Duale Streifenleitung: Warum die orthogonale Regel nicht optional ist

Der Handel, den du machst

Bei der dualen Streifenleitung werden zwei Leitungsebenen zwischen einem einzigen Paar von Referenzebenen angeordnet. Normalerweise erhält jede Signalschicht ihr eigenes Ebenenpaar; hier teilen sie sich.

Das spart zwei Kupferschichten und einen Laminierungszyklus mit ihnen. Auf einer dichten Platine bei hoher Lautstärke ist das echtes Geld — weshalb die doppelte Streifenleitung in kostengünstigen Designs immer wieder auftaucht, obwohl die Leute über die Signalintegrität meckern.

Das Murren ist berechtigt. Sie tauschen die Herstellungskosten gegen ein Kupplungsproblem ein, und das Kupplungsproblem verschwindet nicht durch vorsichtige Abstände. Es verschwindet mit der Routing-Disziplin oder es verschwindet überhaupt nicht.

Jede Ebene für sich ist nur eine versetzte Streifenleitung

Nichts Exotisches. Schicht 1 befindet sich in einiger Entfernung von der oberen Ebene und weiter von der unteren Ebene entfernt. Ebene 2 spiegelt es wider. Bei beiden handelt es sich um versetzte Streifenleitungen, die auf die übliche Weise gelöst wurden.

Ein Modellierungspunkt ist wichtig: Die andere Signalschicht ist keine Referenz. Es ist ein schwimmender Leiter, der sein eigenes Signal überträgt. Wenn man ihn wie Masse behandelt, entsteht eine optimistisch niedrige Impedanz und das falsche Gefühl, dass alles in Ordnung ist.

Diese Annahme — die andere Schicht schwimmt, nicht die Erde — ist genau das, was in dem Moment kaputt geht, in dem zwei Leiterbahnen parallel übereinander verlaufen. Das bringt uns zum eigentlichen Problem.

Die Nummer

Wenn zwei Leiterbahnen auf benachbarten Signalschichten übereinander laufen, stehen sie sich über ein dünnes Dielektrikum mit keiner Ebene dazwischen gegenüber. Das ist die am engsten gekoppelte Struktur, die Sie auf einer Leiterplatte aufbauen können.

Zerlegen Sie sie in Modi. Im Modus „Seltsam“ befindet sich eine elektrische Wand in der Mitte zwischen den Leiterbahnen. Im geraden Modus wird dort eine magnetische Wand platziert, sodass sich jede Spur hauptsächlich auf ihre eigene Ebene bezieht. Der Rückwärtsübersprechkoeffizient fällt aus dem Split heraus:

Bei einer typischen Geometrie mit zwei Streifenleitungen — 0,8 mm Ebenenabstand, 0,33 mm voneinander entfernte Schichten, 0,13 mm Leiterbahnen in FR4 — ergibt das etwa 20% .

Zwanzig Prozent. Ein Fünftel der Spannung des Aggressors wird am Opfer übertragen.

Vergleichen Sie das mit der Kantenkopplung zwischen Nachbarn auf derselben Ebene bei normalem Abstand, das sind ein paar Prozent. Die Breitseitenüberlappung ist um eine Größenordnung schlimmer, und kein noch so großer Abstand innerhalb der Schichten berührt sie, weil die Kopplung nicht innerhalb der Ebene stattfindet.

Schiebt man die beiden Signalschichten näher aneinander als an ihre Ebenen, steigt der Wert auf über 50%.

Also: orthogonal routen

Eine Ebene horizontal, die andere vertikal. Das ist die Regel.

Beim orthogonalen Routing überlappen sich zwei Leiterbahnen auf den beiden Schichten nur dort, wo sie sich kreuzen — ein Bereich, der nur einen Bruchteil eines Millimeters lang ist. Die Kopplung skaliert mit der gekoppelten Länge, sodass eine isolierte Kreuzung im Wesentlichen nichts beiträgt. Der Wert von 20% ist der schlechteste Fall für Leiterbahnen, die über eine lange Strecke parallel verlaufen, und durch orthogonales Routing wird diese Entfernung Null.

Setzen Sie dies mit einer Konstruktionsregel durch, nicht mit der Aufmerksamkeit des Prüfers. Rezensenten werden müde. Designregeln tun das nicht.

Wo es in der Praxis schief geht

Ein Differentialpaar auf der einen Ebene, ein schneller Takt auf der anderen, direkt darüber. Dieses ist unangenehm, weil die Gleichtaktunterdrückung des Paares nicht hilft. Die Breitseitenkopplung von einem Aggressor, der über dem Paar sitzt, wird fast gleichmäßig in beide Leiter eingespeist — das ist Gleichtaktfrequenz, und ein Differentialempfänger unterdrückt differentielles Rauschen, nicht das. Es segelt direkt durch. "Meist orthogonal." Eine zu 90% senkrechte Ebene mit ein paar langen horizontalen Läufen, um einem Hindernis auszuweichen. Diese wenigen Läufe sind genau dort, wo sich die Kopplung befindet. Unter der Annahme, dass beide Schichten die gleiche Impedanz haben. Sie stimmen nur überein, wenn der Aufbau symmetrisch ist. Welche Schicht näher an ihrer Ebene liegt, ist die Schicht mit niedrigerer Impedanz. Wenn beide das gleiche Ziel erreichen müssen, verwenden Sie unterschiedliche Leiterbahnbreiten pro Schicht — und tragen Sie beide Zahlen in die Fertigungszeichnung ein, da der Hersteller es nicht erraten wird.

Wann soll ich das Geld stattdessen ausgeben

Platziere eine Ebene zwischen die beiden Signalschichten, wenn:

• Sie leiten alles, was ein knappes Crosstalk-Budget hat — DDR, SerDes, schnelle Stroboskope.
• Sie können die Routing-Disziplin im gesamten Team und während der gesamten Projektdauer nicht garantieren, einschließlich der Rev-C-Änderungen, die jemand in Eile vornimmt.
• Das Board hat bereits genug Schichten, sodass ein weiteres Paar nicht den Ausschlag gibt.

Die doppelte Stripline ist ein Kostenkompromiss. Es eignet sich hervorragend für dichte, kostensensitive Designs, bei denen die Signale moderat sind und das Routing diszipliniert ist. Es ist schlecht, wenn Sie so tun, als wäre die Kopplung nicht da.

Ich überprüfe deinen eigenen Stapel

Ein paar Dinge, die es wert sind, getan zu werden, bevor du dich entscheidest:

• Ermitteln Sie den Kopplungskoeffizienten für Ihre tatsächliche Geometrie, keinen generischen. Das hängt stark von der Schichttrennung ab.
• Überprüfen Sie die Impedanz beider Schichten separat.
• Überprüfen Sie den abgeleiteten Offset der zweiten Schicht. Man vergisst leicht, dass beide Kupferdicken aus dem Budget von Ebene zu Ebene berechnet werden — 70 µm bei einem Abstand von 0,2 mm entsprechen einem 35-prozentigen Fehler an der falschen Stelle.
• Wenn die Schichten mehr als die Hälfte des Ebenenabstands voneinander entfernt sind, behandeln Sie jede Schätzung der geschlossenen Kopplung als Näherungswert. Das ist der Bereich, in dem sich die einfachen Modelle verhalten.

Der Dual Stripline Calculator gibt die Impedanz für beide Schichten und die schlimmste Breitseitenkopplung für Ihre Geometrie an. Er warnt, wenn die Zahlen außerhalb der Grenze liegen, an der das Modell vertrauenswürdig ist.