Streifenleitung vs. Mikrostreifenleiterbahnbreite für gewünschte Impedanz: Sind sie gleich?

Hin und wieder erhalte ich eine interessante Frage zum Thema Routing, Layout, Signalintegrität oder Ähnliches. Ich versuche, auf diese zu antworten, wenn ich nicht zu beschäftigt bin, aber manchmal sticht eine dieser Fragen hervor und ich fühle das Bedürfnis, die Antwort an mehr Designer weiterzugeben. Ohne weitere Umschweife, hier ist eine Frage, die ich über die erforderliche Breite von Streifenleitungen vs. Mikrostreifen für kontrollierte Impedanz erhalten habe.

Ich habe eine Anfrage bezüglich Mikrostreifen und Streifenleitungen. Ist es möglich, denselben Wert von T, H und W der Übertragungsleitung für Mikrostreifen und Streifenleitungen zu verwenden? Ich möchte, dass die Impedanz für die Streifenleitung ungefähr 32 Ohm beträgt.

Die Frage schien zunächst ein wenig vage, aber ich habe sie wie folgt interpretiert: Wenn ich die beste Breite für einen Mikrostreifen bestimme, kann ich dann dieselbe Breite für eine Streifenleitung verwenden, vorausgesetzt, das Kupfergewicht und der Abstand zur Referenzebene sind gleich? Ich mag diese Art von Fragen, da sie zu einigen wichtigen und oft übersehenen Aspekten des Routings und des Leiterbahndesigns zurückkehren. Lassen Sie uns dies etwas tiefergehend untersuchen, da es einige interessante Bereiche des Hochgeschwindigkeitsdesigns und der Impedanzkontrolle in PCBs aufwirft.

Die kurze Antwort: Schauen Sie auf die Feldlinien!

Nein, man kann nicht dieselbe Breite für zwei verschiedene Übertragungsleitungsgeometrien verwenden und erwarten, dass sie die gleiche Impedanz haben. Dies lässt sich sowohl mathematisch als auch konzeptionell nachvollziehen. Aus konzeptioneller Sicht strahlen Leiterbahnen auf einem Microstrip ihr Feld in die Lötmaske und die Luft über dem Dielektrikum ab. Die Feldstärke in diesen Bereichen unterscheidet sich von der im Dielektrikum, daher können wir nicht vernünftigerweise erwarten, dass diese Feldlinien das gleiche Konturmuster und Verschiebungsstrom im Referenzplan erzeugen wie eine Feldlinie, die direkt durch das Dielektrikum zum Referenzplan zeigt. Diese Variation im Dk-Wert um die Leiterbahn herum führt dazu, dass Signale auf einem Microstrip eine Geschwindigkeit haben, die durch eine effektive dielektrische Konstante bestimmt wird, anstatt durch den rohen Dk-Wert des PCB-Substrats.

Bei einer Streifenleitung durchquert das elektrische Feld nur das Dielektrikum; es gibt keine Luft. Mit anderen Worten, die dielektrische Konstante entspricht einfach dem Dk-Wert; es gibt keinen „effektiven Dk“ auf die gleiche Weise wie bei einem Microstrip. Das bedeutet, dass wir für eine gegebene Feldlinie, die von einer Streifenleitung durch das Dielektrikum verläuft, einen größeren Verschiebungsstrom in den Referenzebenen erwarten würden, und somit würden wir erwarten, dass die charakteristische Impedanz, die zwischen der Streifenleitung und der Referenzebene gemessen wird, niedriger ist.

Wie sich herausstellt, sind Feldlinien in Simulationsdaten viel nützlicher, als sie zunächst erscheinen mögen. Wenn man einen tieferen Einblick gewinnen möchte, hilft es, die Gleichungen zu betrachten, die die charakteristische Impedanz beider Arten von Übertragungsleitungen beschreiben.

Die ausführliche Antwort: Betrachten Sie die Gleichungen von Streifenleitungen vs. Mikrostreifenleitungen!

Um wirklich zu sehen, wie sich die Impedanz einer Streifenleitung und einer Mikrostreifenleitung mit der Breite verändert, müssen wir mit der charakteristischen Impedanz dieser Übertragungsleitungen beginnen. Schauen Sie sich diese Artikel an, um diese Gleichungen zu finden:

• Klärung von Spurimpedanz-Rechnern und Formeln
• Symmetrische Streifenleitungs-Impedanzrechner und Formeln

Um wirklich zu sehen, wie sich die Spurbreiten für diese Übertragungsleitungen vergleichen, müssen wir die charakteristische Impedanz gegen die Spurbreite auftragen. Dies lässt sich leicht visualisieren, wenn wir die Breite (genauer gesagt, das Verhältnis W/H in diesen Gleichungen) variieren, während wir alle anderen Parameter konstant halten.

Das untenstehende Bild zeigt den berechneten Realteil der charakteristischen Impedanz eines Mikrostreifens und einer Streifenleitung auf FR4 (Dk = 4,4, Verlustwinkel = 0,02). Ich habe der Einfachheit halber eine 8-Lagen-Platine mit gleichem Abstand zwischen den dielektrischen Schichten angenommen, und das Kupfergewicht wurde auf 0,5 oz/qm eingestellt. Die Streifenleitung ist auch symmetrisch in Bezug auf die Referenzebenen. Hier habe ich mich auf die reale Impedanz konzentriert, da der imaginäre Teil sehr klein ist.

Offensichtlich können wir nicht dieselbe Breite für einen Mikrostreifen und eine Streifenleitung verwenden und erwarten, dass wir dieselbe charakteristische Impedanz sehen, selbst wenn alles andere konstant gehalten wird. Von hier aus können wir sehen, dass für die dielektrische Konstante und den Lagenstapel, den ich verwendet habe, ein ~16 mil Mikrostreifen ungefähr die gleiche Impedanz wie eine ~7 mil Streifenleitung haben wird. Die obigen Kurven sollten nicht mit Eingangsimpedanz verwechselt werden, die von der Länge der Leitung und der Eingangsimpedanz an der Last abhängt, die dann vom Abschlussschema abhängt.

Wenn wir sehen möchten, was in einer realistischeren Situation passiert, müssen wir die Eingangsimpedanz berücksichtigen, da dies das ist, was ein Signal sieht, wenn es vom Treiber auf die Übertragungsleitung injiziert wird. Das untenstehende Diagramm zeigt die Größe der Eingangsimpedanz für eine 1 m lange Mikrostreifen- und Streifenleitung bei einer Bandbreite von 1 GHz (350 ps Anstiegszeit für ein digitales Signal) mit einer Lastkapazität von 10 pF mit paralleler (Shunt-)Terminierung bei 50 Ohm.

Dieses Diagramm sollte die Bedeutung der Terminierung in Übertragungsleitungen veranschaulichen. Es gibt einen Bereich von Breiten, in dem die Impedanz über oder unter dem Zielwert liegen kann. Wieder können wir nicht einfach die für einen Mikrostreifen bestimmte Breite verwenden und erwarten, dass wir die gleiche Eingangsimpedanz für eine Streifenleitung sehen, und umgekehrt. Interessanterweise erreicht die Streifenleitung für diese spezielle Anordnung ~50 Ohm über einen schmalen Bereich von Breiten. Wenn sich die Eingangsimpedanz der Last oder die Terminierungsimpedanz ändern, werden wir nicht die gleiche Bedingung haben.

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