differentielle Leiterbahnimpedanz für USB (90 Ohm) auf 2-lagiger FR4-Platine

Ich arbeite derzeit am USB-Hub-Teil für einen Multiport-USB-RS232-Konverter. Das aktuelle Design ist für den FE 2.1 Hub IC von Terminus Tech . In Bezug auf die Impedanz von USB-Signalspuren heißt es in den Layout-Richtlinien:

DP, DM Differentielle Leiterbahnimpedanz = [DP(45 Ohm) + DM(45 Ohm)] = 90 Ohm, und überspringen Sie nicht die DP-DM-Signale, die eine Impedanz-Fehlanpassung verursachen

Um diese Anforderungen zu erfüllen, habe ich einige Online-Impedanzrechner verwendet, um die erforderlichen Leiterbahneigenschaften für eine zweilagige FR4-Leiterplatte abzuschätzen. Die Ergebnisse, die ich erhalten habe, sind jedoch überhaupt nicht konsistent:

  • Hughes-Schaltungen
    • Eingabewerte
      • Spurdicke: 1 oz/ft^2
      • Substrathöhe: 1,6 mm
      • Spurbreite: 1 mm
      • Leiterbahnabstand: 0,15 mm
      • Substratdielektrikum 4.5
    • Ergebnisse
      • ungerade Impedanz: 45,5 Ohm
      • gerade Impedanz: 119 Ohm
      • gemeinsame Impedanz: 59,3 Ohm
      • differentielle Impedanz: 90,9 Ohm
  • Montaro
    • Eingabewerte
      • Spurbreite: 3,35 mm
      • Spurabstand: 10 mm
      • Spurdicke: 0,03556 mm
      • Dicke des Dielektrikums: 1,6 mm
      • relative Dielektrizitätskonstante: 4,5
    • Ergebnisse
      • differentielle Impedanz: 90,035 Ohm
      • Single-Ended-Impedanz: 45,071 Ohm
  • Alles über Schaltungen
    • Eingabewerte
      • Spurdicke: 1 oz/ft^2
      • Substrathöhe: 1,6 mm
      • Spurbreite: 4,15 mm
      • Leiterbahnabstand: 14,8 mm
      • Substratdielektrikum 4.5
    • Ergebnisse
      • ungerade Impedanz: 45,0 Ohm
      • gerade Impedanz: 36,8 Ohm
      • gemeinsame Impedanz: 18,4 Ohm
      • differentielle Impedanz: 90,0 Ohm
  • Colorado elektronisches Produktdesign
    • Eingabewerte für einzelne Mikrostreifen
      • w: 3,5
      • h: 1,6
      • t: 0,03556
      • Epsilon: 4,5
    • Ergebnis für einen einzelnen Mikrostreifen
      • Impedanz: 45,12 Ohm
    • Eingabewerte für Mikrostreifenpaar
      • s: 15
      • h: 1,6
      • Z_0: 45,12 Ohm
    • Ergebnis für Mikrostreifenpaar
      • Z_d: 90,23 Ohm
  • EEWeb
    • Eingabewerte
      • Spurdicke: 1 oz/ft^2
      • Substrathöhe: 1,6 mm
      • Spurbreite: 4 mm
      • Leiterbahnabstand: 5,5 mm
      • Substratdielektrikum: 4,5
    • Ergebnisse
      • ungerade Impedanz: 45,0 Ohm
      • gerade Impedanz: 38,7 Ohm
      • gemeinsame Impedanz: 19,4 Ohm
      • differentielle Impedanz: 90,1 Ohm

Zusätzlich zu diesen Berechnungen habe ich einige andere Ressourcen mit einigen Beispiel-Trace-Eigenschaften gefunden:

  • Mikrocontroller.net-Forum
    • Leiterbahnbreite: 0,22 mm
    • Spurabstand: 0,13 mm
    • Substratdicke 1,6 mm
    • resultierende differentielle Impedanz: 100 Ohm
  • STEINBOCK
    • 1,6 mm Leiterplatte
    • 1,48 mm FR4-Dicke zur GND-Ebene
    • 35 um Kupferspurstärke
    • Leiterbahnabstand 0,15 mm
    • Leiterbahnbreite 1,12 mm
    • resultierende differentielle Impedanz: 90,184 Ohm

Warum unterscheiden sich diese Ergebnisse so stark? Da ich ein Anfänger im Design von impedanzgesteuerten Leiterplatten bin, weiß ich nicht, welcher Ressource ich vertrauen soll. Alle Hinweise zu zuverlässigen Trace-Eigenschaften zum Entwerfen von USB auf einer 2-Layer-FR4-Platine sind sehr willkommen.

Der obere Link führte mich zu einem einzelnen Microstrip-Rechner und nicht zu einem Differentialrechner gemäß Ihren eingegebenen Werten. Wenn Sie Hilfe benötigen, um dies zu beheben. Ich würde auch vorschlagen, dass Sie sich auf zwei Rechner konzentrieren, die die meisten Meinungsverschiedenheiten haben, anstatt die Frage mit mehreren zu überfluten.
@Andyaka Auf der Hughes Circuits-Seite gibt es ein Differenzimpedanz-Tool, aber wenn Sie es auswählen, ändert sich die URL nicht. Seinen Inputs und Outputs nach zu urteilen, verwendete er den richtigen. Davon abgesehen stimme ich zu, dass es ausreichen würde, nur die beiden Tools zu veröffentlichen, die am meisten nicht übereinstimmen.
Bei EE web hat man sich noch für eine Leiterbahnbreite von 4 mm und einen Abstand von 5,5 mm entschieden, bei Hughes hat man sich für 1 mm und 0,15 mm entschieden. Das macht keinen Sinn.
@Andyaka Guter Fang! Frage mich, wie ich das übersehen habe???
@Andyaka: Wie könnte ich aus Ihrer Sicht die Qualität meiner Frage verbessern? Der Hughes-Rechner war der erste, den ich benutzte. Leider konnte ich ähnliche Ergebnisse mit den anderen Rechnern bisher nicht reproduzieren. Dieser große Unterschied in den Spureneigenschaften war meine Motivation, hier auf EE.SE um Rat zu fragen.
@albert Wählen Sie zwei Beispielrechner, nicht 5 oder 7. Stellen Sie sicher, dass Sie für jeden die gleichen Zahlen eingeben. Stellen Sie die Ergebnisse nebeneinander und stellen Sie dann die Frage.
@Andyaka: Danke. Da ich versucht habe, eine differentielle Impedanz von 90 Ohm anzupassen, habe ich die Eingabewerte für jeden Rechner "angepasst". Die Verwendung gleicher Eingabewerte für alle Rechner, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, wäre die andere Argumentationskette ...
Keine gute Möglichkeit, Unterschiede zu demonstrieren, da verschiedene Kombinationen zu identischen Ergebnissen führen können.
Sie können keine guten 90-Ohm-Leiterbahnen auf einer 1,6-mm-FR-4-Leiterplatte mit zwei Schichten erstellen, es sei denn, Sie weisen RIESIG Platz für Kanäle (und eine zusammenhängende Masseebene) zu. Sie haben keinen Platz für etwas anderes für den USB-Hub. Vergiss es. Zweilagige Leiterplatten können nur gut für Testvorrichtungen sein, mit Hunderten von Stitching-Vias entlang des Kanals und nichts drumherum. USB ist nicht die Technologie für zweilagige 1,6-mm-Leiterplatten. Holen Sie sich ein 4-Lagen-Board.

Antworten (3)

Der Grund, warum sich die Werte so stark unterscheiden, liegt darin, dass verschiedene Tools unterschiedliche Formeln zur Berechnung der Impedanz verwenden. Einige werden näher angenähert als andere, aber das Finden der genauen Impedanz ist extrem schwierig, wenn nicht unmöglich. Das beste Tool, das ich verwendet habe und das ich heute noch verwende, ist der EEWeb-Rechner (den Sie in Ihrem Beitrag verlinkt haben). Dieser schien meiner Erfahrung nach die besten und genauesten Ergebnisse zu erzielen. Es gibt auch viele Klone, die die gleiche Mathematik wie der EEWeb-Rechner verwenden, sodass sie auch genauso genau sind.

Im Allgemeinen werden Sie beim Entwerfen mit kontrollierter Impedanz, solange Sie innerhalb von +/-20 % bleiben, nicht viel an Reflexionen und Verzerrungen bemerken, obwohl dies natürlich von Frequenz und Schaltgeschwindigkeit abhängt. Ich versuche jedoch, etwa 10% über die Zielimpedanz zu schießen. Es ist besser, wenn der Zd höher als der Zielwert ist, als dass er niedriger ist. 10 % sind für die meisten Designs ziemlich normal. In Ihrem Fall würde ich auf einen Zd um 100 Ohm schießen (im Grunde 10% höher als Ihr ursprüngliches Ziel).

Die differentielle Impedanz hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich sowohl der Leiterbahnbreite als auch des Leiterbahnabstands. Aus diesem Grund ist es möglich, mehrere Lösungen zu haben, die Breite und Abstand abwägen. Beispiel von eeweb :

thickness=1oz, height=1.6mm, er=4
0.2mm width and 0.02mm spacing = 90.8 ohms differential
1mm width and 0.12mm spacing = 90.4 ohms differential
4mm width and 3mm spacing = 90.4 ohms differential

Die Wahl der besten Kombination hängt von mehreren Faktoren ab, darunter Herstellbarkeit (0,02 mm Abstand ist normalerweise nicht auf Leiterplatten herstellbar), Stromaufnahme (0,2 mm ist für USB in Ordnung, aber nicht für Hochstrom-PoC) und Platinenabmessungen.

Was den Kommentar von Ale..chenski angeht, ist es durchaus möglich, ein USB-Gerät mit einer 2-Lagen-1,6-mm-Fr4-Platine herzustellen. Es ist wichtig, dass Sie eine ununterbrochene Masseebene unter den USB-Spuren haben. Dies garantiert eine konsistente Impedanz und einen hochfrequenten Rückweg. Mit USB 2.0 können Sie mit einigen Unterbrechungen in der Masseebene durch Stitching-Kondensatoren davonkommen, obwohl dies vermieden werden sollte. USB 3.0+ wäre viel anfälliger für nicht kontinuierliche Impedanz.

Martens Antwort wäre falsch, wie hier und hier zu sehen ist . Die differentielle Impedanz ist doppelt so hoch wie die Impedanz im ungeradzahligen Modus. Die ungerade Impedanz ist die Impedanz einer einzelnen Leiterbahn, wenn sie im Differenzmodus betrieben wird. Der USB-Standard erfordert eine differentielle Impedanz von 90 Ohm, wie hier zu sehen , das heißt über USB_P und USB_N und würde einer ungeraden Impedanz von 45 Ohm entsprechen.

Entschuldigung für die Änderungen, ich kann als neuer Benutzer anscheinend nicht abstimmen oder andere Antworten kommentieren ...

Diese Rechner verwenden ALLE falsche Namen für "Differenzimpedanz". Tatsächlich ist die "ungerade Impedanz" die richtige Impedanz, die für die USB-Anforderung von 90 Ohm differentieller Impedanz betrachtet werden muss. Deshalb kommen die Zahlen im Mikrocontroller.net Forum der richtigen Spurbreite am nächsten.