PCB

Impedanzrechner für zwei Streifenleitungen

Berechnen Sie die Impedanz für beide Signalschichten einer dualen Streifenleitung (zwei Routing-Schichten teilen sich ein Ebenenpaar), plus die Breitbandübersprechstrafe, wenn sich Leiterbahnen überlappen.

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Formel

Z_{0n} = \frac{2 Z_a Z_b}{Z_a + Z_b},\qquad k_b = \frac{Z_{even} - Z_{odd}}{Z_{even} + Z_{odd}}

Referenz: IPC-2141A; E. Bogatin, "Signal and Power Integrity — Simplified", 3rd ed., ch. 11

b— Plane-to-plane spacing (mm)

h₁— Layer 1 to upper plane (mm)

h₂— Layer 2 to lower plane (mm)

s— Separation between the two signal layers (mm)

k_b— Broadside backward-crosstalk coefficient

Wie es funktioniert

Durch die duale Streifenleitung werden zwei Routing-Ebenen zwischen einem Paar von Referenzebenen platziert. Es ist ein Kostenspiel: Sie erhalten zwei Signallagen zum Preis eines Ebenenpaars. Auf einer dichten Platine können so zwei Kupferschichten und ein Laminierungszyklus eingespart werden. Der Preis, den Sie zahlen, ist die Kopplung zwischen den beiden Signallagen, und das muss eher durch Routing-Disziplin als durch Geometrie gesteuert werden.

Jede Signalschicht für sich ist einfach eine versetzte Streifenleitung. Ebene 1 befindet sich $h_1$ von der oberen Ebene und $s + t + h_2$ von der unteren Ebene; Ebene 2 ist der Spiegel. Beide werden mit Cohns Parallel-Half-Konstruktion gelöst:

Z_ {0} =\ frac {2 Z_a z_B} {z_A + z_B}

Die andere Signalschicht wird bewusst nicht als Referenz behandelt. Sie ist ein schwimmender Leiter, kein Flugzeug, und sie überträgt ihr eigenes Signal. Genau aus dieser Annahme müssen die beiden Schichten orthogonal verlaufen. In dem Moment, in dem zwei Leiterbahnen parallel übereinander verlaufen, wird das Modell nicht mehr angewendet und Sie haben stattdessen ein Paar, das an der Breitseite gekoppelt ist.

Warum Überlappung so schädlich ist

Wenn zwei Leiterbahnen auf benachbarten Signalschichten übereinander verlaufen, stehen sie sich über ein dünnes Dielektrikum ohne dazwischen liegende Ebene gegenüber. Das ist die engste Kupplungsgeometrie, die auf einer Leiterplatte verfügbar ist. Zerlegung in Modi: Im ungeraden Modus wird eine elektrische Wand in der Mitte zwischen den Leiterbahnen platziert, im geraden Modus wird dort eine magnetische Wand platziert, sodass jede Leiterbahn nur auf ihre eigene Ebene verweist. Der Rückwärtsübersprechkoeffizient ergibt sich aus der Aufteilung:

k_b =\ frac {Z_ {gerade} - Z_ {ungerade}} {Z_ {gerade} + Z_ {ungerade}}

Bei einer typischen Geometrie mit zwei Streifenleitungen liegt dieser Wert bei etwa 20% und steigt über 50%, wenn die beiden Signalschichten näher beieinander als an ihren Ebenen liegen — um ein Vielfaches schlimmer als die Kantenkopplung zwischen benachbarten Leiterbahnen auf derselben Ebene. Das ist keine Zahl, nach der Sie entwerfen; es ist eine Zahl, die Sie vermeiden, indem Sie eine Schicht in Nord-Süd und die andere in Ost-West-Richtung verlegen.

Impedanzasymmetrie

Sofern der Aufbau nicht symmetrisch ist, haben die beiden Schichten nicht dieselbe Impedanz. 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 Ebene und teilen Sie dem Hersteller beide Werte mit.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Eine 6-lagige Platine ist auf L2 und L5 geerdet, mit Signallagen auf L3 und L4. Der Ebene-Ebene-Abstand beträgt 0,8 mm, L3 liegt 0,2 mm unter L2, die beiden Signallagen sind 0,33 mm voneinander entfernt, Kupfer ist 1 Unze, FR4 er = 4,2. Finden Sie beide Impedanzen und die Worst-Case-Kopplung.

Schritt 1 — Leiten Sie die untere Lücke ab: h2 = b — h1 — s — 2t = 0,8 — 0,2 — 0,33 — 0,07 = 0,2 mm Der Aufbau ist symmetrisch, daher sollten beide Schichten übereinstimmen.

Schritt 2 — Impedanz der Schicht 3, Leiterbahn 0,13 mm Nahabstand 0,2 mm, Fernreferenz bei s + t + h2 = 0,565 mm. Spiegelt man jede Hälfte um ihre eigene Ebene, erhält man zwei äquivalente symmetrische Streifenleitungen: Z_a (b = 0,435 mm) = 50,04 Ohm Z_b (b = 1,165 mm) = 78,55 Ohm Kombinieren Sie die Hälften und stellen Sie den Rand wieder her, den die einfache Überlagerung auslässt: Z0 = 60,51 Ohm

Schritt 3 — Schicht 4 ist das Spiegelbild, also auch 60,51 Ohm. Symmetrisch bestätigt.

Schritt 4 — Breitseitenkopplung im schlimmsten Fall, wenn sich die Schichten überlappen. Im ungeraden Modus wird bei s/2 = 0,165 mm eine elektrische Wand in der Mitte zwischen den Leiterbahnen platziert. Im geraden Modus wird sie durch eine magnetische Wand ersetzt, sodass jede Leiterbahn auf ihre eigene Ebene verweist, aber immer noch ein Feld hinter der Wand zu sehen ist. Z_odd = 47,45 Ohm, Z_even = 73,52 Ohm k_b = (73,52 — 47,45)/(73,52 + 47,45) = 21,6%

Schritt 5 — Interpretation. Über ein Fünftel der Aggressorspannung entsteht auf dem Opfer, wenn die beiden Spuren parallel übereinander verlaufen — um ein Vielfaches schlimmer als die Kantenkopplung zwischen Nachbarn auf derselben Ebene bei normalem Abstand. Verlegen Sie L3 horizontal und L4 vertikal. Die Überlappung reduziert sich dann auf isolierte Kreuzungen, bei denen die gekoppelte Länge einen Bruchteil eines Millimeters beträgt und das Übersprechen vernachlässigbar ist.

Praktische Tipps

✓Verlegen Sie die beiden Ebenen ausnahmslos orthogonal. Setzen Sie dies mit einer Entwurfsregel durch, nicht mit Disziplin des Prüfers.
✓Geben Sie jeder Schicht ihre eigene Leiterbahnbreite, wenn der Stapel asymmetrisch ist, und tragen Sie beide Breiten in die Fertigungszeichnung ein.
✓Halten Sie die beiden Signallagen so weit auseinander, wie es der Stapel zulässt, und jede Schicht so nah wie möglich an ihrer eigenen Ebene — das ist die Geometrie, die die Kopplung minimiert.
✓Wenn Sie zwei Netze parallel über Ebenen laufen lassen müssen, stellen Sie sicher, dass sie nicht miteinander verwandt sind und langsam sind. Tun Sie das niemals mit einer Uhr oder einem Stroboskop.
✓Wo das Budget ein Flugzeug zwischen den beiden Signalschichten zulässt, nehmen Sie es. Die duale Streifenleitung ist ein Kostenkompromiss, keine Wahl für die Leistung.
✓Überprüfen Sie den angegebenen Kopplungskoeffizienten, bevor Sie mit dem Stack-up beginnen. Oberhalb von etwa 10% ist die Orthogonalitätsregel keine Empfehlung mehr und wird zu einer harten Anforderung.

Häufige Fehler

✗Routing beider Signallagen in die gleiche Richtung. Überlappende Leiterbahnen an der Breitseite verbinden sich in der Regel zu etwa 20%, und noch mehr, wenn die Schichten nahe beieinander liegen — kein noch so großer Abstand innerhalb einer Schicht gleicht das aus.
✗Angenommen, beide Schichten haben die gleiche Impedanz. Sie stimmen nur überein, wenn der Aufbau symmetrisch ist; andernfalls ist die Schicht, die näher an ihrer Ebene liegt, niedriger.
✗Behandlung der anderen Signalschicht als Referenzebene im Impedanzmodell. Es handelt sich um einen schwimmenden Leiter, der sein eigenes Signal überträgt, und wenn man ihn als Masse modelliert, erhält man eine optimistisch niedrige Impedanz.
✗Platzieren Sie ein Differentialpaar auf einer Doppelstreifenleitungsebene und eine schnelle einseitige Uhr auf der anderen, direkt darüber. Die Uhr wird im Gleichtaktmodus in das Paar eingekoppelt, was vom Empfänger nicht abgewiesen werden kann.
✗Vergessen Sie, die beiden Kupferdicken zu addieren, wenn Sie den zweiten Schichtversatz aus dem Ebenenabstand ableiten. Ein Fehler von 0,07 mm bei einem Abstand von 0,2 mm entspricht einem Fehler von 35% an der falschen Stelle.

Häufig gestellte Fragen

Was ist eine duale Streifenleitung?

Zwei Signalrouting-Ebenen, die zwischen demselben Paar von Referenzebenen angeordnet sind, ohne dass sich eine Ebene dazwischen befindet. Es spart Kupferschichten und Kosten, verglichen mit der Tatsache, dass jeder Signalschicht ein eigenes Ebenenpaar zugewiesen wäre.

Müssen die beiden Schichten wirklich orthogonal sein?

In der Praxis ja. Leiterbahnen, die sich über ein dünnes Dielektrikum ohne dazwischenliegende Ebene gegenüberstehen, sind die am engsten miteinander verbundenen Strukturen auf einer Leiterplatte — in der Regel etwa 20% Übersprechen nach hinten, bei engen Lagen sogar noch mehr. Wenn eine Schicht horizontal und die andere vertikal verlegt wird, reduziert sich die Verbindungslänge an jeder Kreuzung auf nahezu Null.

Warum haben meine beiden Schichten eine unterschiedliche Impedanz?

Weil sie in unterschiedlichen Abständen von ihrer näheren Ebene sitzen. Die Schicht, die näher an ihrer Ebene liegt, hat die niedrigere Impedanz. Korrigieren Sie das Problem mit unterschiedlichen Leiterbahnbreiten pro Schicht, anstatt zu versuchen, einen symmetrischen Lagenaufbau zu erzwingen.

Kann ich Differentialpaare auf einer dualen Streifenleitung ausführen?

Ja, vorausgesetzt, die Orthogonalitätsregel gilt und nichts Schnelllaufendes direkt über das Paar auf der benachbarten Ebene läuft. Die Breitseitenkopplung, die von einem Aggressor oben ausgeht, tritt auf dem Paar als Gleichtakt auf, den die Zurückweisung durch den Empfänger nicht aufheben kann.

Ist die doppelte Streifenleitung die Mühe wert?

Bei dichten, kostensensitiven Designs ja — zwei eingesparte Schichten bedeuten bei Volumen echtes Geld. Platzieren Sie bei Hochgeschwindigkeitsdesigns mit knappen Budgets für Crosstalk stattdessen eine Ebene zwischen den Signallagen und nehmen Sie die zusätzlichen Kosten in Kauf.

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