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Analog Design16. Februar 2024
Resonanzen16. Februar 2024
Propagation Velocity?
Wellenwiderstand Z?
Die Dielektrizitätskonstante εR von typischen FR4-Materialien beträgt etwa 4,2 bei Frequenzen zwischen 1MHz und 1GHz. Ein keramisches Material beispielsweise, welches in einigen Hybridschaltungen und Leiterplatten verwendet wird, hat ein εR von etwa 10. Die meisten homogenen Kunststoffe und Harze haben ein εR zwischen 2 und 3. Die Dielektrizitätszahl kann also zwischen ~2 bis über ~10 bei verschiedenen Frequenzen variieren. Das gilt auch für den imaginären Teil der Dielektrizitätszahl.
Jeder Leiter (auch Transmission Line genannt) in der «realen Welt» hat eine Induktivität L und eine Kapazität C pro Längeneinheit (siehe Abbildung unten).
Diese Parameter sind abhängig von der Form des Leiters und seiner Geometrie in Bezug auf den Rückstrompfad. Änderungen der Dielektrizitätszahl haben Auswirkungen auf die parasitäre Kapazität einer Platine zwischen einer Transmission Line und ihrem Bezugsleiter oder zwischen einer Leiterbahn/Powerbus und anderen nahegelegenen Leitern. Sie wirken sich auch auf die natürliche Frequenz und Impedanz eines Substrats aus. Die Geometrie Ihrer Transmission Line muss präzise kontrolliert werden, um eine konsistente Impedanz zu gewährleisten. Grob gesagt hängt es also von der relativen Permeabilität µR und dem εR (im Falle einer typischen Transmission Line auf einer Leiterplatte: Kupfer, Zinn/Bleifrei-Legierung, FR4, Lötstopplack und Luft) und von der Nähe zu anderen Leitern und Isolatoren ab.
L und C pro Längeneinheit eines Leiters haben zwei Auswirkungen auf die elektrischen Signale und dessen Rauschen, die er überträgt:
- Sie steuern deren Ausbreitungsgeschwindigkeit (V): V = 1/√ (LC)
- und sie bestimmen ihren Wellenwiderstand (Z0) - das Verhältnis von Spannung und Strom im Leiter: Z0 = √ (L/C)
Es ist also wichtig zu wissen, dass mit der oben genannten Parametern L und C "pro Längeneinheit" gemeint ist und dass die verwendete Längeneinheit dementsprechend sehr viel kleiner sein muss als die Wellenlänge λ bei der höchsten Frequenz, die für die EMV wiederum von Bedeutung ist. Normale Transmission Lines haben L- und C-Werte, die von Abschnitt zu Abschnitt, entlang ihrer Länge und sogar innerhalb eines Abschnitts variieren. Folglich variieren ihre V’s und Z0’s über die Gesamtlänge der Transmission Line. Diese Schwankungen führen beim V zu sogenannten «propagation-delays» tsk(pp) (siehe Abbildung unten) und dies wiederum steigert die Emissionen von Signalen.
Die Transmission Lines sollten einen festen Wert Z0 vom Anfang bis zum Ende beibehalten (optimal wäre derselbe Z0 von "Die-to-Die"). Zudem haben alle diskreten Bauteile eine Induktivität und eine Kapazität, und wenn diese an eine Leiterbahn angeschlossen werden, verändern sie deren V und Z0 an diesem Punkt noch einmal. Daher sind beim Design angepasste Transmission Lines sehr wichtig.
Lange Rede kurzer Sinn
Drei Tipps für ein gutes Design:
1. Mit zunehmender Frequenz der Transmission Line wird der Signalverlust zu einem grösseren Problem. Die Materialien für Hochgeschwindigkeitsdesigns haben einen viel geringeren Verlustfaktor als das «normal FR-4», wie beispielsweise die fast reinen PTFE-Laminate, welche um ein vielfaches besser sind. Diese niedrigeren Verlustfaktoren sind ein wichtiger Faktor bei der Reduzierung von Signalverlusten.
2. Herkömmliche Leiterplattenmaterialien wie FR-4 bieten keine präzisen Kontrollen der Dielektrizitätskonstanten (Dk) wie z.B. PTFE-Laminate. FR-4 Dk's können um +/- 10% oder mehr variieren, während Materialien wie PTFE ihre Dk-Toleranz bei +/- 2% oder besser halten.
3. Einige Materialien für Hochgeschwindigkeitsdesigns wie Duroplast-Kohlenwasserstoff-Laminate haben eine viel bessere Wärmeleitfähigkeit als FR-4. Wenn Ihr Design mit Fragen des Wärmemanagements zu tun hat, dann sollten Sie diese Leiterplattenmaterialien untersuchen (oder es von uns Simulieren lassen).
Wärme führt zu Signalverlusten!
Simulation
Eine Möglichkeit, um all die erwähnten Herausforderungen zu beherrschen, ist die sogenannte Signal Integrity Analyse/Simulation. Dabei werden alle Parameter wie Kupfergeometrie, Lagenaufbau, PCB Material etc. anhand von ODB++ Daten eingelesen und simuliert (siehe Abbildung unten).
Wenn der Effekt des FR4 Leiterplatten Materials bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden kann, können die entsprechenden Toleranzen für das Routing so festgelegt werden, um sicherzustellen, dass keine Signalintegritätsprobleme auf Leiterplatten auftreten.
Die Analyse und Kompensation des Materialeffekts in jedem PCB-Substrat kann eine schwierige Aufgabe sein, aber Sie können alle für die Kompensation erforderlichen Massnahmen als Designregeln und Einschränkungen definieren, wenn Sie das richtige PCB-Design und -Analysesoftwarepaket verwenden.