Stripline vs Microstrip : différences de conception et d'intégrité du signal

Introduction

Il est nécessaire de connaître la différence entre les lignes à ruban et les microrubans pour concevoir des circuits imprimés efficaces. Ces deux lignes de transmission paramétriques présentent les particularités suivantes en fonction de l'application. Les lignes à ruban offrent un blindage supérieur aux microrubans, tandis que les microrubans sont moins chers et moins complexes à concevoir. Il a été établi que le choix du bon modèle assurera l'intégrité du signal.

Microstrip vs. Stripline et leurs configurations

Ces deux lignes de transmission différentes sont principalement utilisées dans la conception de circuits imprimés. Chacune d'entre elles possède sa propre configuration pour répondre aux exigences particulières d'intégrité du signal.

Microruban

Sur la partie superficielle d'un PCB se trouve une transmission appelée Microstrip. Elle est plus facile à créer et moins coûteuse à produire. En raison de son emplacement vulnérable, elle est sujette aux interférences d'autres entités environnantes. Les Microstrips sont plus adaptés aux fréquences de fonctionnement plus basses qui ne sont pas très sensibles.

Ligne de strip-tease

Une ligne microruban est placée entre deux couches du circuit imprimé, ce qui la protège efficacement des interférences électromagnétiques. Elle est donc particulièrement adaptée aux applications à haute fréquence et à temps de réponse élevés exigeant une intégrité du signal optimale. Son impédance reste constante , minimisant ainsi les pertes de signal. En revanche, les lignes microruban sont légèrement plus coûteuses et leur fabrication est plus complexe.

Comment choisir la bonne configuration de couches dans la conception de circuits imprimés

Le choix de la pile de couches appropriée, de l'intégrité du signal, de la fréquence et de la complexité de la carte sont les facteurs clés dans le choix de la configuration des couches. Les microrubans conviennent aux circuits basse fréquence et aux circuits de complexité moyenne. Enfouis entre les lignes à ruban, ils sont parfaits pour les opérations à haute fréquence, où une meilleure protection contre les perturbations est nécessaire. Votre décision est basée sur le coût, les performances et l'espace. Le point important ici est la nécessité de concevoir un logo qui reflète votre entreprise ou votre marque, le choix que vous faites doit donc dépendre de vos besoins spécifiques.

Différences clés entre Microstrip et Stripline

Les microrubans sont placés à la surface de la couche tandis que les lignes à ruban sont placées à l'intérieur des couches. Les lignes à ruban améliorent la puissance du blindage et également la qualité du signal sur les conceptions haute fréquence.

Comparaison basée sur la structure

Les microbandes sont externes au circuit imprimé et situées sur sa face externe, où elles sont exposées à l'air et aux agressions extérieures. Les lignes de transmission, quant à elles, font partie intégrante du circuit imprimé et sont placées horizontalement, protégées par un blindage entre deux plans de masse. Cette différence structurelle influe sur les performances et les interférences liées aux processus concurrents. Les microbandes nécessitent moins de techniques de fabrication que les lignes de transmission, mais ces dernières offrent une meilleure protection contre le bruit.

Comparaison basée sur le principe de fonctionnement

Les microrubans permettent aux signaux de circuler dans l'air et dans le diélectrique du substrat, ce qui augmente le rayonnement et les pertes possibles. Les lignes à ruban aident à isoler les signaux entre les couches du circuit imprimé, améliorant ainsi le blindage et minimisant le rayonnement. Les lignes à ruban sont donc utiles dans les conceptions à haute fréquence. Les microrubans sont cependant faciles à mettre en œuvre pour certaines de ces applications plus simples.

Lieu

Les microbandes sont situées sur la couche externe du circuit imprimé et sont donc susceptibles d'être en contact physique avec d'autres objets, y compris l'air. Les lignes striplines sont placées entre les couches et sont entièrement entourées par les plans de masse . C'est à cet égard que leur emplacement influe sur les performances, notamment en haute fréquence.

Comparaison basée sur l'intégrité du signal et le blindage

Les lignes microruban sont beaucoup plus sensibles aux interférences extérieures, car elles sont montées en surface et affectent l'intégrité du signal. En OFDM, toutes les lignes de transmission à champ de fuite sont blindées entre les couches des circuits imprimés, ce qui renforce la protection du signal contre les champs électromagnétiques. Les lignes de transmission offrent également une meilleure intégrité du signal que les lignes microruban, notamment à haute fréquence, où le bruit est fréquent.

Avantages et inconvénients des lignes à bande par rapport aux lignes à microbande

Comme souvent, les microbandes et les lignes de transmission présentent chacune leurs avantages et leurs inconvénients en matière de conception de circuits imprimés . Le choix final dépendra donc des performances, du coût et de la complexité recherchés.

Applications de Microstrip vs Stripline

Les microrubans conviennent aux circuits imprimés basse fréquence et non sensibles qui ne nécessitent pas beaucoup de blindage. Les microrubans sont principalement intégrés dans les circuits à haute vitesse et haute fréquence où des problèmes tels que les interférences de signaux sont considérés comme très essentiels. Cela dépend de la conception et de l'application de l'appareil.

L'essence d'une ligne microruban dans un PCB

Une ligne microruban est un type de ligne de transmission située sur le plan externe du circuit imprimé. Elle transporte des signaux électriques ; une partie de sa structure est exposée à l’air tandis que l’autre partie repose sur un matériau diélectrique.

Modes de propagation dans les lignes microruban

Les lignes microrubans sont responsables du transfert des signaux en mode électromagnétique transversal. Des champs électriques et magnétiques sont présents, mais ils ne sont pas tous transversaux. Les champs se déplacent en partie à travers le substrat diélectrique et en partie à travers l'air environnant. L'utilisation d'une propagation à double milieu a un impact sur la vitesse de propagation et la pureté du signal. Le mode quasi-TEM donne lieu à un rayonnement de signal qui peut constituer une menace d'interférence. Il présente des niveaux d'interférence élevés, ce qui le rend adapté aux applications à faible fréquence de fonctionnement.

Constante diélectrique effective dans les microrubans

Un autre facteur important pour les lignes microruban est la constante diélectrique du matériau. Pour les lignes microruban existantes, ce matériau est également pris en compte lorsqu'il recouvre le circuit imprimé. Une partie du champ électromagnétique se propageant dans l'air ambiant, et la constante diélectrique de l'air étant inférieure à celle du substrat, la permittivité relative (εeff) est inférieure à celle du substrat. Ceci influence la propagation du signal ainsi que l'impédance associée à une fréquence donnée. Ainsi, plus εeff est faible, plus le système peut transmettre des signaux rapidement. Cependant, cela entraîne également une augmentation du rayonnement et des pertes du signal, et la taille de la microruban limite la puissance électrique admissible. Certaines optimisations de conception permettent d'améliorer εeff et, par conséquent, les performances.

Caractéristiques d'impédance de la ligne microruban

L'impédance caractéristique de la ligne microruban dépend de la largeur du conducteur, de la hauteur au-dessus du diélectrique et de la constante diélectrique effective. Elle explique l'impédance à laquelle les signaux la traversent. Un contrôle approprié de l'impédance détermine la qualité du signal tandis que les réflexions sont également maintenues à des niveaux minimaux.

Capacité des lignes microruban

La capacité des lignes microruban se situe entre la piste conductrice du signal et le plan de masse. Elle dépend des propriétés du matériau diélectrique utilisé et de la distance entre le conducteur et la masse. Un ralentissement du signal peut survenir lorsque l'énergie est stockée à des niveaux de capacité supérieurs aux besoins. Il est donc essentiel de dimensionner la capacité de manière à optimiser son équilibrage afin de maximiser le transfert du signal. La gestion de la capacité est un paramètre primordial lors de la conception de circuits haute fréquence.

Constante de retard dans les lignes microruban

La constante de retard d'une ligne microruban est définie comme le temps que met le signal à parcourir la ligne microruban. Tout dépend donc de la constante diélectrique du substrat sur lequel il sera appliqué ainsi que des dimensions physiques de la ligne. Par conséquent, la transmission du signal est lente pour une constante diélectrique élevée tandis que pour une constante diélectrique faible, la transmission du signal est toujours rapide. Le cycle de service est très important pour influencer la synchronisation et la synchronisation des signaux globaux dans la plupart des conceptions de circuits imprimés. Une conception de signal efficace ne laisse aucun retard au signal et offre les meilleures performances pour n'importe quel signal.

Pertes dans les lignes microruban

Les principales sources de pertes dans les lignes microrubans sont les pertes de conducteur, les pertes diélectriques et les pertes par rayonnement. Bon nombre de ces pertes réduisent la puissance et la qualité du signal, en particulier à des fréquences plus élevées. Ces chemins de signal nécessitent de minimiser les pertes pour préserver l'intégrité du signal, comme c'est souvent le cas dans les conceptions à grande vitesse.

Comment réduire les pertes dans les lignes microruban ?

Afin de minimiser les pertes dans les lignes microruban, il est possible d'utiliser des matériaux diélectriques à faibles pertes et des surfaces de cuivre plus lisses . Il a également été observé qu'une augmentation de la largeur de la piste entraîne une diminution de la résistance du conducteur. Cela implique que l'épaisseur du diélectrique doit être minimisée et que l'utilisation de configurations microruban suspendues peut contribuer à réduire les pertes diélectriques. Pour atténuer les effets du rayonnement, il est nécessaire de mettre à la terre et de blinder correctement les ondes. Ces précautions permettent de préserver l'intégrité du signal tout en minimisant les pertes.

Qu'est-ce qu'une Stripline dans un PCB ?

Une stripline est une ligne de transmission qui se trouve entre deux plans de masse dans la plaque diélectrique d'un PCB. Elles offrent un excellent blindage du signal et une isolation contre les interférences externes. Les striplines sont particulièrement adaptées aux applications haute fréquence où la qualité du signal et les interférences sont d'une grande importance.

Impédance caractéristique d'une ligne à ruban

Dans le cas des lignes à ruban, l'impédance caractéristique est déterminée par la largeur du conducteur, l'espacement entre les plans de masse et le matériau diélectrique utilisé. Par rapport aux microrubans, les lignes à ruban offrent un meilleur contrôle de l'impédance en raison de la conservation d'une forme entièrement fermée. Il est donc nécessaire de maintenir le bon niveau d'impédance afin de minimiser les interférences de signal, en particulier dans les signaux à haut débit.

Capacité des lignes à ruban

La capacité de dérivation dans une ligne à ruban se développe entre la bande transporteuse de signaux et les plans de masse qui l'entourent. Elle dépend du matériau diélectrique utilisé et de la distance entre le conducteur et la terre. Cela signifie que l'augmentation de la capacité ralentit la transmission et augmente l'énergie stockée. La capacité, en particulier pour les conceptions à grande vitesse, doit être gérée efficacement. Lors de la conception appropriée de la ligne à ruban, il faut garantir que les capacités sont égales afin d'obtenir la meilleure transmission.

Constante de retard des lignes à bande

La constante de retard associée aux lignes microruban correspond au temps nécessaire au signal pour parcourir la ligne. Elle est fonction de la constante diélectrique et des dimensions physiques de la ligne. Plus la constante diélectrique est élevée, plus la transmission d'énergie est faible dans un milieu donné, ce qui entraîne une vitesse de signal considérablement réduite. Les lignes microruban étant des structures encapsulées, leurs constantes de retard sont généralement plus stables que celles des lignes à microbandes. Ceci permet une meilleure coordination et synchronisation, notamment dans les circuits imprimés multicouches ou multiphases.

Considérations relatives à la conception de lignes à ruban

Le choix du matériau diélectrique est souvent vaste , et des décisions telles que les dimensions du conducteur sont prises lors de la conception d'une ligne à ruban. La maîtrise de l'impédance de la source et l'intégration d'un blindage sont essentielles. Un contrôle d'impédance et un blindage adéquats doivent être assurés. Les solutions multicouches peuvent améliorer les performances des stratégies organisationnelles, mais elles engendrent de nouveaux défis et des coûts supplémentaires.

Avantages de la configuration Stripline

D'après la description ci-dessus, les lignes microruban offrent un meilleur blindage contre les interférences électromagnétiques grâce à leur insertion entre deux plans de masse. Cette configuration garantit une meilleure qualité de signal et minimise les pertes par rayonnement. Les lignes microruban sont particulièrement adaptées aux applications à haute fréquence de fonctionnement et à faible immunité au bruit. Elles offrent également un bon contrôle d'impédance, un atout essentiel pour les lignes microruban haute vitesse utilisées dans les circuits haute fréquence.

Limitations de l'agencement des lignes à ruban

Les lignes de transmission à ruban peuvent être plus complexes et plus coûteuses à développer et à produire que la plupart des autres lignes de transmission. La plupart d'entre elles sont intégrées à la structure avec des tolérances serrées, ce qui implique une conception plus poussée des processus de fabrication et d'assemblage . De plus, leur structure multicouche leur confère une surface plus importante sur le circuit imprimé qu'un circuit imprimé monocouche.

Contrôle d'impédance en microruban et en ligne à ruban

Le contrôle de l'impédance du signal est essentiel pour garantir l'intégrité du signal dans les conceptions de microrubans et de lignes à ruban. Les microrubans posent des problèmes d'impédance car une partie de la structure est exposée et doit donc être bien conçue. Les lignes à ruban offrent en outre un meilleur contrôle de l'impédance en raison de leur formation fermée qui tend à minimiser les réflexions et les pertes de signal en même temps.

Techniques de routage utilisant Microstrip ou Stripline

Le routage microruban signifie le routage des bandes qui se trouvent à la surface du diélectrique et dans l'air et par conséquent le contrôle de l'impédance et le contrôle des interférences sont les plus difficiles. En ce qui concerne la technique de routage, le routage Stripline avec des traces entre les plans de masse offre un meilleur blindage ainsi qu'une perte de signal minimale.

Techniques de routage microruban

Le routage microruban consiste à placer les pistes sur la surface extérieure du PCB avec la face supérieure en l'air et complètement sensible à toute forme d'interférence. Certaines pratiques incluent des pistes larges pour minimiser la résistance qui joue entre elles et un espacement cohérent des pistes. Trois des techniques de mise à la terre les plus utiles comprennent l'utilisation de bonnes pratiques de mise à la terre pour réduire la perte de signal et la diaphonie. L'utilisation d'un routage approprié signifie que la fiabilité peut être obtenue dans des applications moins pertinentes hors de contrôle.

Techniques de routage de striplines

Le routage par lignes à ruban est l'une des techniques de routage les plus répandues, dans lesquelles les pistes sont placées entre deux plans de masse du PCB. Une telle configuration encastrée minimise à la fois les interférences électromagnétiques et la perte de signal. Certaines de ces méthodes incluent le positionnement correct des couches et l'établissement d'écarts de distances corrects entre les pistes et les plans de masse. Les lignes à ruban sont utilisées lorsque des conceptions avec des fréquences plus élevées sont nécessaires et lorsque les signaux doivent être transmis avec le moins de bruit possible.

Stripline ou microstrip : faire le bon choix

Le choix entre les lignes à ruban et les lignes microrubans dépend des possibilités de conception dans une situation spécifique. Les lignes microrubans sont préférées dans les applications à faible puissance, simples et à basse fréquence en raison de leur facilité de fabrication et de leur prix relativement moins élevé. Cependant, elles sont encore plus vulnérables aux effets des interférences électromagnétiques, et donc à la qualité du signal. Les lignes à ruban sont situées entre deux plans de masse et offrent donc un meilleur blindage que la ligne microruban et sont plus adaptées aux applications à hautes fréquences avec un bruit très faible. Elles permettent également un meilleur contrôle du niveau d'impédance par rapport à la variété hybride. Cela implique que si vous décidez d'utiliser ce système pour votre projet, tenez compte de facteurs tels que la complexité du projet tout en équilibrant le coût encouru lors de l'utilisation du système avec les performances requises pour votre projet.

Questions fréquemment posées sur Stripline vs. Microstrip

Pouvez-vous utiliser des striplines et des microstrips dans le même circuit ?

Oui. L'utilisation des deux donne une liberté de conception qui permet l'optimisation de différents signaux et de leurs fréquences. Les microrubans conviennent aux applications de signaux de surface tandis que les lignes à ruban sont plus fermées et préférées pour les signaux importants à haute fréquence. L'utilisation de cette approche hybride améliore les performances du circuit.

Conclusion

En règle générale, le choix entre les lignes à ruban et les microrubans dépend de la fréquence de conception et d'autres considérations de performances inhérentes à la conception. Les lignes à ruban ont de meilleures performances dans les environnements à haute fréquence et à bruit, tandis que les microrubans sont utilisés pour des conceptions relativement simples. Chacun a ses mérites relatifs et il faut donc tenir compte du type de projet dans lequel on est impliqué. C'est le moyen de faire le bon choix qui conduit à une efficacité et une fiabilité améliorées du PCB.