Wie hoch ist der Widerstandswert (die Impedanz) von Längenabstimmungsstrukturen?

Kürzlich erhielt ich eine sehr gute Frage von einem YouTube-Zuschauer zum Thema Routing von differentiellen Paaren und Längenabstimmungsstrukturen. Diese Frage lautet (paraphrasiert) wie folgt:

Erzeugen Längenabstimmungsstrukturen eine Impedanzdiskontinuität?

Die Antwort ist ein eindeutiges „Ja“, spielt aber in Ihrem Design möglicherweise keine Rolle. Das ist abhängig von mehreren Faktoren. Die Impedanz einer Leiterbahn mit einzelnen Endpunkten in einem differentiellen Paar hängt von der Entfernung zur anderen Leiterbahn ab. Wenn eine Längenabstimmungsstruktur verwendet wird, entspricht das einer Änderung des Abstands zwischen den Leiterbahnen beim Mäandern. Das führt zu einer Änderung der Impedanz in der ungeradzahligen Impedanz einer einzelnen Leiterbahn.

Die Frage lautet dann: Spielt diese Abweichung in der Leiterbahnimpedanz in einer Längenabstimmungsstruktur eine Rolle? Wirkt sie sich auf das Signalausbreitungsverhalten und die Signalintegrität aus? Und ja, sie wirkt sich darauf aus. Als Designer von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist es Ihre Aufgabe, zu entscheiden, inwieweit Sie sich auf Längenabstimmung verlassen sollten, um Versatz/Jitter in Ihren differentiellen Paaren zu kompensieren.

Längenabstimmungsstrukturen können zu Impedanzdiskontinuitäten führen

Wie oben erwähnt, führt die Verwendung von Längenabstimmungsstrukturen auf einer Seite eines differentiellen Paares zu Impedanzdiskontinuitäten. Diese entstehen durch folgende Faktoren:

1. Die Impedanz bei einzelnen Endpunkten (ungeradzahliger Impedanzmodus) und die differentielle Impedanz werden bestimmt, indem Sie Leiterbahnbreite UND Leiterbahnabstands auswählen.
2. Die Verwendung einer Längenabstimmungsstruktur erzeugt Schwankungen im Leiterbahnabstand zwischen den Leiterbahnen des Paars. Daher kommt es zu einer Änderung in der Impedanz auf einer Leiterbahn.
3. Diese Variation der Impedanz verursacht Reflexionen von der Eingangsseite des differentiellen Paares.
4. Die Signalgeschwindigkeit an einem Ende des Paares ist in der Längenabstimmungsstruktur anders als in dem Bereich mit parallel verlaufenden Leiterbahnen.

Als Ergebnis von Punkt Nr. 2 oben kommt es zu Reflexionen, wenn ein Signal in den Längenabstimmungsabschnitt eintritt. Der Längenabstimmungsabschnitt kann auch bestimmte Modusumwandlungen erzeugen, die bei der Verzögerungsanpassung nicht berücksichtigt werden.

Das Bild unten fasst das Signalverhalten zusammen, das in einem differentiellen Paar aufgrund einer Längenanpassungsstruktur beobachtet wurde. Hier wird eine Situation dargestellt, in der wir zwei verschiedene differentielle Paare auf einem Laminat mit Dk = 4,1 und einer Substratdicke von 3,8 mil routen. Die Breite, der Abstand und die Impedanzen der einzelnen Leiterbahnen werden entlang der Länge der beiden Leiterbahnen angezeigt.

Vor dem Längenabstimmungsabschnitt beträgt die Impedanz der Leiterbahnen im ungeraden Modus in jedem Paar 50 Ohm. Die differentielle Impedanz jedes Paares beträgt also 100 Ohm. Im Längenabstimmungsabschnitt liegen andere Werte vor. Bei dem Paar mit größerem Abstand (10 mil) hat ein 21 mil langer Abstimmabschnitt kleine Leiterbahnen mit einer Impedanz von 53 Ohm im ungeraden Modus. Im Paar mit kleinerem Abstand (5 mil) haben die kleinen Spuren in unserem 21 mil langen Amplitudenlängen-Abstimmungsabschnitt eine Impedanz von 58,5 Ohm im ungeraden Modus.

Das ist ein enormer Unterschied! Wenn man den Paarabstand um nur 5 mil verringern, ändert sich die Impedanzabweichung von 6 % auf 17 %.

Das Ergebnis ist einfach: Für einen Längenabstimmungsabschnitt mit einer bestimmten Amplitude (hier 21 mil) ist die Impedanzabweichung aufgrund der Längenabstimmung kleiner, wenn die Paare weiter voneinander entfernt beginnen. Dies ist ein weiterer Grund dafür, differentielle Paare nicht zu eng zu koppeln, mit sehr geringem Abstand; ein wenig mehr Abstand ist für die Signalintegrität sogar von Vorteil!

Eingangsimpedanzabweichungen erzeugen Reflexionen

Innerhalb des Längenabstimmungsabschnitts sehen wir eine gewisse Impedanzabweichung. Es könnte also eine Eingangsimpedanzfehlanpassung vorliegen. Wie bei jeder anderen Impedanzdiskontinuität entlang einer Übertragungsleitung spielt die Diskontinuität bei niedrigen Frequenzen vielleicht keine Rolle. Bei hohen Frequenzen ist sie jedoch sehr wichtig.

Wie kann man dieses Problem lösen? Dafür gibt es drei Möglichkeiten:

1. Verwenden Sie einen größeren Abstand zwischen den Leiterbahnen im Paar, um die Fehlanpassung zu minimieren.
2. Versuchen Sie, so zu routen, dass Sie nur kürzere Längenanpassungsabschnitte benötigen.
3. Erhöhen Sie die Leiterbahnbreite nur im lose gekoppelten Bereich.

Die erste Option ist bei weitem am einfachsten. Die zweite Option erfordert einfach, dass ein etwas größerer Jitter am Empfänger zugelassen wird. Das ist ggf. nicht möglich, ohne das Routing neu zu konstruieren. Die dritte Option ist nicht leicht zu automatisieren, ist jedoch am effektivsten bei der Anpassung der Eingangsimpedanz des Längenabstimmungsabschnitts an die Impedanz des Parallelabschnitts.

Abweichungen bei der Ausbreitungsverzögerung führen zu Modusumwandlungen

Im obigen Bild habe ich die Impedanz gezeigt, jedoch nicht die Unterschiede in der Ausbreitungsverzögerung in jedem Abschnitt. Da die Impedanz variiert, variiert auch die Ausbreitungsverzögerung. Das folgende Bild fasst die Ausbreitungsverzögerung in jedem Bereich der oben gezeigten zwei Längenabstimmungsabschnitte zusammen.

Hier sehen wir, dass das Paar mit größerem Abstand auch eine höhere Abweichung der Ausbreitungsverzögerung aufweist. Das Paar mit einem Abstand von 10 mil hat eine um 2,4 % höhere Ausbreitungsverzögerung, während das Paar mit einem Abstand von 5 mil eine um 4,4 % höhere Ausbreitungsverzögerung aufweist. Auch hier handelt es sich um einen großen Unterschied, der die Vorteile eines etwas größeren Abstands zwischen den beiden Seiten des differentiellen Paars veranschaulicht.

Doch warum spielt es eine Rolle, ob sich die Ausbreitungsverzögerung in den Längenabstimmungsabschnitten um einige ps pro Zoll unterscheidet? Das Problem liegt im vertikalen Abschnitt, der eine Ausbreitungsverzögerung haben wird, die keinem der oben gezeigten Werte entspricht. Sobald die Längenabstimmung angewendet wird, ist das Ergebnis eine Modusumwandlung, von Gleichtaktrauschen in Differentialtaktrauschen. Schauen Sie sich das unten gezeigte Beispiel für unser breit verteiltes Paar an.

Der Grund dafür ist, dass die Tools zur Längenabstimmung nicht die geänderte Ausbreitungsverzögerung für die zeitbasierte Längenabstimmung verwenden. Stattdessen benutzen sie den Wert für die Ausbreitungsverzögerung, bei dem angenommen wird, dass die beiden Leiterbahnen parallel geroutet sind. Im obigen Beispiel für das Paar mit einem Abstand von 10 mil verwendet das Routing-Tool 145,34 ps/in, um den Wert für die Längenabstimmung anzuwenden. Die tatsächliche Ausbreitungsverzögerung liegt jedoch irgendwo zwischen 145,34 ps/in und 148,89 ps/in.

Mit anderen Worten geht das Längenabstimmungstool davon aus, dass sich das Signal schneller entlang des Längenabstimmungsabschnitts bewegt, als es das in Wirklichkeit tut. Das Ergebnis ist eine verbleibende Fehlanpassung in der Phasenreaktion für jede Leiterbahn in dem Paar. Die Phasenfehlanpassung ist außerdem größer, wenn man eine größere Zeitfehlanpassung kompensieren muss. Die Restphase bleibt auch dann bestehen, wenn die Längenabstimmungsabschnitte exakt gleich lang sind. Dementsprechend muss man dann einen längeren Abstimmungsabschnitt verwenden, um die Restphasenfehlanpassung zu beseitigen, und das enger beieinander liegende Paar benötigt noch mehr zusätzliche Längenabstimmung, um die Phase auszugleichen! Dies führt zu einem Teufelskreis von noch mehr Reflexion.

Das können wir beobachten, wenn wir die Phasenreaktion jedes Paares (Phase von S21 und S43 oder Phase der Übertragungsfunktion) aus der Übertragungsfunktion dieses differentiellen Paars berechnen. Das folgende Diagramm vergleicht die Phase der Übertragungsfunktion für das 10-mil-Paar mit Längenabstimmung, wie oben gezeigt.

Warum sollte Sie das kümmern? Das Problem ist nicht unbedingt der verbleibende Versatz; wenn zwei Leiterbahnen in einem differentiellen Paar exakt die gleiche Länge haben, werden die Signalschwankungen auf beiden Seiten des Paares ausreichend abgeglichen, wodurch der Gesamt-Jitter minimiert wird. Das Problem mit der Phasenreaktion besteht darin, dass die Gesamtunterdrückungskapazität des Empfängers im Gleichtakt reduziert werden kann, je nach der durch die Nyquist-Frequenz definierten Bandbreite des Empfängers. Wenn die Differenz in der Phasenreaktion extrem ist und sich unterhalb der Nyquist-Frequenz befindet, kann der Empfänger das Gleichtaktrauschen nicht vollständig unterdrücken. Bei längeren Abstimmungsabschnitten ist eine Reduzierung von etwa 10 dB unter der Nyquist-Frequenz zu erwarten.

Zusammenfassung und Faustregeln

Aufgrund der Komplexität der Berechnung der Impedanzabweichung und des Hochfrequenzversatzes in einer Längenabstimmungsstruktur ist es schwierig, diese durch induktive Berechnung mit der Standardformel für die Eingangsimpedanz korrekt zu berücksichtigen. 

Alles, was ich oben erläutert habe, veranschaulicht, warum eine enge Kopplung zwischen differentiellen Paaren ein zweischneidiges Schwert ist. Aus der obigen Diskussion können wir zwei geeignete Faustregeln für die Arbeit mit Längenabstimmungsstrukturen ermitteln:

1. Wenn Sie eine Längenabstimmung verwenden müssen, entscheiden Sie sich für einen etwas größeren Abstand zwischen den Paaren, da dies Abweichungen bei Impedanz und Ausbreitungsverzögerung verringert.
2. Wenn Sie eine Längenanpassung verwenden, versuchen Sie, sie möglichst kurz zu halten, um Reflexionen und Modusumwandlungen zu minimieren.

Punkt #2 entspricht der Richtlinie „Platzieren Sie direkte Leiterbahnen zwischen Komponenten“. Es ist ein bisschen schwierig, eine gute Faustregel zu finden, weil diese Regel drei Variablen (Anstiegszeit, Abstand und Längenabstimmung) miteinander in Beziehung setzt. Dieses Thema finde ich jedoch spannend und werde in Zukunft mehr darüber schreiben.

Wenn Sie bereits festgestellt haben, dass Sie doppelte Anschlüsse benötigen (entweder Gleich- oder Wechselstromkopplung), und Sie bereits eine ausreichende Planung vorgenommen haben, um sicherzustellen, dass Sie direkt in die Empfängerkomponente routen, dann können Sie eine engere Kopplung verwenden. Stellen Sie einfach sicher, dass der Impedanzwert Ihrer Leiterbahnen im ungeraden Modus den erforderlichen Anschlusswert am Eingang des Empfängers erreicht. Außerdem sollten Sie natürlich Ihr Kanaldesign testen, idealerweise mit einer Testplatte mit ähnlichem Lagenaufbau!

Sobald Sie bereit sind, Ihre differentiellen Paare zu routen und schnell Längenabstimmungsstrukturen anzuwenden, nutzen Sie die branchenführenden Routing- und Layoutfunktionen in Altium Designer®. Sie können auch hochpräzise Impedanzberechnungen mit einem integrierten Feldlöser im Lagenaufbau-Manager erreichen, während Sie den Lagenaufbau für Ihre Leiterplatte erstellen. Wenn Sie bereit sind, Ihre Designs mit Kollegen oder Ihrem Hersteller zu teilen, können Sie Ihre fertigen Designs über die Altium 365™-Plattform teilen. Alles, was Sie für das Design und die Herstellung moderner Elektronik benötigen, finden Sie hier in einem einzigen Softwarepaket.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie noch heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer und Altium 365.