoger zijn dan nodig. Dit betekent dat de capaciteit zodanig ontworpen moet worden dat deze in balans is, met als doel een maximale signaaloverdracht te realiseren. Capaciteit is een andere parameter waarvan het beheer van cruciaal belang is bij het ontwerpen van hoogfrequente circuits.

Vertragingsconstante in microstriplijnen

De vertragingsconstante van een microstriplijn wordt gedefinieerd als de tijd die het signaal nodig heeft om door de microstriplijn te reizen. Er is dus alles afhankelijk van de diëlektrische constante van het substraat waarop het wordt toegepast, evenals de fysieke afmetingen van de lijn. Als gevolg hiervan is er een langzame signaaloverdracht voor een hoge diëlektrische constante, terwijl er voor een lage diëlektrische constante altijd een snelle signaaloverdracht is. De duty cycle is zeer cruciaal bij het beïnvloeden van de timing en synchronisatie van algehele signalen in de meeste PCB-ontwerpen. Effectief signaalontwerp laat geen vertraging achter in het signaal en biedt de beste prestaties voor elk signaal.

Verliezen in microstriplijnen

De belangrijkste bronnen van verliezen in microstriplijnen zijn geleiderverlies, diëlektrisch verlies en stralingsverlies. Veel van deze verliezen verminderen het signaalvermogen en de signaalkwaliteit, vooral bij hogere frequenties. Dergelijke signaalpaden vereisen het minimaliseren van verliezen om de signaalintegriteit te behouden, zoals gebruikelijk is bij ontwerpen met hoge snelheid.

Hoe kunnen verliezen in microstriplijnen worden beperkt?

Om verliezen in microstrip-lijnen te minimaliseren, is het daarom mogelijk om diëlektrische materialen met lage verliezen en gladdere koperoppervlakken te gebruiken . Men constateerde ook dat met een toename van de spoorbreedte de geleiderweerstand afneemt. Dit impliceert dat de diëlektrische dikte geminimaliseerd moet worden en dat het gebruik van zwevende microstrip-configuraties de diëlektrische verliezen kan minimaliseren. Om de effecten van straling te verminderen, moeten de golven op de juiste manier geaard en afgeschermd worden. Dergelijke overwegingen maken het mogelijk om de signaalintegriteit te behouden en tegelijkertijd verliezen te minimaliseren.

Wat is een stripline op een printplaat?

Een stripline is een transmissielijn die zich tussen twee grondvlakken in de diëlektrische plaat van een PCB bevindt. Ze bieden een uitstekende signaalafscherming en isolatie van externe interferenties. Striplines zijn zeer geschikt voor hoogfrequente toepassingen waarbij signaalkwaliteit en interferentie van groot belang zijn.

Karakteristieke impedantie van een striplijn

Voor het geval van stripline wordt de karakteristieke impedantie bepaald door de breedte van de geleider, de afstand tussen de grondvlakken en het gebruikte diëlektrische materiaal. Vergeleken met microstrips bieden striplines een verbeterde controle over de impedantie vanwege het behoud van een volledig omsloten vorm. Daarom is er behoefte aan het handhaven van het juiste impedantieniveau om signaalinterferentie te minimaliseren, met name bij hogesnelheidssignalen.

Capaciteit van striplines

Shuntcapaciteit in stripline wordt ontwikkeld tussen de signaaldragende strip en de omsluitende grondvlakken. Het hangt af van het gebruikte diëlektricummateriaal en de afstand tussen de geleider en de grond. Dit betekent dat de toename in capaciteit de transmissie langzamer maakt en de opgeslagen energie vergroot. Capaciteit, met name voor hogesnelheidsontwerpen, moet effectief worden beheerd. Bij het juiste ontwerp van de stripline moet men garanderen dat de capaciteiten gelijk zijn gemaakt om de beste transmissie te bewerkstelligen.

Vertragingsconstante van striplines

De vertragingsconstante die bij striplijnen hoort, heeft betrekking op de tijd die het signaal nodig heeft om door de betreffende lijn te gaan. Deze is afhankelijk van de diëlektrische constante en de fysieke afmetingen van de striplijn. Bij een hogere diëlektrische constante is er weinig energieoverdracht in een bepaald medium, wat betekent dat de signaalsnelheid aanzienlijk lager zal zijn. Omdat striplijnen gesloten structuren zijn, vertonen ze doorgaans minder variabele vertragingsconstanten dan microstrips. Dit maakt een betere coördinatie en synchronisatie mogelijk, met name in meerlaagse of meerfasige printplaten.

Overwegingen bij het striplijnontwerp

Bij het ontwerpen van striplines zijn er vaak veel keuzes voor het diëlektrische materiaal en worden beslissingen genomen zoals de afmetingen van de geleiders. Zowel de beheersing van de bronimpedantie als de toepassing van afscherming zijn belangrijk. Adequate impedantiebeheersing en afscherming moeten worden gerealiseerd. Meerlaagse oplossingen kunnen de prestaties van organisatiestrategieën verbeteren, maar brengen nieuwe uitdagingen en kosten met zich mee.

Voordelen van stripline-opstelling

Uit bovenstaande beschrijving blijkt dat striplines een betere afscherming bieden tegen elektromagnetische interferentie, omdat ze tussen twee aardingsvlakken zijn ingeklemd. Deze opstelling zorgt voor een betere signaalkwaliteit en minimaliseert stralingsverliezen. Striplines zijn geschikt voor toepassingen met een hoge werkfrequentie en een lage ruisimmuniteit. Ze bieden ook een goede impedantiecontrole, wat vooral belangrijk is bij snelle striplines die in hoogfrequente circuits worden gebruikt.

Beperkingen van de stripline-opstelling

Striplines zijn mogelijk complexer en duurder om te ontwikkelen en te produceren dan de meeste andere transmissielijnen. De meeste worden met nauwe toleranties in de structuur geïntegreerd, wat een hogere ontwerpintensiteit van de fabricage- en assemblageprocessen met zich meebrengt . Bovendien nemen ze door hun meerlaagse structuur meer ruimte in beslag op de printplaat in vergelijking met een enkellaagse printplaat.

Impedantiecontrole in microstrip versus stripline

Controle van signaalimpedantie is van groot belang bij het ondersteunen van signaalintegriteit in microstrip- en stripline-ontwerpen. Microstrips vormen uitdagingen met impedantie, omdat een deel van de structuur is blootgesteld en daarom goed ontworpen moet worden. De striplines bieden bovendien betere controle over de impedantie vanwege hun omsloten formatie, die de neiging heeft om signaalreflecties en -verliezen tegelijkertijd te minimaliseren.

Routingtechnieken met behulp van microstrip versus stripline

Microstrip routing betekent de routing van die strips die zich op het oppervlak van het diëlektricum en in de lucht bevinden en daarom zijn de impedantiecontrole en interferentiecontrole het moeilijkst. Wat betreft de routingtechniek, Stripline routing met sporen tussen grondvlakken biedt betere afscherming en minimaal signaalverlies.

Microstrip-routeringstechnieken

Microstrip routing houdt in dat de sporen op het buitenste oppervlak van de PCB worden geplaatst met de bovenkant in de lucht en volledig gevoelig voor elke vorm van interferentie. Enkele van de praktijken omvatten brede sporen om de weerstand die ertussen speelt te minimaliseren en consistente afstand van de sporen. Drie van de meest bruikbare aardingstechnieken omvatten; het gebruik van goede aardingspraktijken om signaalverlies en overspraak te verminderen. Het gebruik van de juiste routing betekent dat betrouwbaarheid kan worden bereikt in minder relevante toepassingen die buiten controle zijn.

Stripline-routeringstechnieken

Stripline routing is een van de grootste routingtechnieken waarbij sporen tussen twee grondvlakken van de PCB worden geplaatst. Een dergelijke omhulde configuratie minimaliseert zowel elektromagnetische interferentie als signaalverlies. Enkele van deze methoden omvatten de juiste positionering van de lagen en het vaststellen van de juiste afstanden tussen de sporen en de grondvlakken. Striplines worden gebruikt waar ontwerpen met hogere frequenties nodig zijn en waar de signalen met de minste ruis moeten worden verzonden.

Stripline vs. Microstrip – De juiste keuze maken

Selectie tussen stripline en microstrip hangt af van de ontwerpmogelijkheden in een specifieke situatie. Microstrips hebben de voorkeur in toepassingen met een laag vermogen, eenvoudige toepassingen en lage frequenties vanwege hun gemakkelijke fabricage en relatief goedkopere prijs. Ze zijn echter ook kwetsbaarder voor elektromagnetische interferentie-effecten, en dus ook voor de signaalkwaliteit. Striplines bevinden zich tussen twee grondvlakken en bieden daarom een ​​betere afscherming dan de microstriplijn en zijn geschikter voor toepassingen bij hoge frequenties met zeer weinig ruis. Ze bieden ook een betere controle over het impedantieniveau in vergelijking met de hybride variant. Dit houdt in dat u, als u besluit dit systeem voor uw project te gebruiken, rekening moet houden met factoren zoals projectcomplexiteit en tegelijkertijd de kosten in evenwicht moet brengen die worden gemaakt bij het gebruik van het systeem met de benodigde prestaties voor uw project.

Veelgestelde vragen over Stripline versus Microstrip

Kun je striplines en microstrips in hetzelfde circuit gebruiken?

Ja. Door beide te gebruiken ontstaat er ontwerpvrijheid die de optimalisatie van verschillende signalen en hun frequenties mogelijk maakt. Microstrips zijn geschikt voor toepassingen van oppervlaktesignalen, terwijl striplijnen meer omsloten zijn en de voorkeur hebben voor belangrijke, hoogfrequente signalen. Het gebruik van deze hybride aanpak verbetert de algehele prestatie van het circuit.

Conclusie

Over het algemeen hangt de keuze tussen stripline en microstrip af van de ontwerpfrequentie en andere prestatieoverwegingen die inherent zijn aan het ontwerp. Striplines hebben betere prestaties in hoge frequentie- en ruisomgevingen, terwijl microstrips worden gebruikt voor relatief eenvoudige ontwerpen. Elk heeft zijn relatieve verdiensten en daarom moet men sterk rekening houden met het type project waar men bij betrokken is. Het dient als de manier om de juiste keuze te maken die leidt tot een verbeterde efficiëntie en betrouwbaarheid van de PCB.