Leiterplattentechnisch - Was tun, wenn die Leiterplattendesignimpedanz nicht kontinuierlich sein kann

Wie man Übersprechen im Leiterplattendesign unterdrückt und was zu tun ist, wenn die Leiterplattendesignimpedanz nicht kontinuierlich sein kann

Wie man Übersprechen im PCB Design unterdrückt

Ein geändertes Signal (z. B. ein Schrittsignal) breitet sich entlang der Übertragungsleitung von A nach B aus. Ein gekoppeltes Signal wird auf der Übertragungsleitung CD erzeugt. Sobald das geänderte Signal endet, das heißt, wenn das Signal auf einen stabilen Gleichstrompegel zurückkehrt, wird das gekoppelte Signal nicht existieren, also Übersprechen Es tritt nur im Prozess von Signalübergängen auf, und je schneller ändert sich die Signalkante (Umwandlungsrate), je größer das erzeugte Übersprechen.

Das im Raum gekoppelte elektromagnetische Feld kann als Ansammlung unzähliger Kopplungskondensatoren und Kopplungsinduktivitäten extrahiert werden. Das vom Kopplungskondensator erzeugte Übersprechersignal kann im Opfernetzwerk in Vorwärts- und Rückwärtsübersprechen Sc unterteilt werden. Diese beiden Signale haben die gleiche Polarität; Das durch die Induktivität erzeugte Übersprechersignal wird auch in Vorwärtsübersprechen und Rückwärtsübersprechen SL unterteilt, und diese beiden Signale haben entgegengesetzte Polaritäten.

Das durch die gekoppelte Induktivität und Kapazität erzeugte Vorwärts- und Rückwärtsübersprechen existieren gleichzeitig und sind nahezu gleich groß. Auf diese Weise brechen sich die Vorwärts-Übersprechersignale auf dem Opfernetzwerk aufgrund der entgegengesetzten Polarität auf, und die umgekehrte Übersprecherpolarität ist dieselbe, und die Überlagerung wird erhöht. Die Modi der Übersprechenanalyse umfassen normalerweise Standardmodus, Drei-Status-Modus und Worst-Case-Modus-Analyse.

Der Standardmodus ähnelt der Art und Weise, wie wir das Übersprechen tatsächlich testen, das heißt, der verletzende Netzwerktreiber wird von einem Flip-Signal angetrieben, und der Opfer-Netzwerktreiber behält den Anfangszustand (hohes oder niedriges Niveau), und dann wird der Übersprechenwert berechnet. Diese Methode ist effektiver für die Übersprechenanalyse von unidirektionalen Signalen. Der Tri-State-Modus bedeutet, dass der Treiber des angreifenden Netzwerks von einem Flip-Signal angetrieben wird und das Tri-State-Terminal des Opfers-Netzwerks auf einen hochohmigen Zustand eingestellt ist, um die Größe des Übersprechens zu erkennen. Diese Methode ist effektiver für Zwei-Wege- oder komplexe Topologie-Netzwerke. Die Worst-Case-Analyse bezieht sich darauf, den Treiber des Opfernetzwerks im Ausgangszustand zu halten, und der Simulator berechnet die Summe des Übersprechens aller standardmäßigen Verletzungsnetzwerke zu jedem Opfernetzwerk.

Diese Methode analysiert in der Regel nur einzelne Schlüsselnetze, da zu viele Kombinationen berechnet werden können und die Simulationsgeschwindigkeit relativ langsam ist.

Es gibt immer mehrere Stellen, an denen die Impedanz im PCB-Design nicht kontinuierlich sein kann. Was soll ich tun?

Jeder weiß, dass die Impedanz kontinuierlich sein muss. Wie Luo Yonghao sagte: "Es gibt immer Zeiten, in denen Sie in Ihrem Leben auf den Hocker treten", es gibt immer Zeiten, in denen die Impedanz im PCB-Design nicht kontinuierlich sein kann. Wie geht's?

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 der Leiterplatte 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.

[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 oberen und unteren Schicht der Leiterplatte plattiert sind. 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 ein geerdeter Kondensator sein, der an beiden Enden einer Induktivität in Reihe geschaltet ist, wie in Abbildung 1 gezeigt.

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 ist der Modellierungsprozess einfach. Während der Überprüfung müssen PCB-Designer entsprechende Simulationsdokumente vorlegen.

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.