Differential Pair Impedance: Verwenden Sie einen Rechner für den Entwurf Ihrer Leiterplatte

Altium Designer
|  Created: November 28, 2018  |  Updated: March 10, 2021

Differential routing pairs on a green PCB

Differenzielle Routing-Paare auf einer grünen Leiterplatte

Ich habe in der High School verschiedene Computerklassen besucht und mich immer gefragt, warum die Leiter in Ethernet-Kabeln umeinander gewickelt sind. Ich hatte keine Ahnung, dass dies eine einfache Design-Methode war, damit die Signale ihr Ziel erreichten, ohne sich gegenseitig zu stören. Manchmal sind die besten Lösungen für komplexe Probleme tatsächlich die einfachsten.

Die differentielle Leiterbahnführung ist nicht auf Ethernet-Kabel beschränkt; in der Tat ist es eine der wichtigsten Topologien in PCBs. Designer von Leiterplatten diskutieren die Impedanz von Übertragungsleitungen jedoch oft in Form von Single-Ended-Leiterbahnen anstatt von Leiterbahnen mit einer differential Pair Impedance.

Manche Designer behandeln jedes Mitglied eines differentiellen Paares als eigene Single-Ended-Leiterbahn. Dadurch wird allerdings die natürliche Kopplung zwischen den einzelnen Leiterbahnen ignoriert, und die Impedanz eines differentiellen Paars unterscheidet sich erheblich von ihren Single-Ended-Gegenstücken.

Wann ist differential Pair Impedance wichtig?

Ob sich eine Leiterbahn wie eine Übertragungsleitung verhält, hängt von der Übertragungsverzögerung auf der Leiterbahn ab. Wenn die Anstiegszeit des digitalen Signals oder ein Viertel der Schwingungsdauer des analogen Signals weniger als das Doppelte der Umlaufverzögerung entlang der Leiterbahn beträgt, dann sollte die Leiterbahn als Übertragungsleitung behandelt werden.

Eine konservativere Regel nach Industriestandard lautet, dass eine Leiterbahn als Übertragungsleitung zu behandeln ist, wenn die Übertragungsverzögerung der Leiterbahn mehr als 10 % der kritischen Umlaufverzögerung beträgt, die durch die Anstiegszeit oder die Schwingungsdauer definiert ist. Im Zweifelsfall ist es sicherer, die Impedanz anzupassen, um Probleme durch Signalreflexion zu vermeiden.

Differential pair impedance and coupling

Die Kopplung in einem differentiellen Paar bestimmt die differentielle Impedanz.

Differential Pair Impedance vs. Single-Ended Impedanz

Impedanzfehlanpassungen in Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-Leiterplatten können Chaos bei Ihren Signalen verursachen. Probleme wie z.B. Klingeln aufgrund von Signalresonanzen treten auf, wenn es eine signifikante Impedanzfehlanpassung in einer Single-Ended-Leiterbahn gibt. Bei niederfrequenten Signalen ist normalerweise keine Impedanzanpassung erforderlich, es sei denn, das Ungleichgewicht zwischen einer Leiterbahn und ihren vor- und nachgeschalteten Bauteilen ist groß. Bei Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenz-Leiterplatten sollte die Impedanz immer angepasst werden.

Bei der Impedanzberechnung von Single-Ended-Leiterbahnen werden benachbarte Leiterbahnen üblicherweise ignoriert, unabhängig davon, ob diese ein sich ausbreitendes Signal enthalten oder nicht. Bei der differential Pair Impedance bei denen man davon ausgeht, dass eine benachbarte Leiterbahn einen Rückstrom in der entgegengesetzten Richtung wie die Signalspur ausbreitet, wird das Signal in einer Leitung durch Induktion mit der anderen gekoppelt. Die Leitungen haben aufgrund des Substratdielektrikums auch eine parasitäre Kapazität zwischen sich.

Differential pair routing and vias on a PCB

Differenzialpaar-Routing und Durchkontaktierungen auf einer Leiterplatte

Abgesehen von der Unterdrückung des Übersprechens wird durch die Kopplung differentieller Leiterbahnen die Impedanz jeder Leiterbahn tatsächlich verringert. Designer sollten sich aber darüber im Klaren sein, dass ein einfacher Impedanzrechner für Single-Ended-Leiterbahnen nicht zur Berechnung der differential Pair Impedance von Leiterbahnen verwendet werden sollte.

Bei digitalen Signalen müssen wir bei der Berechnung der differential Pair Impedance auch das Frequenzspektrum des Signals berücksichtigen. Für die Mathematiker da draußen lässt sich der Frequenzgehalt in einem digitalen Signal als Summe analoger Frequenzen darstellen. Das bedeutet, dass die Kopplung in einem differentiellen Paar mit digitalen Signalen weitgehend vom gesamten Frequenzspektrum des digitalen Signals abhängt.

Der größte Teil der Intensität in digitalen Signalen konzentriert sich auf Frequenzen unterhalb der Kniefrequenz, was etwa einem Drittel der Inversen der Anstiegszeit entspricht. Alle Frequenzen zwischen der Betriebsfrequenz und der Kniefrequenz sind die primären Einflussfaktoren, die die Impedanz bestimmen.

Rechner für differential Pair Impedance

Streifenleitungen und Mikrostreifen-Differentialpaare haben aufgrund des Substrats unterschiedliche Impedanzwerte. Symmetrische und asymmetrische Streifenleitungen oder eingebettete Mikrostreifen haben im Vergleich zu einem Oberflächen-Mikrostreifen ebenfalls unterschiedliche Impedanzwerte. Das Substratdielektrikum und die Geometrie modifizieren die effektive Dielektrizitätskonstante der Leiterbahn, wodurch auch die kritische Verzögerungszeit modifiziert wird, die bestimmt, ob die Leiterbahn als Übertragungsleitung fungiert.

Bei vielen Rechnern für differential Pair Impedance müssen Sie die effektive Dielektrizitätskonstante der Leiterbahn im Voraus kennen. Dies erfordert einen weiteren Rechner, der auf Ihre spezifische Geometrie zugeschnitten ist.

 Calculators on a wood  table

Taschenrechner auf einem Holztisch

Sobald Sie Ihre effektive Dielektrizitätskonstante haben und Sie Ihre Geometrie gewählt haben, können Sie mit den Berechnungen beginnen. Sie können mit den geometrischen Parametern spielen, bis Sie den gewünschten Impedanzpegel erreichen, oder Sie können die Geometrie einschränken und den berechneten Impedanzwert für die Impedanzanpassung in Ihrer Leiterplatte verwenden.

Der differentielle Impedanzwert, der von den meisten Rechnern angezeigt wird, ist gleich der Summe der Impedanz von jeder Leiterbahn. Wenn Sie diesen Wert nehmen und durch 2 teilen, erhalten Sie den Impedanzwert jeder Leiterbahn im ungeraden Modus. Dies ist der Wert, der bei der Impedanzanpassung berücksichtigt werden muss. Im Grenzfall bewirkt ein sehr großer Abstand zwischen den Leiterbahnen, dass die Impedanz einer Leiterbahn auf den Single-Ended Impedanzwert konvergiert.

Ein Nachteil vieler Online-Rechner für differential Pair Impedance ist, dass die Impedanz nicht als Funktion der Frequenz berechnet werden kann. Einige HF-Rechner führen Berechnungen nur bei einer bestimmten Frequenz durch, normalerweise bei 2,4 GHz. Die S-Parameter in einer Leiterbahn sind frequenzabhängig und Rechner für differentielle Paarimpedanz sollten dies berücksichtigen. Die meisten Rechner verwenden die Näherung, dass die Differential Pair Impedance die Quadratwurzel der Impedanz geteilt durch die Kapazität ist.

Im Frequenzbereich hat das Impedanzspektrum bei mittleren Frequenzen aufgrund von Resonanz ein Minimum und steigt dann sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Frequenzen an. Im Zeitbereich gibt es ein Minimum bei einer bestimmten Schwingungsperiode/Anstiegszeit, gefolgt von einem monotonen Impedanzanstieg, wenn die Signalperiode/Anstiegszeit bis zur Umlaufverzögerungszeit zunimmt. Hier werden leistungsfähige Design-Softwares und ausgezeichnete Simulationstools wichtig.

Eine großartige PCB-Layout-Software wie Altium Designer macht es Ihnen leicht, die differential Pair Impedance in Ihrem nächsten Hochgeschwindigkeits- oder Hochfrequenzdesign zu layouten. Mit dem ActiveRoute-Tool, dem xSignals-Tool und den integrierten Simulationstools können Sie differentielle Paare problemlos routen und Signalprobleme aufgrund von Impedanzfehlanpassungen vermeiden.

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PCB Design Tools für Electronics Design und DFM. Informationen für EDA-Führungskräfte.

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