Platzierung von Vias zum Verbinden von Masseebenen

Ich habe mich viel über Erdungspraktiken auf PCB-Layouts gewundert. Meine erste Frage dazu befasst sich mit Durchkontaktierungen. Ich habe festgestellt, dass auf einer einfachen 2-Lagen-Leiterplatte mit Masseebenen auf beiden Seiten normalerweise einige oder mehrere Durchkontaktierungen vorhanden sind, um sie mit minimaler Impedanz zwischen den beiden Kupfergüssen zu verbinden.

Auf einer HF-Platine sieht die Via-Platzierung jedoch viel bewusster aus, und ich frage mich über die Theorie dahinter. Die Vias, die die Masseebenen verbinden, grenzen oft an die HF-Spur. Siehe dieses Beispiel für einen differenziellen koplanaren Wellenleiter:Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich habe auch eine zweite Frage zur Erdung auf Leiterplatten. Wann ist es angebracht, Masseebenen voneinander zu "isolieren"? Und wie hilft es, wenn die Masseebenen auf einer Ebene (sagen wir oben) voneinander isoliert sind, wenn diese beiden Masseebenen durch Durchkontaktierungen mit derselben Masseebene auf der Unterseite verbunden sind? Wenn wir diese isolierten Masseebenen haben, unterscheidet sich die Via-Platzierung von einem der oben genannten Fälle?

Hinweis: Mir ist das mögliche Duplikat hier bekannt , aber ich bin mit den Antworten nicht zufrieden und denke, dass meine Frage nach weiteren Details fragt.

Danke für die Information.

Mit welcher Frequenz arbeitest du?
Nun, ich arbeite speziell im Bereich von 700 MHz bis 1 GHz, aber ich bin daran interessiert, etwas über die Theorie im Allgemeinen für alle Frequenzen zu lernen.

Antworten (3)

Das von Ihnen gezeigte Layout sieht aus wie ein sogenannter kupfergestützter koplanarer Wellenleiter (CBCPW). Das bedeutet, dass die Masserückführung für den Wellenleiter nicht nur in der koplanaren Masse liegt (die Masse füllt sich auf derselben Schicht wie die Signalspuren), sondern auch in der ebenen Schicht unmittelbar "unter" der Signalschicht. Diese Struktur ist ziemlich esoterisch in dem Sinne, dass ich sie nur in digitalen Systemen verwendet gesehen habe, wenn Datenraten 20 Gb/s überschreiten.

Ich habe in einem Artikel des Microwave Journal von Ingenieuren der Rogers Corp eine scheinbar vernünftige Diskussion über die Unterschiede zwischen CBCPW und Microstrip gefunden .

Dieser Artikel zeigt, dass der CBCPW bei Frequenzen, bei denen der Strahlungsverlust im Mikrostreifen wichtig wird, etwa ab 25 GHz, geringere Verluste als Mikrostreifen aufweist, was erklärt, warum CBCPW bei niedrigeren Frequenzen nicht weit verbreitet ist.

In Bezug auf Ihre Frage weist der Artikel auf einige besondere Anforderungen für Erdungsdurchkontaktierungen in CBCPW-Strukturen hin:

Für eine ordnungsgemäße Erdung verwenden CBCPW-Schaltungen Durchkontaktierungen, um die koplanaren Masseebenen der oberen Schicht und die Masseebene der unteren Schicht zu verbinden. Die Platzierung dieser Durchkontaktierungen kann für das Erreichen der gewünschten Impedanz- und Verlusteigenschaften sowie für das Unterdrücken parasitärer Wellenmoden kritisch sein.

Dies bedeutet im Grunde, dass ohne häufiges Zusammenfügen von Durchkontaktierungen zwischen der koplanaren Masse und der Hintergrundmasse Leistung auf unerwünschte Ausbreitungsmodi übertragen werden könnte, was entweder einen übermäßigen Einfügungsverlust oder eine starke Streuung der Übertragungsleitungseigenschaften verursachen würde.

Huh, ich habe noch nie eine CPWG gesehen, die keine Grundebene darunter hatte, aber andererseits habe ich nur zwei CPWGs gesehen. Benötigen HF-Bereiche auf Leiterplatten (dh dort, wo Sie die HF-Spur und den zugehörigen Wellenleiter finden würden) im Allgemeinen keine Masseebene?
Ja, die Übertragungsleitung benötigt eine Masseebene. Aber in einem klassischen CPW ist die Masseebene koplanar mit (in derselben Ebene wie) dem Signalleiter.
Aber selbst wenn Sie, sagen wir, eine Mikrostreifenleitung mit nahegelegener Massefüllung haben (nicht so nahe, dass sie die Struktur in ein CPW verwandeln würde), möchten Sie wahrscheinlich, dass diese Massefüllung gut mit der Erde vernäht ist. Andernfalls könnten Sie sehen, dass ein Teil der Leistung in CPW-ähnliche Modi übertragen wird, und wenn die koplanare Masse und die Schicht-2-Masse nicht gut verbunden sind, haben Sie wahrscheinlich einige Unregelmäßigkeiten in den charakteristischen Modi, was zu einer unregelmäßigen charakteristischen Impedanz führt , mehrfache (wenn auch kleine) Reflexionen usw.
Link zum Artikel ist tot
@TimVrakas, Danke, aktualisiert. Leider müssen Sie jetzt ein Konto bei microwavejournal.com erstellen, um den Artikel anzuzeigen.
Mir ist klar, dass es eine Weile her ist, seit diese Antwort gegeben wurde, aber ich bin verwirrt über den Impedanzbeitrag der im Zitat erwähnten Durchkontaktierungen. Alle anderen Antworten hier scheinen sich auf die HF-Abschirmung und die Reduzierung antennenartiger Effekte zu konzentrieren, nicht auf die Impedanzanpassung. Ich habe zwei Simulationen in Openems durchgeführt (eine mit den Durchkontaktierungen und eine ohne) und bemerke keinen nennenswerten Unterschied in der Impedanz). Irgendwelche Gedanken @ThePhoton?
@MattHusz, wie mein letzter Absatz sagt, hilft das Nähen dabei, aufregende unerwünschte Modi zu verhindern. Diese unerwünschten Moden hätten wahrscheinlich eine sehr unterschiedliche charakteristische Impedanz als die bevorzugte (grundlegende) Mode. Möglicherweise können Sie diese Modi in Ihrer Simulation beobachten, indem Sie absichtlich einen Fehler oder eine Asymmetrie in Ihr Modell einführen.

Teil 1: Ein langer Schlitz in einer oberen Masseebene kann als Antenne fungieren, sowohl in Bezug auf das Abstrahlen als auch das Aufnehmen von Strömen, die versuchen, senkrecht zum Schlitz zu fließen. Sie können sich einen Steckplatz als eine Art "negativen Draht" vorstellen. Weitere Einzelheiten finden Sie hier .

Hochfrequenzströme, die versuchen, von einem Stück der oberseitigen Masseebene zu einem anderen zu gelangen (die senkrecht zur HF-Spur fließen), werden gezwungen, um die Grenzen der Lücken zwischen den Stücken herum zu fließen. Überlegen Sie nun, was passiert, wenn die Länge des Schlitzes gleich der halben Wellenlänge des Stroms ist. Die Spannung über dem Schlitz wird an den Enden des Schlitzes (wo die Teile verbunden sind) auf Null gezwungen, aber dies bedeutet, dass die Spannungsdifferenz über dem Schlitz in der Mitte des Schlitzes am höchsten ist. In ähnlicher Weise wird der Strom (über den Schlitz) in der Mitte des Schlitzes auf Null gezwungen, ist aber an den Enden des Schlitzes maximal. Dies ist das elektrische "Dual" einer gewöhnlichen Halbwellen-Drahtantenne, bei der der Strom in der Mitte maximal ist und die Spannung an den Enden maximal ist. Der Schlitz und der Draht sind gleichermaßen effektiv wie Antennen,

Die mehreren Durchkontaktierungen, die beide Seiten des Schlitzes mit der festen Masseebene auf der anderen Seite verbinden, "schließen" diese Schlitzantenne "kurz", wodurch dieses Problem beseitigt wird.

Teil 2: Unabhängige Groundplanes für bestimmte „laute“ Subsysteme (bzw. Subsysteme, die besonders „leise“ sein müssen) auf einer Platine, die an nur einem Punkt mit der Groundplane auf Systemebene verbunden sind, dienen dazu Beschränken Sie die Rückströme für Signale innerhalb dieses Subsystems auf genau diesen Bereich der Platine und verhindern Sie, dass sie andere Subsysteme auf der Platine beeinflussen (oder von ihnen beeinflusst werden).

Angenommen, Sie haben ein mikroprozessorbasiertes Datenerfassungssystem, das über einen hochauflösenden ADC und einige analoge Signalkonditionierungsschaltkreise verfügt, die diesem vorgeschaltet sind. Sie könnten eine Masseebene für die analogen Schaltkreise und eine andere für den Mikroprozessor und seinen Kristall und andere digitale Peripheriegeräte (z. B. einen großen Flash-Speicherchip) erstellen und diese jeweils mit einer Systemmasseebene (oder miteinander) verbinden nur ein Punkt. Dies hält das hochfrequente Rauschen des Quarzes und die anderen schnell schaltenden digitalen I/O-Signale des Mikroprozessors von der Masseebene für die empfindlichen analogen Schaltungen fern. Sie werden dies sehen, wenn Sie sich die Layouts von Evaluierungsboards ansehen, die Hersteller für ihre hochauflösenden ADC- und DAC-Chips produzieren.

Ich bin in Teil 1 etwas verwirrt. Meinen Sie mit "einem langen Schlitz" die HF-Spur oder den negativen Raum zwischen der HF-Spur und der Grundebene? Wenn Sie den negativen Raum meinen, wie kann eine blanke Leiterplatte (wie FR4 oder so) strahlen?
Ignorieren Sie die HF-Spur selbst und betrachten Sie nur die verschiedenen Teile der Masseebene auf der Oberseite. Siehe den Linkd und den zusätzlichen Absatz, den ich hinzugefügt habe.
Vielen Dank! Und für Teil 2: Also würde ich alles auf der lauten MCU-Schaltung mit einer Erdungsebene oben auf der Platine verbinden, und dann ist diese Erdungsebene nur durch eine einzige Durchkontaktierung mit der unteren Erdungsebene verbunden?
Das wäre eine Möglichkeit, aber es ist nicht immer möglich, eine Masseebene auf der oberen (Komponenten-) Seite zu haben, die solide genug ist, um nützlich zu sein. Es kann nützlich sein, auch in der unteren Masseebene eine "Insel" zu erstellen und diese Insel an nur einem einzigen Punkt mit dem Rest der unteren Masseebene zu verbinden.
Ach, das stimmt. Und mit "an einem einzigen Punkt" meinen Sie nur eine Spur, die von der Insel zur Hauptebene führt?
Ja, genau richtig.

Bei CPW oder Coplanar Wavequide befindet sich die HF-Energie zwischen den Leitern auf der Oberseite des Substrats. Dies ist bei Halbleitern üblich, wo es schwierig ist, auf eine Masseebene zuzugreifen, und die Entfernungen sehr kurz sind. Für Leiterplatten muss eine untere Erdung vorhanden sein, die als geerdeter koplanarer Wellenleiter (CPWG) oder leitergestützter koplanarer Wellenleiter (CBCPWG) bezeichnet wird. Der Via-Abstand soll eine virtuelle Wand erzeugen, durch die die HF-Energie nicht austreten kann. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge und desto dichter müssen die Durchkontaktierungen beieinander liegen. Hier ist ein Link zu einem Artikel, der dies durch das Testen verschiedener Boards auf den Seiten 14 - 21 zeigt.

http://mpd.southwestmicrowave.com/showImage.php?image=439&name=Optimizing%20Test%20Boards%20for%2050%20GHz%20End%20Launch%20Connectors

Platzierung von Vias zum Verbinden von Masseebenen
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