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So beheben Sie die Impedanzfehlanpassung im Bereich der Hochfrequenzsignalübertragung

Erscheinungsdatum: 2021Quelle des Autors: KinghelmAufrufe: 835


Im Hochfrequenzbereich muss sich das Signal oder die elektromagnetische Welle mit gleichmäßiger charakteristischer Impedanz entlang des Übertragungspfads ausbreiten. Im Falle einer Impedanzfehlanpassung oder -diskontinuität wird ein Teil des Signals zum Sendeende zurückreflektiert und die verbleibende elektromagnetische Welle wird weiterhin zum Empfangsende übertragen.


Der Grad der Signalreflexion und -dämpfung hängt vom Grad der Impedanzdiskontinuität ab. Wenn die Impedanzamplitude der Fehlanpassung zunimmt, werden mehr Signale reflektiert und am Empfänger ist eine stärkere Signaldämpfung oder -verschlechterung zu beobachten.
An SMT-Pads von AC-Kopplungskondensatoren (auch bekannt als DC-Isolation), Platinen-zu-Platinen-Steckverbindern und Kabel-zu-Platinen-Steckverbindern (z. B. SMA) kommt es häufig zu Impedanzfehlanpassungen.   
Im Fall des in Abb. 1 gezeigten SMT-Pads mit Wechselstrom-Kopplungskondensator stößt das Signal, das sich entlang der Leiterplattenroute mit einer Differenzimpedanz von 100 Ω und einer Kupferfolienbreite von 5 MIL ausbreitet, auf Impedanzdiskontinuität, wenn es das SMT-Pad mit breiterer Kupferfolie (z. B. 30 mil) erreicht Breite des 0603-Pakets). Dieses Phänomen kann durch die Gleichungen (1) und (2) erklärt werden.
Die Vergrößerung der Querschnittsfläche oder Breite der Kupferfolie erhöht die Streifenkapazität, was zu einer Kapazitätsdiskontinuität der charakteristischen Impedanz des Übertragungskanals führt, d. h. zu einem negativen Spannungsstoß.
    
Um die Diskontinuität der Kapazität zu minimieren, ist es notwendig, den Bereich der Referenzebene direkt unter dem SMT-Pad auszuschneiden und eine Kupferfüllung in der Innenschicht zu erzeugen, wie in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt.
Dadurch kann der Abstand zwischen dem SMT-Pad und seiner Referenzebene oder seinem Rückweg vergrößert werden, um so die Diskontinuität der Kapazität zu verringern. Gleichzeitig sollen mikrogenähte Durchkontaktierungen eingefügt werden, um elektrische und physikalische Verbindungen zwischen der ursprünglichen Referenzebene und der inneren neuen Referenzkupferfolie herzustellen, um den richtigen Signalrückweg einzurichten und Probleme mit der elektromagnetischen Strahlung zu vermeiden. 
    

   
Der Abstand „d“ sollte jedoch nicht zu stark vergrößert werden, da sonst die Streifeninduktivität die Streifenkapazität übersteigt und eine Induktivitätsdiskontinuität verursacht wird. Wo:
  • Streifenkapazität (Einheit: PF);      
  • Streifeninduktivität (Einheit: NH); 
  • Charakteristische Impedanz (Einheit: Ω);  
  • Ε= Dielektrizitätskonstante; 
  • Padbreite;      
  • Padlänge;      
  • Der Abstand zwischen dem Pad und der unteren Referenzebene;   
  • Dicke des Polsters.      
Das gleiche Konzept kann auch auf SMT-Pads für Board-to-Board- (B2B) und Kabel-zu-Board- (C2B) Steckverbinder angewendet werden. 
Die Überprüfung der oben genannten Konzepte wird durch TDR- und Einfügedämpfungsanalyse abgeschlossen. Die Analyse wird abgeschlossen, indem das 3D-Modell des SMT-Pads in der Empro-Software erstellt und dann zur TDR- und Einfügedämpfungssimulation in Keysight-Anzeigen importiert wird.
1. Der SMT-Pad-Effekt der AC-Kopplungskapazität wird analysiert   
In empro wird ein 3D-Modell von SMT mit Substrat mit mittlerem Verlust erstellt, in dem ein Paar Mikrostreifen-Differenzleiterbahnen 2 Zoll lang und 5 Mil breit sind, einen Single-Ended-Modus annehmen und 3.5 Mil von seiner Referenzebene entfernt sind. Das Leiterbahnpaar tritt an einem Ende des 30 mm breiten SMT-Pads ein und führt am anderen Ende heraus.  


   
Abbildung 4 und Abbildung 5 zeigen die durch Simulation erhaltenen TDR- und Einfügedämpfungsdiagramme.    
Die durch das SMT-Design ohne Durchschneiden der Referenzebene verursachte Impedanzfehlanpassung beträgt 12 Ω und die Einfügungsdämpfung beträgt -6.5 dB bei 20 GHz. Sobald der Referenzebenenbereich unterhalb des SMT-Pads abgeschnitten ist (wobei „d“ auf 10 mil eingestellt ist), kann die Fehlanpassungsimpedanz auf 2 Ω und die Einfügungsdämpfung bei 20 GHz auf -3 dB reduziert werden.    
Eine weitere Erhöhung von „d“ führt dazu, dass die Streifeninduktivität die Kapazität übersteigt, was zu einer Diskontinuität der Induktivität und einem schlechten Einfügungsverlust (dh - 4.5 dB) führt.
2. Der SMT-Pad-Effekt des B2B-Steckers wird analysiert  
Bei Empro wurde ein 3D-Modell des SMT-Pads eines B2B-Steckverbinders erstellt, bei dem der Pinabstand des Steckverbinders 20 Mil und die Pinbreite 6 Mil beträgt. Das Pad ist mit einem Paar Mikrostreifen-Differentialleitungen mit einer Länge von 5 Zoll und einer Breite von 5 MIL verbunden, die den Single-Ended-Modus verwenden, und die Leitung ist 3.5 mil von ihrer Referenzebene entfernt.
Die Dicke des SMT-Pads beträgt 40 mil, einschließlich Anschlussstiften und Lot, was fast dem 40-fachen der Dicke der Mikrostreifen-Leiterplattenverdrahtung entspricht.
    
    
Die Zunahme der Kupferdicke führt zu einer Kapazitätsdiskontinuität und einer höheren Signaldämpfung. Dieses Phänomen ist aus den TDR- und Einfügedämpfungssimulationsdiagrammen in Abb. 6 bzw. Abb. 7 ersichtlich.    
Die Impedanzfehlanpassung kann minimiert werden, indem der Kupferbereich mit einem geeigneten Abstand „d“ (dh 7 mil) direkt unter dem SMT-Pad herausgeschnitten wird. 
3. Zusammenfassung   
Die Analyse dieses Artikels zeigt, dass das Abschneiden des Referenzebenenbereichs direkt unter dem SMT-Pad die Impedanzfehlanpassung verringern und die Bandbreite der Übertragungsleitung erhöhen kann.   
Der Abstand zwischen dem SMT-Pad und der internen Referenzkupferfolie hängt von der Breite des SMT-Pads und der effektiven Dicke des SMT-Pads, einschließlich Anschlussstiften und Lot, ab. Wenn die Bedingungen es zulassen, müssen vor der Leiterplattenproduktion eine 3D-Modellierung und Simulation durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass der konstruierte Übertragungskanal eine gute Signalintegrität aufweist.
   
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