PCB Design & Analyse

Key Takeaways

• Überprüfung von Stripline-Routing-Strukturen

• Die vier grundlegenden Schritte beim Routing von Stripline-Übertragungsleitungen

• Wie PCB-Design CAD-Tools können bei der Verlegung von Übertragungsleitungen helfen

Die Leiterplattentechnologie wächst und expandiert weiter

Die in Leiterplatten verwendete Prozessortechnologie entwickelt sich weiter, so auch die Notwendigkeit, ihre Schaltungen mit immer höheren Geschwindigkeiten zu betreiben. Mit jeder neuen Iteration von Prozessoren werden die Signalschaltgeschwindigkeiten schneller, was wiederum eine größere Sorgfalt bei der Verlegung dieser Signale auf der Leiterplatte erfordert. Mit den höheren Taktraten und den kürzeren Übergangszeiten dieser Schaltkreise müssen viele Verbindungen, die früher ohne Bedenken verlegt werden konnten, nun als Hochgeschwindigkeits-Übertragungsleitungen behandelt werden.

Um diese Übertragungsleitungen mit ihren Hochgeschwindigkeitsschaltungen ordnungsgemäß zu führen, muss die Impedanz der Leiterbahnverlegung auf der Leiterplatte sorgfältig kontrolliert werden. Dies erfordert, dass die Struktur der Übertragungsleitungen auf der Leiterplatte sehr gleichmäßig ist, um zu verhindern, dass ein Teil des Signals reflektiert wird. Diese Signalreflexionen können Rauschen auf der Leitung verursachen und letztlich die Leistung der Schaltung beeinträchtigen. Um solche Probleme zu vermeiden, muss man den Aufbau der Leiterplattenschichten und die Routing-Regeln für die Verlegung von Stripline-Übertragungsleitungen auf der Leiterplatte festlegen, was wir hier näher untersuchen werden.

Stripline im Überblick

Stripline-Routing ist eine Leiterplattenschichtenkonfiguration, die es ermöglicht, eine interne Leiterbahnverlegungsschicht zwischen zwei Masseebenenschichten zu platzieren. Durch sorgfältige Kontrolle der Dicke und der Dielektrizitätskonstante (Dk) des Isoliermaterials zwischen der Leiterbahn- und der Grundschicht können Sie Leiterbahnen mit einer bestimmten Breite und einem bestimmten Kupfergewicht erzeugen, die mit einer bestimmten Impedanz arbeiten. Dies wird als impedanzkontrolliertes Routing bezeichnet und ist häufig erforderlich, wenn Übertragungsleitungen auf einer Leiterplatte verlegt werden, um Signalreflexionen zu vermeiden.

Eine andere Konfiguration des Übertragungsleitungsroutings ist als Microstrip bekannt, die dem Stripline-Routing ähnelt, mit dem Unterschied, dass Microstrip auf einer äußeren Schicht der Leiterplatte verlegt wird. Bei dieser Konfiguration gibt es nur eine Bezugsebene und ein isolierendes Dielektrikum unter der Oberflächenverlegungsschicht. Ohne die gleiche Abschirmung über und unter der Leiterbahn wie bei der Stripline bietet Microstrip nicht das gleiche Maß an Isolierung. Außerdem ändert sich die Impedanzberechnung aufgrund des Dk-Werts der Luft, da die Leiterbahnen nicht mehr zwischen den Ebenen liegen, sondern frei liegen. Aus diesem Grund ist die Microstrip-Verlegung in der Regel breiter als die Stripline-Verlegung.

Da die Stripline-Verlegung zwischen dem Dielektrikum und den Ebenen gut isoliert ist, strahlen die Übertragungsleitungen jedoch nicht so viel Energie ab wie bei Microstrip. Dadurch können die Leiterbahnen kleiner und dichter verlegt werden. Darüber hinaus bietet die Stripline-Konfiguration mehr Schutz vor eingehenden Störsignalen, die Interferenzen verursachen können. Als Nächstes werden wir uns die vier grundlegenden Schritte der Verlegung von Stripline-Übertragungsleitungen ansehen.

PCB-Routing unter den Komponenten

Routing von Stripline-Übertragungsleitungen

Für das erfolgreiche Routing von Stripline-Übertragungsleitungen sind vier grundlegende Schritte zu beachten:

• Lagenaufbau: Die Verwendung einer Stripline-Konfiguration für das Routing von Übertragungsleitungen beginnt mit der Erstellung des Lagenaufbaus der Leiterplatte. Es muss nicht nur eine spezielle Routing-Lage zwischen zwei Masseebenen festgelegt werden, sondern auch die dielektrischen Materialien und deren Breiten müssen geplant werden. Dies ist für den nächsten Schritt wichtig.

• Impedanzberechnungen: Das Leiterplatten-Layout-Team benötigt die Informationen über den Lagenaufbau der Leiterplatte, um die Routing-Breiten der impedanzkontrollierten Leitungen korrekt zu berechnen. Durch Eingabe der zu verwendenden Leiterplattenmaterialien und ihrer Breiten kann der Rechner die korrekte Leiterbahnbreite für die angestrebten Impedanzwerte ermitteln.

• Routing: Übertragungsleitungen müssen von anderen Arten der Signalführung isoliert werden, daher sollten Sie Ihre Entwurfsregeln so einrichten, dass diese Leitungen ausreichend Platz haben. Andere Signale können dieselbe Ebene verwenden, sie müssen nur den Hochgeschwindigkeitsübertragungsleitungen aus dem Weg gehen, um die Signalintegrität dieser Leitungen zu erhalten.

• Ground Planes: Achten Sie beim Verlegen Ihrer Übertragungsleitungen darauf, dass Sie nicht über Unterbrechungen in der Grundplatte verlegen. Die Übertragungsleitungen benötigen eine ununterbrochene Ebene für einen sauberen und direkten Signalrückweg. Jegliche Unterbrechungen in den Ebenen durch geteilte Ebenen, Ausschnitte oder sogar eine Vielzahl von Durchkontaktierungen führen dazu, dass das Rücksignal in der Ebene umherwandert und dabei Rauschen erzeugt.

An diesem Punkt können Sie mit dem Verlegen Ihrer Stripline-Übertragungsleitungen beginnen. Je nach Bedarf gibt es verschiedene Arten von Stripline-Routing-Konfigurationen, die Sie ebenfalls verwenden können. In einigen Fällen kann es erforderlich sein, die Leitung zwischen den Referenzebenen zu versetzen oder mit einem anderen Signal zu verbinden. In der folgenden Abbildung sehen Sie einige Beispiele dafür.

Einige Beispiele für Stripline-Routing-Strukturen

Was Sie in Ihren Design-Tools für das Stripline-Routing benötigen

Die nächste Frage ist, wie können Ihre PCB-Design-Tools Ihnen beim Stripline-Übertragungsleitungs-Routing helfen? Es gibt eine ganze Reihe von Funktionen in PCB-Design-Tools, die sehr hilfreich sind, angefangen bei der Möglichkeit, direkt mit dem Hersteller zusammenzuarbeiten, um Informationen über den Aufbau von Leiterplattenlagen zu importieren. Durch die Verwendung des IPC 2581-Datenformats könnte Ihr Hersteller Ihnen seinen bevorzugten Lagenaufbau mit Materialien, Breiten und Lagenkonfigurationen übermitteln. Sie könnten dann dieselben Protokolle verwenden, um Ihre fertigen Leiterplattendateien für die Fertigung und Montage zurückzusenden. In die Designtools integrierte Impedanzrechner wären ebenfalls hilfreich, ebenso wie Designregeln und erweiterte Bearbeitungsfunktionen für das Routing und die Erstellung von Grundflächen.

Dankenswerterweise müssen Sie auf dieses Niveau an Designtools nicht warten, sondern es ist bereits heute auf dem Markt verfügbar. Ein Beispiel für ein PCB-Designsystem, das alle hier beschriebenen Funktionen und Möglichkeiten bietet, stammt von Cadence. OrCAD PCB Designer verfügt über die Werkzeuge und Funktionen, um Ihr Design fachmännisch vom Konzept bis zu den endgültigen Fertigungsdateien weiterzuentwickeln und Sie bei der Verlegung von Stripline-Übertragungsleitungen zu unterstützen. Mit OrCAD haben Sie Zugriff auf Bibliotheken, Schaltplanerfassung und SPICE-Tools sowie auf alle PCB-Layout-Funktionen, die Sie für Ihren Erfolg benötigen.

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Über den Autor

Cadence PCB Solutions ist ein komplettes Front-to-Back-Design-Tool für eine schnelle und effiziente Produktentwicklung. Cadence ermöglicht es Anwendern, die Designzyklen bis zur Übergabe an die Fertigung durch den modernen Industriestandard IPC-2581 präzise zu verkürzen.

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