Elektronisches Design - Wo die Impedanz in der Leiterplatte nicht kontinuierlich sein kann

Jeder weiß, dass die Impedanz kontinuierlich sein muss. Es gibt immer Zeiten, in denen die Impedanz nicht kontinuierlich sein kann PCB-Design. How to do?

Charakteristische Impedanz: auch bekannt als "charakteristische Impedanz", es ist kein DC-Widerstand, es gehört zum Konzept der Langzeitübertragung. Im Hochfrequenzbereich, während der Signalübertragung, wo die Signalkante ankommt, wird ein Sofortstrom zwischen der Signalleitung und der Bezugsebene (Leistungs- oder Masseebene) aufgrund der Bildung eines elektrischen Feldes erzeugt.

Wenn die Übertragungsleitung isotrop ist, so lange das Signal sendet, gibt es immer einen Strom I, und wenn die Ausgangsspannung des Signals V ist, wird die Übertragungsleitung einem Widerstand während der Signalübertragung äquivalent sein, dessen Größe V/I ist. Nennen Sie diesen äquivalenten Widerstand die charakteristische Impedanz Z der Übertragungsleitung.

Wenn sich im Prozess der Signalübertragung die charakteristische Impedanz auf dem Übertragungsweg ändert, wird das Signal an dem Knoten reflektiert, an dem die Impedanz diskontinuierlich ist. Die Faktoren, die die charakteristische Impedanz beeinflussen, sind: dielektrische Konstante, dielektrische Dicke, Linienbreite und Kupferfoliendicke.

[1] Verlaufslinie

Einige HF-Gerätepakete sind klein, SMD-Pad-Breite kann so klein wie 12 mils sein, und HF-Signal-Leitungsbreite kann 50 mils oder mehr erreichen. Es müssen Verlaufslinien verwendet werden, und Änderungen der Linienbreite sind verboten. Die Verlaufslinie ist wie in der Abbildung gezeigt, und die Linie des Übergangsteils sollte nicht zu lang sein

[2] Ecke

Wenn die HF-Signalleitung im rechten Winkel verläuft, erhöht sich die effektive Linienbreite an der Ecke, und die Impedanz ist diskontinuierlich und verursacht Signalreflexion. Um die Diskontinuität zu reduzieren, um mit den Ecken umzugehen, gibt es zwei Methoden: Fasen und Abrunden. Der Radius des Bogenwinkels sollte im Allgemeinen groß genug sein, um sicherzustellen: R>3W.

Großes Pad

Wenn es große Pads auf der 50-Ohm-Mikrostreifenleitung gibt, sind die großen Pads äquivalent zur verteilten Kapazität, die die charakteristische Impedanzkontinuität der Mikrostreifenleitung zerstört. Zwei Methoden können zur gleichen Zeit verwendet werden, um zu verbessern: erstens, Verdicken des Mikrostreifendielektrikums und zweitens Aushöhlen der Erdungsebene unter dem Pad, was die verteilte Kapazität des Pads verringern kann.

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Vias sind Metallzylinder, die außerhalb der Durchgangslöcher zwischen der Oberseite und dem Leiterplattenunterschichten. Signal Vias verbinden Übertragungsleitungen auf verschiedenen Schichten. Der Via Stub ist der ungenutzte Teil der Via. Via Pads sind ringförmige Abstandshalter, die das Via mit der oberen oder internen Übertragungsleitung verbinden. Isolationsscheiben sind ringförmige Lücken in jeder Leistungs- oder Masseebene, um Kurzschlüsse zur Leistungs- und Masseebene zu verhindern.

Parasitische Parameter von Vias

Nach rigoroser Ableitung der physikalischen Theorie und approximativer Analyse kann das äquivalente Schaltungsmodell des Durchgangs als Induktor modelliert werden, der in Reihe mit einem Erdungskondensator an beiden Enden verbunden ist.

Äquivalentes Schaltungsmodell von via

Aus dem äquivalenten Schaltungsmodell ist ersichtlich, dass das Via selbst parasitäre Kapazität zur Masse aufweist. Nehmen wir an, dass der Durchmesser des Durchgangs-Antipads D2 ist, der Durchmesser des Durchgangs-Pads D1 ist, die Dicke der Leiterplatte T ist und die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats ε ist, dann ist die parasitäre Kapazität des Durchgangs ungefähr:

Die parasitäre Kapazität des Durchgangs kann dazu führen, dass die Signalanstiegszeit verlängert und die Übertragungsgeschwindigkeit verlangsamt wird, wodurch die Signalqualität verschlechtert wird. Ebenso haben Vias auch parasitäre Induktivität. Bei digitalen Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist der Schaden, der durch parasitäre Induktivität verursacht wird, oft größer als die parasitäre Kapazität.

Seine parasitäre Reiheninduktivität schwächt den Beitrag des Bypass-Kondensators und schwächt dadurch den Filtereffekt des gesamten Stromsystems. Nehmen wir an, L ist die Induktivität des Durchgangs, h ist die Länge des Durchgangs und d ist der Durchmesser des Mittellochs. Die ungefähre parasitäre Induktivität des Durchgangs ist ähnlich wie:

Vias sind einer der wichtigen Faktoren, die Impedanzkonstinuitäten auf dem HF-Kanal verursachen. Wenn die Signalfrequenz größer als 1GHz ist, muss die Auswirkung von Durchkontaktierungen berücksichtigt werden.

Häufige Methoden, um die Unterbrechung der Durchlaufimpedanz zu reduzieren, umfassen: Annahme eines disklosen Prozesses, Auswahl einer Austrittsmethode und Optimierung des Durchmessers des Anti-Pads. Die Optimierung des Anti-Pad-Durchmessers ist eine der am häufigsten verwendeten Methoden, um Impedanzkonstinuitäten zu reduzieren. Da die Eigenschaften von Durchkontaktierungen mit den strukturellen Abmessungen wie Öffnung, Pad, Anti-Pad, laminierte Struktur und Verdrahtungsmethode zusammenhängen, wird empfohlen, HFSS und Optimetrics für Optimierungssimulationen entsprechend der spezifischen Situation während jedes Entwurfs zu verwenden.

Bei Verwendung eines parametrischen Modells, der Modellierungsprozess ist einfach. Während der Überprüfung, PCB-Designer are required to provide corresponding simulation documents.

Der Durchmesser des Durchgangs, der Durchmesser des Pads, die Tiefe und das Anti-Pad bringen alle Änderungen mit sich, die zu Impedanzkonstinuität, Reflexion und Einfügeverluste führen.

Koaxialverbinder mit Durchgangsloch

Ähnlich der Via-Struktur hat der Koaxialstecker mit Durchgangsloch auch Impedanzkonstinuität, so dass die Lösung die gleiche wie die des Via ist. Häufig verwendete Methoden, um die Impedanzkonstinuität von Koaxialsteckverbindern mit Durchgangsloch zu reduzieren, sind auch: Annahme eines scheibenlosen Prozesses, eine geeignete Austrittsmethode und Optimierung des Durchmessers des Antipads.