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	Note d'Application N° 125 Calcul des impédances différentielles et coplanaires avec le FR4

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Comment la structure composite du FR4 influence-t-elle la valeur de l'impédance ? Le FR4 est un matériau composite auquel on attribue généralement une constante diélectrique de 4.2. Dans la plupart des cas, c'est une bonne approximation, cependant les recherches pour prédire les impédances des structures différentielles à couplage latéral et coplanaire montrent que les meilleures résultats sont obtenus en tenant compte de la structure composite du matériau. Les deux principaux constituants du FR4 sont le verre avec un Er de 6 environ et la résine avec un Er de 3. Les fabricants spécifient une constante diélectrique autour de 4,2.
	La figure de gauche représente la distribution du champ électrique dans une structure Microstrip différentielle à couplage latéral. Les courbes en pics étroits s'appliquent à des pistes rapprochées tandis que les courbes plus évasées correspondent à un écartement entre pistes qui augmente. La structure de ces pistes différentielles apparaît sous la courbe et a été décalée de 90° pour mieux visualiser la répartition du champ. La courbe en rouge indique un champ important entre les pistes et presqu'aucunes lignes de forces au niveau du plan de masse Si l'on regarde maintenant la courbe jaune, cela représente une paire différentielle très écartée et le champ électrique se répartit régulièrement entre pistes et plan de masse. Il faut se souvenir que les plaques de FR4 sont constituées de couches de matériaux core et prepreg. Si une couche de fibre de verre est proche de la surface et si les pistes sont rapprochés (courbe en rouge du graphe), le champ électrique "verra" un Er plus proche du verre que celui de la résine. Dans les couches internes, l'espace entre pistes sera plutôt rempli de résine et la constante Er sera plus basse. L'importance de l'écart de Er dépendra de l'empilage du circuit, de votre fournisseur de circuits imprimés et de son procédé de fabrication. Pour être efficace, vous devez travailler étroitement avec le fabricant de circuits imprimés et tenir compte de la nature composite du stratifié qui n'est pas une structure "parfaite".
La courbe sur la droite a été obtenu à partir de données collectées dans le cadre de la vérification du calculateur d'impédances par résolution de champ Polar Si6000. La distribution globale d'erreur suit une courbe normale, mais l'analyse de 3 pics montrent que les erreurs proviennent des matériaux décrits ci-dessus. Les données proviennent de 1200 échantillons, de 3 fabricants différents Les impédances ont été vérifiées avec des lignes à air, rattachées aux étalons nationaux
Considération sur la vitesse de propagation Si le temps de propagation est critique, se souvenir que : Vp = C/ racine carrée d'Er Les variations de l'Er effectif altèrent la vitesse de propagation et peuvent être pris en compte, en plus de l'impédance, lors de conceptions critiques.
En résumé, vous devez prendre en compte les propriétés imparfaites des substrats FR4, en particulier lors de l'impédance des lignes différentielles à couplage latéral et les lignes coplanaires. C'est le travail en étroite collaboration entre concepteurs de circuits et fabricants qui permet d'obtenir les meilleures résultats.
Source : Calcul de lignes à impédance différentielle sur du FR4 Dr J. Alan Staniforth, Gary Rich, Chris Gregg


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