Äquivalente charakteristische Impedanz für verschiedene Leiterbahnbreiten

Angenommen, ich habe eine PCB-Leiterbahn, die impedanzangepasst werden muss, aber die Leiterbahnbreite ändert sich, wenn sie von ihrer Quelle zu ihrem Ziel wandert. Etwas wie das:Änderung der Spurbreite

Die 5-mil-Spur hätte eine bestimmte charakteristische Impedanz, während die 10-mil-Spur eine andere Impedanz hätte. Wie kombinieren sich diese beiden unterschiedlichen Impedanzen? Anders gefragt, was ist die äquivalente Impedanz dieser Spur?

Es gibt keine "äquivalente Impedanz", die charakteristische Impedanz ist eine lokale Eigenschaft einer Übertragungsleitung. Sie haben Impedanzsprünge und entsprechende Signalreflexionen, wenn die Länge dieser unebenen Abschnitte mit der Wellenlänge der übertragenen Signale vergleichbar ist.
Aus Neugier, warum machst du das? Die übliche Antwort lautet: Welche Impedanz Sie auch immer für Ihre Leiterbahn wünschen, wählen Sie die Breite, die diese Impedanz ergibt, und bleiben Sie über die gesamte Leiterbahnlänge dabei. Auch wenn der Abschnitt, der die „falsche“ Impedanz darstellt, im Verhältnis zur Wellenlänge sehr kurz ist, kann er oft ignoriert werden.
Obwohl Ihre Frage wohlgeformt ist, lohnt es sich zu fragen, bevor wir uns mit all dem befassen, was ist Ihr Signal und wie lang ist die Übertragungsleitung insgesamt? Vielleicht brauchen Sie sich um all das keine Sorgen zu machen. Auch, was ist die Impedanz, die in die Last schaut?
@selvek: Ich würde das nicht tun wollen, es sei denn, ich genieße es plötzlich, meine Signale zu quälen. Das ist pure echte Neugier.
@mkeith: Nehmen wir an, der 10-Mils-Abschnitt ist lang genug, um nicht in einen Topf geworfen zu werden.
Nun, Sie erhalten eine Reflexion vom ersten Punkt der Impedanzdiskontinuität. Dann noch einer vom zweiten Punkt. Wenn die Quellenimpedanz mit der Leiterbahnimpedanz von 5 mil übereinstimmt, wird die Reflexion an der Quelle vollständig absorbiert. Wenn nicht, wird es erneut reflektiert. Sie sollten dies DEFINITIV mit Gewürzen nachahmen und das Signal im Zeitbereich beobachten, um zu sehen, wie es aussieht. Dies wird Ihr intuitives Verständnis solcher Dinge enorm unterstützen.
@TRISAbits Angesichts der Zeit, die Signale damit verbringen, mich zu foltern, würde ich niemanden dafür verurteilen, dass er entscheidet, dass er seine Signale foltern möchte :)
@Selvek, normalerweise taucht diese Frage auf, wenn versucht wird, impedanzgesteuerte Leiterbahnen in Fine-Pitch-BGAs oder andere Gehäuse zu quetschen. Das Fan-out benötigt normalerweise ziemlich schmale Leiterbahnen, bevor sie auf weniger überfüllten PCB-Platz treffen.

Antworten (3)

Sie müssen die Höhe der Leiterbahn zwischen der Masseebene, die relative elektrische Permeabilität und die Höhe der Leiterbahn kennen, um die äquivalente Impedanz zu finden.

Für Standard-FR4 (Leiterplattenmaterial) beträgt die elektrische Permeabilitätskonstante ~4,4. Die Höhe hängt von Ihrem PCB-Stapel ab und davon, auf welcher Ebene sich die Grundebene befindet.

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Quelle: https://www.eeweb.com/tools/microstrip-impedance

Wenn die Übertragungsleitungen nicht angepasst sind, erhalten Sie am Punkt der Fehlanpassung eine Reflexion und verlieren an Leistung.

Die Gleichung, um dies zu finden, wäre die Reflexionsgleichung:

Z1 wäre die charakteristische Impedanz der 5-mil-Spur und Z2 wäre die Impedanz der 10-mil-Spur (nachdem Sie sie berechnet haben).

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Du hast Recht, ich werde es bearbeiten
Als Faustregel gilt, dass die Leiterbahnbreite bei 50 Ohm etwa W = 2H beträgt. Sehr nützlich bei Machbarkeits- und Plausibilitätsprüfungen. Die Wirkung von Änderungen in T ist die meiste Zeit relativ gering.

Unter der Annahme, dass die Höhe über der Masseebene für die gesamte Leiterbahn gleich ist, haben die 5 mil breiten Segmente eine charakteristische Impedanz und das 10 mil breite Segment hat eine andere, niedrigere charakteristische Impedanz.

Man würde sich normalerweise nicht vorstellen, dass die gesamte Spur eine einzige "äquivalente Impedanz"-Charakteristik aufweist.

Was Sie tun könnten, ist die Eingangsimpedanz oder die S-Parameter der Kurve als Funktion der Frequenz zu berechnen. Dazu können Sie ein Simulationstool wie Keysight ADS oder Smith-Diagrammtechniken verwenden (wenn Sie nur an den Eingangsreflexionen interessiert sind) oder sich einfach hinsetzen und ein paar Algebra machen.

Kennen Sie einen Ort, an dem ich die Mathematik finden kann, um dies von Hand zu tun?
@TRISAbits, es sollte in jedem E&M-Lehrbuch stehen, wie zum Beispiel Ramo, Whinnery und Van Duzer. Oder auf Wikipedia .
Sie müssen dies (mindestens) als drei Übertragungsleitungen modellieren. Das 50-Ohm-Segment (5 mils), das 25-Ohm-Segment (10 mils), gefolgt von einem weiteren 50-Ohm-Segment. Sie benötigen genaue Modelle für die Eingangsimpedanz der Last und die Ausgangsimpedanz der Quelle. Idealerweise verwenden Sie eine Simulationssoftware, die PCB-Layouts modellieren kann. Ich tippe nur auf Ohm. Sie sollten berechnete Werte verwenden.

Ich fürchte, Sie haben den Punkt der kontrollierten Impedanz völlig verfehlt. Ihr Diagramm sieht tatsächlich (aus Impedanzsicht) so aus

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

wobei Z0 und Z2 5-Mil-Linien sind und Z1 Ihre 10-Mil-Linie ist.

Der springende Punkt bei der Verwendung einer Leitung mit kontrollierter Impedanz besteht darin, sicherzustellen, dass die Verbindungsstelle von Z2 und ZLOAD keine Reflexion verursacht, wenn das Signal darauf trifft. Unter der Annahme, dass Z2 und ZLOAD bei richtig ausgewählter Platinengeometrie und Material tatsächlich übereinstimmen, müssen Sie nun den Rest der Leiterbahn berücksichtigen.

Die Kreuzungen von Z0 und Z1 sowie Z1 und Z2 erzeugen BEIDE Reflexionen, und dies ist völlig rückwärts von dem, was Sie ursprünglich tun wollten.

Das ist ein guter Punkt. Ich denke, Sie könnten so etwas bekommen, wenn ein Signal in eine andere Schicht wechselt, aber wenn Sie nicht jede Schicht anpassen, über die das Signal geht, haben Sie überhaupt kein wirklich impedanzangepasstes Signal.
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