Übertragungsleitungseigenschaften, die die Impedanz beeinflussen – Verborgene Merkmale

Hier und in mehreren anderen Artikeln, die im Altium-Ressourcenbereich auf der Website des Unternehmens veröffentlicht wurden, wurde das Thema der Impedanz von Übertragungsleitungen aus verschiedenen Perspektiven behandelt. Ich habe die Impedanz von Übertragungsleitungen bereits in meinem Artikel Die Evolution der Simulationstechnologie und Impedanz angesprochen, und es könnte scheinen, dass wir das Feld der potenziellen Informationen, die über Impedanz bereitgestellt werden können, erschöpft haben, jedoch wurden in Wahrheit einige Merkmale nur am Rande behandelt. Dieser Artikel wird diese Merkmale und ihre Auswirkungen zusammen mit den grundlegenden Gleichungen, die zur Steuerung der Impedanz von Übertragungsleitungen verwendet werden, ausführlicher behandeln.

Quellen der Impedanz oder Unstimmigkeit

Wie in vorherigen Artikeln besprochen, sind die vier Hauptvariablen, die die Impedanz einer Übertragungsleitung auf einer Oberflächenschicht bestimmen, folgende:

• Höhe der Leiterbahn über der Ebene, über die sie verläuft.
• Die Breite der Leiterbahn.
• Die Dicke der Leiterbahn.
• Das isolierende Material, das zur Unterstützung der Leiterbahn verwendet wird.

Sobald die oben genannten vier Variablen bekannt sind, ist es möglich zu bestimmen, welche Merkmale auf einer PCB einen relevanten Effekt auf die Impedanz haben. Diese Merkmale umfassen:

• Änderungen in der Leiterbahnbreite auf derselben Schicht. Dies wird allgemein als Leiterbahnverjüngung bezeichnet.
  • Leiterbahnverjüngung bezieht sich auf die Reduzierung der Leiterbahnbreite, wenn sie sich einem engeren Pad nähert, wie es bei einem SMD (Surface Mount Device) oder einem Durchgangsloch mit einem Durchmesser, der geringer ist als die Breite der Leiterbahn, zu finden ist.
• Änderungen in der Leiterbahndicke.
• Änderungen in der Höhe über der Ebene.
• Stummel entlang der Übertragungsleitung.
• Lasten entlang der Übertragungsleitung.
• Übergänge bei Steckverbindern.
• Schlecht abgestimmte Abschlüsse.
• Keine Abschlüsse.
• Größere Unterbrechungen in der Stromebene.
• Änderungen in der relativen Dielektrizitätskonstante.

Wie in vorherigen Artikeln erwähnt, sind rechtwinklige Biegungen und Vias nicht in der obigen Liste enthalten, da keines dieser Merkmale eine signifikante Quelle für Impedanzfehlanpassungen darstellt.

Impedanzgleichungen

Es gibt einige Gleichungen, die bei der Berechnung der Impedanz hilfreich sind. Sie werden unten präsentiert. Wie zuvor erwähnt, wird die Impedanz einer Übertragungsleitung durch die Kapazität und Induktivität bestimmt, die entlang der Länge der Übertragungsleitung verteilt ist. Und die zur Berechnung der Impedanz verwendete Gleichung wird hier in Gleichung 1 wiederholt.

Gleichung 1. Die Impedanzgleichung

Im Obigen ist Z₀ die Impedanz in Ohm; jωL₀ ist die parasitäre Induktivität in Henry pro Längeneinheit, jωC₀ ist die parasitäre Kapazität in Farad pro Längeneinheit und R₀ ist der Skin-Effekt-Verlust (der bis zu sehr hohen Frequenzen ignoriert werden kann). G₀ ist der Verlust im Dielektrikum. Wie oben erwähnt, wird die Änderung entweder der parasitären Induktivität oder der parasitären Kapazität die Impedanz der Übertragungsleitung ändern. Es wurde auch gezeigt, dass Änderungen in der Impedanz Signalreflexionen verursachen. Zur Bequemlichkeit wird die Reflexionsgleichung in Gleichung 2 wiederholt.

 
Gleichung 2. Die Reflexionsgleichung

Diese Gleichung prognostiziert den Prozentsatz des einfallenden EM-Feldes, das basierend auf den zwei Impedanzen auf jeder Seite einer Änderung, wo Z_l die stromabwärtige Impedanz und Z₀ die stromaufwärtige Impedanz ist, zurück zum Ursprung reflektiert wird. Die Gleichung spiegelt die Spannungsamplitude der Reflexion wider.

Auf Basis von Gleichung 1 ist es nicht offensichtlich, welche Variablen einen Einfluss auf die Impedanz haben werden. Gleichung 3 ist die klassische Oberflächen-Mikrostreifen-Gleichung. Sie veranschaulicht die Variablen auf einer PCB, die die Impedanz bestimmen.

Gleichung 3. Die klassische Gleichung für die Impedanz von Oberflächenmikrostreifen

Diese Gleichung wird nur zu Illustrationszwecken aufgeführt, damit die Variablen dargestellt werden können. In einem separaten Artikel, der auf diesen folgt, wird gezeigt, dass diese Gleichung sowie andere zur Berechnung der Impedanz verwendete Gleichungen nur über einen begrenzten Gültigkeitsbereich verfügen. Es gibt genauere Methoden, von denen einige in vorherigen Artikeln besprochen wurden. Der auf diesen folgende Artikel wird auch andere Methoden zur Bestimmung der Impedanz enthalten.

Die gemeinsamen Merkmale der oben genannten Eigenschaften sind, dass sie einen messbaren Effekt auf eine oder beide Variablen in Gleichung 1, parasitäre Induktivität oder parasitäre Kapazität, haben können. Wir können diese Merkmale nehmen und die Variablen zeigen, die sie beeinflussen.

• Änderung der Leiterbahnbreite in derselben Schicht—C₀
• Änderung der Leiterbahndicke—C₀
• Änderung der Leiterbahnhöhe über der Ebene—C₀
• Stummelleitungen entlang der Übertragungsleitung—C₀
• Lasten entlang der Übertragungsleitung—C₀
• Übergänge bei Steckverbindern—C₀
• Große Unterbrechungen der Stromversorgungsebene—C₀
• Änderungen der relativen Dielektrizitätskonstante—C₀
• Schlecht abgeglichene Abschlüsse
• Keine Abschlüsse

Wie man sehen kann, werden alle Quellen der Impedanzfehlanpassung, mit Ausnahme von schlecht abgestimmten Abschlüssen und fehlenden Abschlüssen, durch etwas verursacht, das die parasitäre Kapazität verändert hat. Innerhalb der Grenzen der Leiterbahndimensionen auf PCBs ist im Vergleich zu C₀ L₀ relativ konstant. Dies ist hilfreich, wenn es darum geht, kontrollierte Impedanzsignalwege zu entwerfen oder Impedanzprobleme zu beheben.

Sobald verstanden wird, dass nahezu alle Impedanzänderungen entlang der Länge einer Übertragungsleitung auf Änderungen in der parasitären Kapazität zurückzuführen sind, wird es einfacher, diese Änderungen zu verwalten und eine gute Impedanzkontrolle zu erstellen.

Tabelle 1 zeigt die relative Dielektrizitätskonstante des Laminats, das gemeinhin als FR-4 bekannt ist.

Tabelle 1. Laminatinformationen für Laminat, das üblicherweise FR-4 genannt wird

Nicht nur ändert sich die relative Dielektrizitätskonstante mit der Frequenz, sie variiert auch mit der Menge an Glas und Harz, die zur Herstellung des Laminats verwendet wird. Wie man sehen kann, gibt es vier Möglichkeiten, ein 4-Mil dickes Stück Laminat herzustellen; drei Möglichkeiten, ein 5-Mil dickes Stück Laminat und vier Möglichkeiten, ein 6-Mil dickes Stück Laminat herzustellen. Beachten Sie auch, dass das Verhältnis von Glas zu Harz in jeder dieser Formulierungen unterschiedlich ist, ebenso wie die relative Dielektrizitätskonstante. Wenn ein PCB-Stackup entworfen wird, um eine dieser Formulierungen zu verwenden, und der Hersteller eine der anderen verwendet, wird die Impedanz nicht wie erwartet ausfallen. Dies ist der häufigste Grund dafür, dass der Wechsel von Herstellern zu PCBs mit unterschiedlichen Eigenschaften führt. Um dieses Problem zu vermeiden, ist es notwendig, auf der Fertigungszeichnung anzugeben, welche Laminatformulierung in jeder Öffnung im Stackup erforderlich ist.

Zusammenfassung

Das Verständnis der Variablen und Merkmale innerhalb einer PCB, die die Impedanz von Übertragungsleitungen beeinflussen können, erleichtert es, von Anfang an für Impedanzkontrolle zu entwerfen und eventuell auftretende Impedanzprobleme während des Entwurfs oder der Fertigungsprozesse einfacher zu beheben.

Haben Sie weitere Fragen? Rufen Sie einen Experten bei Altium an oder lesen Sie weiter, um mehr über das Einbeziehen von Impedanzberechnungen in Ihre Entwurfsregeln mit Altium Designer^® zu erfahren.

Referenzen:

1. Ritchey, Lee W. und Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volume 1.“