Mikrostreifenimpedanz: Theorie zum PCB-Layout

Warum 50Ω Matters

Also warum 50Ω? Es ist keine magische Zahl, die vom Himmel gefallen ist. Damals wurde den Ingenieuren klar, dass Koaxialkabel zwei konkurrierende Anforderungen miteinander in Einklang bringen mussten: die Stromversorgung ohne Lichtbogenbildung (was eine niedrige Impedanz erfordert) und die Minimierung der Verluste (was eine höhere Impedanz erfordert, etwa 77Ω für Luftdielektrikum). Sie entschieden sich für 50Ω als optimalen Punkt, und es blieb hängen. Jetzt ist es überall im HF-Bereich zu finden — Testgeräte, Stecker, Verstärker, Antennen. Wenn Sie stattdessen Video machen, werden Sie feststellen, dass 75Ω. High-Speed-Digitaltechniker oft 100Ω Differentialpaare verwenden.

Hier ist die Sache mit Impedanzfehlanpassungen: Bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen kümmert es niemanden. Das Signal bewegt sich langsam genug, sodass Reflexionen verschwinden, bevor sie Probleme verursachen. Aber wenn die Frequenzen steigen, fangen diese Reflexionen an zu beißen. Es gibt eine ungefähre Schwelle, an der du anfangen musst, dir Sorgen zu machen:

In dieser Gleichung ist vₚ Ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit (normalerweise etwa 0,6 c auf FR4) und l ist die Leiterbahnlänge. Rechnen Sie die Zahlen für eine 10-cm-Kurve auf Standard-FR4 aus, und Sie erhalten ungefähr 900 MHz. Oberhalb dieser Frequenz ist die Impedanzsteuerung nicht mehr optional.

Die meisten Ingenieure überspringen auf ihren ersten Platinen das richtige Impedanzdesign und bereuen es später, wenn sie vor einer Demo um 2 Uhr morgens rätselhafte Probleme mit der Signalintegrität beheben.

Die Hammerstad-Jensen-Gleichungen

Sie finden viele Online-Rechner, die die vereinfachten IPC-2141-Gleichungen verwenden. Sie eignen sich für ungefähre Schätzungen — mit einer Genauigkeit von vielleicht ± 5%. Aber wenn Sie etwas herstellen, das wichtig ist, sollten Sie die Hammerstad-Jensen-Formeln von 1980 verwenden, die mit Wadells Korrekturen verfeinert wurden. Damit erreichen Sie eine Genauigkeit von ± 1%, was angesichts der Fertigungstoleranzen ohnehin in etwa so gut ist, wie Sie es erwarten können.

Die Berechnung teilt sich je nach dem Seitenverhältnis der Leiterbahn in zwei Fälle auf. Für schmale Spuren, bei denen W/H < 1 ist:

Und für breite Spuren mit W/H ≥ 1:

Der Wₑ Begriff ist Ihre effektive Breite — er berücksichtigt die Tatsache, dass Kupferspuren die tatsächliche Dicke haben, nicht die Abstraktion mit Nullhöhe, die wir in einfachen Modellen so tun, als ob sie es wären. Und *ε*eff ist die effektive Dielektrizitätskonstante, was kompliziert ist, weil Ihre Feldlinien nicht vollständig im Substrat verlaufen. Einige von ihnen befinden sich in der Luft oberhalb der Leiterbahn, sodass die effektive Dielektrizitätskonstante irgendwo zwischen εᵣ Ihres Leiterplattenmaterials und 1,0 (Luft) liegt.

Materialauswahl

Die Wahl Ihres Trägermaterials ist eine dieser Entscheidungen, die einfach erscheinen, bis Sie sich die Optionen tatsächlich ansehen. In der Regel wählen Sie zwischen folgenden Optionen:

Der Standard-FR4 ist billig und überall erhältlich, weshalb ihn jeder für digitale Dinge und niederfrequente HF verwendet. Aber seine Dielektrizitätskonstante schwankt je nach Frequenz — Sie könnten sehen, dass 4,5 bei 100 MHz auf 4,1 mal 10 GHz abfällt. Das Glasgeflechtmuster erzeugt auch lokale Variationen der Dielektrizitätskonstante, die Ihre Impedanz durcheinander bringen können, wenn Sie nicht aufpassen. Für alles über 1 GHz, bei dem Ihnen die Leistung wirklich wichtig ist, geben Sie ein Controlled-DK-Laminat an. Materialien von Rogers sind die übliche Wahl für ernsthafte HF-Arbeiten. Sie kosten mehr, aber die Dielektrizitätskonstante ist stabil und die Verlusttangente ist viel besser.

Materialien auf PTFE-Basis sind das, wonach Sie greifen, wenn Sie mit der Mikrowelle oder mmWave arbeiten und der Verlust Sie umbringt. Aluminiumoxid-Substrate kommen in Hochleistungs-HF- und Hybridschaltungen zum Einsatz, bei denen die thermische Leistung gefragt ist.

Fertigungstoleranzen

Lassen Sie uns darüber sprechen, was Ihr PCB-Hersteller tatsächlich erreichen kann, denn davon hängt ab, ob Ihre sorgfältigen Impedanzberechnungen in der realen Welt etwas bedeuten.

Ein typischer Hersteller hält diese Toleranzen bei einer Standardbestellung ein:

• Leiterbahnbreite: ±0,05 mm (±2 mil) ist normal. Wenn Sie für die kontrollierte Impedanz extra bezahlen, erhalten Sie möglicherweise ±0,025 mm (±1 mil).
• Dielektrische Dicke: ± 10% ist Standard. Bei impedanzgesteuerten Lagenaufbauten sinken Sie auf ± 5%.
• Kupferdicke: ± 10% ist so ziemlich das, was man überall bekommt.

Kombinieren Sie all diese Variationen — und sie gleichen sich nicht aus, sie addieren sich in Quadratur — und Sie haben eine Impedanzschwankung von ungefähr ± 10% bei einer Standardbestellung. Zahlen Sie für die Impedanzkontrolle und Sie können die Impedanz auf ± 5% reduzieren. Brauchen Sie etwas Besseres? Du musst es explizit angeben, Testgutscheine bereitstellen und damit rechnen, dass der Preis deutlich steigen wird. Die meisten Anwendungen benötigen nicht mehr als ± 5%, obwohl sich die Leute mehr Gedanken darüber machen als nötig.

Praktische Designregeln

Hier trifft Theorie auf das tatsächliche Leiterplattenlayout, das Sie um Mitternacht in Ihrem CAD-Tool erstellen.

Ziel 50Ω für HF-Arbeiten und 100Ω Differential für Hochgeschwindigkeitsdigital. Dies sind aus gutem Grund Standards — Ihre Steckverbinder, Testgeräte und Referenzdesigns gehen allesamt davon aus. Bei einer typischen 1,6 mm FR4-Platine mit 1 Unze Kupfer entspricht das einer Leiterbahnbreite von etwa 2,8 mm für 50Ω einseitig. Für 100Ω Differentialpaare benötigen Sie einen Abstand von etwa 0,12 mm zwischen 1,8 mm Leiterbahnen. Dies sind ungefähre Zahlen — verwenden Sie einen geeigneten Rechner für Ihren tatsächlichen Lagenaufbau. Halten Sie Ihre Referenzflugzeuge solid. Bei diesem Modell kommen viele Leute in die Irre. Jede Lücke, jeder Schlitz oder jede Unterbrechung in der Grundplatte unter der Leiterbahn mit kontrollierter Impedanz verändert die lokale Impedanz auf eine Weise, die schwer vorherzusagen und nach der Rückkehr der Platine schwieriger zu beheben ist. Verlegen Sie die HF-Leiterbahnen von den Kanten der Platine weg, an denen die Referenzebene durchtrennt oder unterbrochen werden könnte. Wenn Sie eine Abzweigung überqueren müssen, tun Sie dies im 90°-Winkel, um den Abstand zu minimieren, ohne dass ein Rückweg erforderlich ist. Durchkontaktierungen um die HF-Leiterbahnen herum zusammenfügen. Bei Mikrostreifenleitungen sollten Sie Erdungsdurchkontaktierungen auf beiden Seiten der Leiterbahn haben, die etwa λ/20 voneinander entfernt sind. Dadurch werden Wellenleitermoden mit Parallelplatten unterdrückt, die Strahlung ausstrahlen und zu Kopplungen zwischen Leiterbahnen führen können. Es ist eines dieser Dinge, die in einfachen Simulationen nicht auftauchen, aber in der realen Welt von Bedeutung sind, insbesondere oberhalb einiger GHz. Passen Sie Ihre Unterbrechungen an. Bei jedem Anschluss, bei jedem Verbindungsübergang und bei jedem Komponentenpad entsteht eine Impedanzunterbrechung. Eine Durchkontaktierung hat beispielsweise eine Erdungskapazität und eine vom Gehäuse ausgehende Induktivität — insgesamt sieht sie induktiv aus. Sie können dies ausgleichen, indem Sie die Größe der Kontaktflächen reduzieren (wodurch ein Gegenpolster in der Grundebene entsteht) oder indem Sie die Größe der Hohlräume bei den Übergängen sorgfältig kontrollieren. Ziel ist es, die Impedanz der Durchkontaktierung an die Leiterbahnimpedanz anzupassen, auch wenn die Geometrie seltsam aussieht. Manche Ingenieure fügen kleine Abschnitte mit einer breiteren oder schmaleren Leiterbahn hinzu, um Diskontinuitäten auszuschließen. Es funktioniert, aber es erfordert entweder Simulation oder viel Erfahrung, um es richtig zu machen.

Überprüfung

Nachdem Sie alle Ihre Berechnungen durchgeführt und das Brett ausgelegt haben, sind Sie noch nicht fertig. Verwenden Sie unseren Microstrip-Impedanzrechner, um Ihre Leiterbahnabmessungen für Ihren spezifischen Lagenaufbau zu berechnen. Bestätigen Sie dann — und das ist wichtig — diese Abmessungen mit dem Lackup-Impedanzrechner Ihres Leiterplattenhauses. Verschiedene Fabriken verwenden unterschiedliche Kerne und Prepregs, und die tatsächlichen dielektrischen Dicken können von Ihren Annahmen abweichen.

Für Produktionsläufe fordern Sie Testgutscheine an. Dabei handelt es sich um separate Leiterbahnen auf dem Panel mit derselben Geometrie wie Ihre kritischen impedanzkontrollierten Leiterbahnen. Nach der Herstellung können Sie sie mit einem TDR (Zeitbereichsreflektometer) messen, um die tatsächliche Impedanz zu überprüfen, bevor Sie Hunderte von Leiterplatten zusammenbauen. Ein TDR zeigt Ihnen genau, wo Impedanzdiskontinuitäten liegen und wie stark sie sind. Das ist der Unterschied zwischen Erraten und Wissen.

Die meisten Boards, die Arbeiten mit kontrollierter Impedanz durchführen, bieten im Rahmen des Service TDR-Messungen Ihrer Coupons an. Wenn sie das nicht anbieten, suchen Sie sich ein anderes Fabhouse für HF-Arbeiten.