Перейти к содержанию

Задержка в дорожке печатной платы и выравнивание длин

Задайте материал платы и тип линии — калькулятор найдёт эффективную диэлектрическую проницаемость, скорость сигнала и задержку на миллиметр, а по длинам двух дорожек — перекос между ними. Если известен допустимый перекос из даташита или стандарта интерфейса, он посчитает, насколько могут различаться длины.

Исходные данные

Тип линии

Из паспорта материала или у изготовителя платы

мм
мм
мкм

35 мкм — 1 унция

мм
мм

Пусто — одна дорожка

пс

Из даташита приёмника или стандарта интерфейса; пусто — не учитывать

Результат

Задержка на единицу длины
5,841 пс/мм
148,4 пс/дюйм; √εэфф / c
Эффективная проницаемость εэфф
3,066модель Хаммерстада и Йенсена, как в калькуляторе микрополоска
Скорость сигнала
171,2 мм/нс0,571 от скорости света
Задержка первой дорожки
292,1 пс
Задержка второй дорожки
303,7 пс
Перекос
11,68 псразница длин 2 мм
Допустимая разница длин
1,71 мм67,4 mil при перекосе 10 пс

Расчёт выполнен по формулам и данным из источников, приведённых на этой странице, и не заменяет проверку: параметры компонентов у разных производителей и даже партий различаются. Перед применением сверяйте результат с документацией на конкретные детали.

Сигнал идёт по дорожке не мгновенно: со скоростью света в вакууме он прошёл бы 30 см за наносекунду, а в стеклотекстолите — примерно вдвое медленнее. Пока дорожка короткая, этой задержкой пренебрегают. Но в параллельных шинах и дифференциальных парах важна не сама задержка, а разница задержек — перекос: если один проводник пары длиннее другого, фронты приходят на приёмник в разное время. Калькулятор считает задержку на единицу длины и превращает разницу длин в перекос.

Скорость и задержка

Скорость сигнала в линии определяет эффективная диэлектрическая проницаемость εэфф:

v=cεэфф,tpd=εэффc,c=299 792 458 м/с.v = \frac{c}{\sqrt{\varepsilon_\text{эфф}}}, \qquad t_{pd} = \frac{\sqrt{\varepsilon_\text{эфф}}}{c}, \qquad c = 299\,792\,458\ \text{м/с}.

В полосковой линии — дорожке во внутреннем слое между двумя плоскостями — всё поле в диэлектрике, и εэфф = εr (TI SCAA082A, формула 1). В микрополоске — дорожке на наружном слое над плоскостью — часть поля проходит в воздухе, и εэфф лежит между 1 и εr: чем шире дорожка относительно толщины диэлектрика, тем больше поля в материале. Калькулятор находит её по модели Хаммерстада и Йенсена с поправкой на толщину меди — той же, что и калькулятор микрополоска.

Задержка для типовых материалов

Полосковая линия, задержка зависит только от εr:

εrДоля от cСкорость, мм/нсЗадержка, пс/ммпс/дюйм
3,00,577173,15,78146,7
3,50,535160,26,24158,5
4,00,500149,96,67169,5
4,30,482144,66,92175,7
4,60,466139,87,15181,7

TI в таблице 2 записки SCAA082A приводит для εr = 4,6 те же 0,466 и 139,8 мм/нс — 715,3 пс на 100 мм. Для микрополоска на том же материале, шириной 0,5 мм над слоем 1,5 мм, там же дано εэфф = 3,046 и 581,7 пс на 100 мм; модель калькулятора даёт 3,045. AN-905 National Semiconductor для полосковой линии с εr = 2,8 приводит 56 пс/см — по формуле выходит 55,8.

Проницаемость FR-4 зависит от марки материала, доли смолы и частоты; её берут из паспорта материала или у изготовителя платы, который знает свой стек слоёв. Как устроен стек и какие слои бывают полосковыми линиями, — в статье про стек слоёв.

Перекос и выравнивание длин

Разница длин ΔL превращается в перекос, а допустимый перекос — в допуск на длину:

Δt=tpd⋅ΔL,ΔLmax=Δtдопtpd.\Delta t = t_{pd} \cdot \Delta L, \qquad \Delta L_\text{max} = \frac{\Delta t_\text{доп}}{t_{pd}}.

Пример по умолчанию: микрополосок 0,3 мм над слоем 0,2 мм, εr = 4,3, εэфф = 3,066, задержка 5,84 пс/мм. Дорожки 50 и 52 мм расходятся на 11,7 пс; при бюджете 10 пс разница длин не должна превышать 1,71 мм.

Допустимый перекосεэфф = 3,0εэфф = 4,0εэфф = 4,6
5 пс0,87 мм0,75 мм0,70 мм
10 пс1,73 мм1,50 мм1,40 мм
50 пс8,65 мм7,49 мм6,99 мм

Допустимый перекос задаёт интерфейс: его берут из даташита приёмника, из спецификации шины или из руководства по разводке процессора. Это общий бюджет — в него входят и перекос выходов передатчика, и разъёмы, и кабель, — поэтому на дорожки обычно оставляют только часть.

Что ещё даёт перекос

  • Разные слои. Микрополосок быстрее полосковой линии, поэтому дорожки одной группы на разных слоях выравнивают по задержке, а не по длине. Калькулятор считает один тип линии за раз: переключите тип и сравните задержку на миллиметр для наружного и внутреннего слоя, а потом пересчитайте длины в задержки.
  • Переходные отверстия. Каждое переходное отверстие добавляет свою задержку; в парах число переходов у обоих проводников делают одинаковым (SPRAAR7J, разд. 3.9).
  • Стеклоткань. По SPRAAR7J у стекловолокна εr около 6, у смолы около 3; проводник пары, который идёт над нитью, медленнее соседа над смолой. TI предлагает повернуть рисунок платы или только трассы пар на 10–35° к ткани, вести пары зигзагом или заказать стеклоткань плотнее.
  • Где выравнивать. Змейку для выравнивания пары ставят как можно ближе к тому концу, где возникло рассогласование (SPRAAR7J, разд. 2.3).

Модель не учитывает дисперсию, паяльную маску над микрополоском и связь между витками змейки — они немного меняют задержку, и для гигабитных линий окончательную проверку делают в программе расчёта поля или по измерениям изготовителя. Волновое сопротивление линии считает калькулятор микрополоска, длину волны на заданной частоте — калькулятор частоты и длины волны.

Частые вопросы

Какая задержка сигнала в дорожке на FR-4?

Зависит от проницаемости материала и типа линии. Во внутреннем слое (полосковая линия) при εr = 4,3 сигнал идёт со скоростью 0,482 от скорости света — 6,92 пс/мм, или 176 пс/дюйм. На наружном слое часть поля проходит в воздухе, эффективная проницаемость меньше, и дорожка 0,3 мм над слоем 0,2 мм даёт около 5,84 пс/мм. Грубый ориентир — 6–7 пс на миллиметр.

Насколько можно рассогласовать длины дорожек?

Делят допустимый перекос на задержку на миллиметр. Если интерфейс допускает 10 пс между проводниками пары, а линия идёт во внутреннем слое с εr = 4,3, разница длин не должна превышать 10 / 6,92 ≈ 1,45 мм. Сам допустимый перекос берут из даташита приёмника или спецификации интерфейса — он часть общего бюджета вместе с перекосом передатчика, разъёмов и кабеля.

Почему сигнал на наружном слое быстрее, чем на внутреннем?

У полосковой линии всё поле в диэлектрике, и скорость определяет εr. У микрополоска часть поля проходит в воздухе с εr = 1, поэтому эффективная проницаемость меньше εr и сигнал быстрее: по таблице TI SCAA082A при εr = 4,6 микрополосок даёт 581,7 пс на 100 мм, а полосковая линия — 715,3 пс. Поэтому дорожки одной группы, проложенные по разным слоям, выравнивают по задержке, а не по длине.

Нужно ли выравнивать длины на низких скоростях?

Задержка в 6–7 пс/мм важна, когда перекос сравним с длительностью бита или фронта: у DDR, USB, HDMI, PCIe, LVDS. Для I²C, UART или SPI на единицах мегагерц разница в сантиметры даёт десятки пикосекунд — на фоне сотен наносекунд бита это ничто.

Источники

  1. Texas Instruments. SCAA082A: High-Speed Layout Guidelines, 2006, rev. 2017 — разд. 1.3.1, формула 1 — скорость в полосковой линии 3·10⁸/√εr м/с, в микрополоске нужна эффективная проницаемость; табл. 2 — εr = 4,6, длина 100 мм: микрополосок 0,5 мм на 1,5 мм — εэфф 3,046, 0,573 c, 581,7 пс; 1 мм — 3,165, 593,1 пс; полосковая линия — 0,466 c, 139,8 мм/нс, 715,3 пс
  2. National Semiconductor (Texas Instruments). SNLA035: AN-905 Transmission Line RAPIDESIGNER Operation and Applications Guide — раздел «Intrinsic Delay»: полосковая линия с εr = 2,8 — 56 пс/см
  3. E. Hammerstad, Ø. Jensen. Accurate Models for Microstrip Computer-Aided Design. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, 1980, pp. 407–409 — квазистатическая модель микрополоска с поправкой на толщину меди — эффективная проницаемость εэфф; та же модель в калькуляторе микрополоска
  4. Texas Instruments. SPRAAR7J: High-Speed Interface Layout Guidelines, 2018, rev. 2023 — разд. 2.1 — у стекловолокна εr около 6, у эпоксидной смолы около 3, поэтому проводники пары над разными участками ткани получают перекос; поворот рисунка или трасс на 10–35°, зигзаг, плотная ткань; разд. 2.3 — длины пары выравнивают змейкой у того конца, где возникло рассогласование; разд. 3.9 — одинаковое число переходных отверстий

Где пригодится

Встроить калькулятор на свой сайт

Скопируйте код и вставьте его в HTML страницы, статьи или вики. Виджет бесплатный, без рекламы, счётчиков и cookie. Условие одно — ссылка на GAW под рамкой остаётся на месте. Подробнее о виджетах

<iframe src="https://gaw.ru/embed/trace-length-delay/" title="Задержка в дорожке печатной платы и выравнивание длин" width="100%" height="640" style="border:1px solid #e3e5e9;border-radius:8px" loading="lazy" allow="clipboard-write"></iframe>
<p style="margin:6px 0 0;font-size:14px">Калькулятор: <a href="https://gaw.ru/tools/trace-length-delay/">Задержка в дорожке печатной платы и выравнивание длин</a> — GAW.ru</p>
Автоподстройка высоты рамки

Если сайт разрешает скрипты, добавьте этот код один раз в любом месте страницы: рамка будет менять высоту вместе с результатом расчёта.

<script>window.addEventListener("message",function(e){if(e.origin!=="https://gaw.ru"||!e.data||e.data.type!=="gaw:embed-height")return;var f=document.querySelectorAll('iframe[src^="https://gaw.ru/embed/"]');for(var i=0;i<f.length;i++)if(f[i].contentWindow===e.source)f[i].style.height=e.data.height+"px"})</script>

Обновлено .

Нашли ошибку в расчёте?