Leiterplattentechnisch - Leiterplatte impedanzdiskontinuität verursacht Signalreflexion

Dies ist ein ausführlicher Artikel zu einem sehr wichtigen Thema, das PCB Designer beherrschen sollten. Das erste, was Sie beachten sollten, ist, dass aufgrund der diskontinuierlichen Impedanz, Signalreflexionen treten in der Leiterplatte übertragungsleitung.

Die Übertragungsleitung sollte eine gleichmäßige charakteristische Impedanz aufweisen. Jede Änderung oder Unterbrechung der Impedanz verursacht Signalreflexion und Verzerrung.

Dieses Phänomen gilt auch für Leiterplatten Leiterbahnen und Übertragungsleitungen. Der Grund ist, dass die physikalische Wellenlänge des Hochfrequenzsignals sehr kurz ist. Daher weisen Leiterplatten-Spuren die gleichen Eigenschaften auf. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge. Sie müssen sogar kürzere Spuren wie Übertragungsleitungen behandeln.

Diskontinuitäten der Signaltrajektorie oder ungleichmäßige Diskontinuitäten bilden Diskontinuitäten der Signalintegrität. Um Signalverzerrungen an Quelle und Ziel zu vermeiden, Sie müssen dem Leiterplattenverfolgung Impedanz zur Quelle. Dann müssen Sie Impedanzen am Quell und Zielende laden. Dies stellt eine erhebliche Herausforderung dar, Erforderliches sorgfältiges PCB Design, um die Auswirkungen der Signaldämpfung durch Impedanzunterbrechungen zu mindern. Je größer die Diskontinuität der charakteristischen Impedanz, je höher die Signalreflexion. Dies bedeutet, dass die Signalverzerrung auch höher ist. Daher, Versuchen Sie, die Impedanzkonstinuität so gering wie möglich zu halten. In Bezug auf Amplitude und Zeit. Lesen Sie: Warum kontrollierte Impedanz wirklich wichtig ist.

Impedanzkonstinuität beeinflusst die Signalintegrität

Theoretisch ist das digitale Signal ein Quadratwellenpuls, der in kurzer Zeit schaltet. Natürlich führen die kurzen Signalanstiegszeiten, die von hochfrequenten digitalen Schaltungen benötigt werden,zu extrem hohen Frequenzen, die mit schnellen Signalanstiegszeiten verbunden sind. Tatsächlich sind diese Frequenzen eine Größenordnung höher als die Taktfrequenz der Schaltung.Die Impulsbreite von hochfrequenten digitalen Schaltungen ist kürzer. Dadurch eine kürzere Anstiegszeit. Eine sehr kurze Signalanstiegszeit bedeutet, dass das digitale Signal sehr hohe Frequenzen enthält. Daher sollten hochfrequente digitale Signale den Signalintegritätsregeln für Hochfrequenzsignale folgen.

Daher verursachen Änderungen der Impedanz der Leiterplatten Leiterbahnen Signalreflexionen. Diese können Klingeln und Signalverzerrungen verursachen. Das Ergebnis ist, dass bei hohen Schaltfrequenzen die Impedanzkonstinuität zu einer ernsthaften Verzerrung des digitalen Signals führt und Signalsampling-Fehler auftreten können. Sie können die Übertragungsleitung, die durch Leiterplatten-Leiterbahnen gebildet wird, mit den folgenden Parametern charakterisieren: Widerstand, Leitfähigkeit und Leiterbahnwiderstand. Lesen Sie den Unterschied zwischen Microstrip Linie und Stripline in PCB.

Typische Impedanzkonstinuität

Die charakteristische Impedanz der Leitung ist die Quadratwurzel der Induktivität geteilt durch die Kapazität. Dies ist eine vernünftige Annahme für Leiterplatten, da der Leiterbahnwiderstand und die Leitfähigkeit bei hohen Signalfrequenzen im Vergleich zu ihrer Induktivität und Kapazität vernachlässigbar sind.

Impedanzdiskontinuität ist jeder Faktor, der das Verhältnis der Spureninduktivität zu ihrer Kapazität beeinflusst. Hier einige typische Beispiele:

Impedanzänderungen in der Leitung: Wenn sich die Impedanz der Leitung aus irgendeinem Grund ändert, wie z. B. eine Änderung des Kupferquerschnitts oder eine Änderung des Leitungsweges, ändert sich die gegenseitige Induktivität und es tritt eine Impedanzkonstinuität auf.

Verzweigungen in der Leitung: Obwohl es notwendig sein kann, das Signal an mehrere Geräte zu leiten, kann die Verwendung von Verzweigungen und Leitungsstoppeln die Leitungsimedanz ändern und Unterbrechungen verursachen.

Rückkehrsignalsplittung: Hochfrequenzsignale breiten sich entlang des Pfades mit der niedrigsten Impedanz aus, der sich direkt unter der Signalspur befindet, normalerweise in der Erdungsebene. Jedes physikalische Merkmal in der Rücklaufleitung oder Erdungsebene, das das Rücklaufsignal zwingt, von diesem Pfad abzuweichen, verursacht Unterbrechungen.

Vias: Verwenden Sie Vias, um Signale von einer Schicht der Leiterplatte auf eine andere zu übertragen. Obwohl es ein grundlegendes Merkmal des PCB Designs ist, verändern die Form und Größe der Durchkontaktierungen die Induktivität und Kapazität der Leiterbahn und erzeugen eine weitere Diskontinuität. Um mehr zu erfahren, lesen Sie, wie Sie parasitäre Kapazität im PCB Layout reduzieren können.

Wie kann man die Auswirkungen von Impedanzkonstinuität begrenzen?

Der Schlüssel zur Kontrolle der negativen Auswirkungen der Impedanzkonstinuität besteht darin, alle Leiterplattensignalspuren als Übertragungsleitungen zu behandeln. Achten Sie darauf, dass die charakteristische Impedanz aller Punkte auf dem Signalweg gleich ist.

Stellen Sie sicher, dass Sie die folgenden Richtlinien befolgen:

Passen Sie Quellimpedanz und Lastimpedanz an: Stellen Sie sicher, dass die Quellimpedanz und die Lastimpedanz mit der Spurimpedanz übereinstimmen. Sie können dies erreichen, indem Sie Reihen- oder Parallelwiderstände verwenden, um die richtige Impedanz zu erreichen. Zusätzlich müssen Sie offene Leiterbahnen mit Widerständen mit dem richtigen Wert beenden.

Vermeiden Sie Verzweigungen: Wenn das Signal von mehreren Chips geteilt werden muss, verbinden Sie die Leitungen in einer Daisy Chain anstatt Zweige zu verwenden. Alternativ kann eine passende Puffereinrichtung verwendet werden, um das Signal an die Filiale zu übertragen.

Signalrückgabepfad: Stellen Sie sicher, dass die Signalrückgabe dem gleichen Pfad folgt wie die Signalleitung. Wenn Sie eine Masseebene verwenden, stellen Sie sicher, dass die Aufteilung des Rücksignalweges nicht unterbrochen wird. Stellen Sie sicher, dass sich eine feste Ebene befindet, die über die gesamte Länge unter der Spur verläuft, und es keine Risse oder Schnitte gibt. Wenn es keine feste Ebene gibt, verwenden Sie eine dickere Rücklaufbahn, die dreimal die Länge der Leiterbahn und die Höhe des Dielektrikums abdecken sollte.

Via Design: Hochfrequenzspuren möglichst auf einer Schicht anordnen. Wenn Vias erforderlich sind, verwenden Sie bitte Mikrovias anstelle herkömmlicher Vias. Da Durchgangslöcher deutlich unterschiedliche Kapazitäts- und Induktivitätseigenschaften aufweisen, minimieren Sie deren Verwendung auf Signalspuren. Verwenden Sie bei Bedarf Mikro-Durchkontaktierungen mit viel geringerer Kapazität und Induktivität als Standard Durchkontaktierungen. Die Mikrolöcher helfen auch, die Stummellänge so kurz wie möglich zu halten. Eine andere Methode ist die Verwendung von High Density Interconnection oder HDI PCB Technologie.

Impedanzkonstinuität und Signalreflexion

Das Signal auf einer einheitlichen Übertragungsleitung wird an allen Positionen auf der Leitung auf eine konstante Impedanz "Zc (V/I)" stoßen und das Signal wird bei Bedarf entlang dieser übertragen. Wenn es jedoch an irgendeinem Punkt eine Impedanzkonstinuität gibt, wird die Signalausbreitung beeinträchtigt, und Signalreflexion tritt auf, genauso wie Licht reflektiert wird, wenn es in dem Medium, in dem es sich ausbreitet, auf eine Diskontinuität trifft.

Verschiedene Arten von Impedanzkonstinuitäten und ihre möglichen Ursachen:

Da die Impedanz der Übertragungsleitung von der Geometrie des Leiters und den Eigenschaften des Leiterplattenmaterials abhängt, führt jede Änderung dieser Eigenschaften zu einer Änderung der Impedanz. Einige Beispiele sind hier aufgeführt.

An der Quelle oder am Ziel/Ende der Linie. Die Quellimpedanz oder Empfängerimpedanz unterscheidet sich normalerweise von der Impedanz der Leitung.

Die Änderung der Linienbreite oder höhe (dh Kupferdicke) des Leiterplatten materials zwischen Signalführung und Rückweg bw. Höhenänderung und/oder dielektrische Konstante.