Asymmetrische Streifenleitungen in Ihrer nächsten mehrlagigen Leiterplatte

Die Schönheit der Symmetrie in Kunst, Wissenschaft und Natur im Allgemeinen ist etwas Wunderbares. Das visuelle Gleichgewicht zwischen Elementen in einem Gemälde oder einer Zeichnung kann ein Kunstwerk machen oder brechen. PCB-Design ist genauso sehr Kunst wie es Ingenieurwesen ist, und Symmetrie spielt sowohl eine technische als auch eine ästhetische Rolle.

Seit ihren bescheidenen Anfängen als Ersatz für Hochfrequenz-Koaxialkabel und Wellenleiter sind Streifenleitungen ein fester Bestandteil unter Multi-Layer-RF- und HDI-PCB-Designern. Diese Leiter können eng in den inneren Schichten eines Mehrschicht-PCBs gepackt werden, wo das umgebende Dielektrikum Strahlung unterdrückt und Dispersion kompensiert. Danke Robert Barrett!

Symmetrische vs. asymmetrische Streifenleitungsanordnungen

Die symmetrische Streifenleitung ist die einfachste eingebettete Leiterbahnanordnung neben der eingebetteten Mikrostreifenleitung. Im Gegensatz zu Mikrostreifen- oder eingebetteten Mikrostreifenleitungen sitzen Streifenleitungen eingebettet in der PCB-Plattenschicht, mit festen Kupfererdungsebenen, die über und unter den Leitungen platziert sind. Innere Schichten in einem Mehrschicht-PCB enthalten typischerweise Streifenleitungen.

Da diese Leitungen zwischen Erdungsebenen eingebettet sind, haben sie eine besonders wünschenswerte EMI-Immunität, und andere Komponenten auf dem PCB werden gegen jegliche von den Streifenleitungen erzeugte EMI immun sein.

Im Gegensatz zu symmetrischen Streifenleitungen sind asymmetrische Streifenleitungen nicht zentral zwischen den Masseebenen eingebettet. Asymmetrische Streifenleitungen werden näher an eine der umgebenden Masseebenen platziert. Beim Verlegen von Signalen mit asymmetrischen Streifenleitungen sollte die nähere Masseebene als Referenz für die Streifenleitung verwendet werden, da dies sicherstellt, dass ein stärkeres Rücksignal in der Masseebene induziert wird.

In einer komplizierteren Anordnung können Streifenleitungen als gekoppeltes paralleles Paar von Leitern innerhalb einer einzigen Schicht angeordnet werden. Diese kanten-gekoppelte Anordnung platziert ein Paar von Leiterbahnen in derselben Schicht mit denselben Abständen zwischen den Masseebenen. Diese Anordnung ermöglicht das Routing von differentiellen Paaren innerhalb einer gegebenen Schicht.

Eine interessantere Anordnung ist die Verwendung einer platinen-gekoppelten Anordnung, bei der zwei asymmetrische Streifenleitungen übereinander in einer symmetrischen Anordnung gestapelt sind. Obwohl dies möglicherweise eine dickere Platine erfordert, um die gestapelten Streifenleitungen unterzubringen, spart dies seitlichen Platinenplatz und ermöglicht eine höhere Verbindungsdichte zwischen den beiden Masseebenen. Diese Anordnung kann auch für das Routing von differentiellen Paaren verwendet werden, da die beiden Streifenleitungen parallel sind.

Microstrip- und Via-Verbindungen auf grüner Mehrschicht-PCB

Mehrere Rechner, Mehrere Werte

Es gibt keinen Grund, sich zu schämen, wenn man nicht jede Impedanzgleichung für jede mögliche Leiterbahnanordnung auswendig kennt. Wenn Sie im Internet nach einem Impedanzrechner für Ihre Streifenleiteranordnung gesucht haben, sollten Sie Ihre Ergebnisse genau betrachten und mit den Ergebnissen anderer Rechner vergleichen.

Sie sollten auch die Gleichungen, die verschiedene Rechner verwenden, miteinander vergleichen. Es gibt mehrere Methoden zur Berechnung der Impedanz eines einzelnen asymmetrischen Streifenleiters. Einige Rechner verwenden einen Unterschied zwischen logarithmischen Funktionen, ein anderer verwendet eine Potenzfunktion mit ungefähr 6. Ordnung Abhängigkeit von einer Anzahl der geometrischen Parameter, und es gibt zweifellos andere Formeln, die durch eine Internetsuche gefunden werden können.

Diese Rechner können je nach den strukturellen Parametern, die die Streifenleiteranordnung definieren, stark unterschiedliche Ergebnisse liefern. Zwei verschiedene Rechner können Unterschiede im Bereich von 5 bis 10 Ohm erzeugen. Der wahre Impedanzwert liegt wahrscheinlich irgendwo zwischen diesen Werten. Dies schafft große Probleme bei der Impedanzanpassung in Ihrer PCB

Beim Arbeiten mit Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzsignalen ist eine Impedanzabweichung von 5 Ohm bedeutend genug, um Probleme wie Schwingungen aufgrund von Resonanz bei bestimmten Frequenzen zu verursachen. Bei Hochfrequenzsignalen führt Resonanz auf einer Übertragungsleitung zu erheblicher Strahlung. Bei asymmetrischen Streifenleitungen kann dies ein Problem auf HDI-Platinen darstellen. Glücklicherweise werden Platinen mit geringerer Routingdichte aufgrund des umgebenden Dielektrikums nicht von dieser EMI betroffen sein.

Angesichts dieser potenziellen Probleme, die beim Arbeiten mit einem Impedanzrechner auftreten können, ist es am besten, eine numerische Simulation zur Bestimmung der Impedanz zu verwenden. Die meisten Leute haben keinen Zugang zu dieser Art von Software, aber die Investition kann sich lohnen. Alternativ sollten Sie eine andere Designstrategie in Betracht ziehen, um Schwingungen zu verhindern oder zu unterdrücken.

Parametermodulation und differentielle Paare

Aufgrund der stark nichtlinearen Beziehung zwischen der Impedanz in asymmetrischen Streifenleitungsanordnungen und ihrer Geometrie wird es wichtig, ein allgemeines Verständnis dafür zu haben, wie die Impedanz durch kleine Änderungen in der Streifenleitungsanordnung beeinflusst wird. Das Arbeiten mit differentiellen Paaren von asymmetrischen Streifenleitungen folgt vielen der gleichen Regeln wie bei Mikrostreifenleitungen.

Das Verschieben einer einzelnen Streifenleitung aus der symmetrischen Anordnung und das Verschieben der Streifenleitung in Richtung einer der Masseebenen führt zu einer geringen Abnahme der Impedanz. Diese Verschiebung ist selbst symmetrisch; es spielt keine Rolle, ob Sie die Streifenleitung nach oben oder unten bewegen, eine gegebene Verschiebung in jede Richtung wird die gleiche Änderung der Impedanz verursachen.

Das Arbeiten mit differentiellen Paaren von asymmetrischen Streifenleitungen ist etwas komplizierter, aber einige der gleichen Regeln, die bei differentiellen Mikrostreifen gelten, gelten auch für symmetrische und asymmetrische Streifenleitungen. Wenn der Abstand sehr groß ist, wird der Impedanzwert bei einem bestimmten Wert gesättigt, und die Kopplungsstärke wird reduziert.

Einmal geändert, ändert sich die Impedanz von Mikrostreifenpaaren und asymmetrischen Paaren auf unterschiedliche Weise. Wenn die Leiterbahnen weit voneinander entfernt sind, erhöht das Zusammenführen zunächst die Impedanzwerte des differentiellen Paares. In einer Mikrostreifenanordnung wird die Impedanz des Paares kontinuierlich zunehmen, wenn das Paar näher zusammengebracht wird, und dies setzt sich fort, sobald der Abstand auf weniger als die Breite der Leiterbahnen reduziert wird.

Das ist bei Streifenleiterpaaren nicht der Fall. Wenn die Leiterbahnen näher zusammengebracht werden, erhöht und verringert sich zunächst der gerade, ungerade und differentielle Impedanzwert, wenn das Paar näher zusammengebracht wird. Sobald die Leiterbahnen sehr eng beieinander platziert sind, so dass der Abstand viel kleiner als die Leiterbahnbreite ist, werden die ungeraden und differentiellen Impedanzwerte drastisch sinken und können bis auf wenige Ohm fallen.

Leiterbahnen auf einer blauen Leiterplatte geroutet

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