Applikationsschrift 121

Konfigurationen von Übertragungsleitungen

Kurze Schaltzeiten und hohe Taktfrequenzen bedeuten, dass Leiterbahnen als Übertragungsleitungen betrachtet werden müssen. In dieser Applikationsschrift behandeln wir zwei Konfigurationen von Übertragungsleitungen.

In Applikationsschrift AP120 wurde erklärt, warum Leiterbahnen bei hohen Frequenzen als Übertragungsleitungen betrachtet werden müssen – Signalleitungen, deren elektrische Eigenschaften vom Schaltungsentwickler exakt vorgegeben werden. Ein kritischer Parameter ist die charakteristische Impedanz der Leiterbahn (d.h. das Verhältnis von Spannung zu Strom einer Welle, die sich entlang der Übertragungsleitung ausbreitet).

In der Praxis bedeutet dies, dass für Digitalsignale mit Anstiegszeiten kleiner 1 ns oder Analogfrequenzen über 300 MHz kontrollierte Impedanzen gefordert werden. Als Richtwert gilt, dass Impedanzkontrolle nötig ist, wenn die elektrische Länge der Signalleitung 30% der Signalanstiegszeit erreicht.

Anpassung der Übertragungsleitung an die Bauteilimpedanz

Die Bauteile auf einer Leiterplatte besitzen selbst eine charakteristische Impedanz und die Impedanz der Verbindungsleitungen muss so gewählt werden, dass sie der charakteristischen Impedanz der verwendeten Logikfamilie entspricht. Um eine maximale Leistungsübertragung von der Quelle (Bauteil A in der Abbildung) zur Last (Bauteil B) zu erzielen, muss die Leiterbahnimpedanz der Ausgangsimpedanz des Sendebauteils (Bauteils A) und der Eingangsimpedanz des Empfängers (Bauteil B) entsprechen. Für CMOS und TTL liegt dieser Wert zwischen 80 und 110 Ohm.

Wenn die Impedanz der Leiterbahn nicht den Bauteilimpedanzen entspricht, so treten Mehrfachreflexionen auf, bis der Empfänger einen neuen logischen Zustand annimmt. Diese Effekte führen zu längeren Schaltzeiten und sporadischen Fehlern in digitalen Hochgeschwindigkeitssystemen. Der Wert und die Toleranz der Leiterbahnimpedanz muss daher sehr sorgfältig vom Schaltungsentwickler und Layouter definiert werden. Toleranzen von 5% sind nicht ungewöhnlich für kritische Applikationen.

Unsymmetrische Übertragungsleitungen

Die Schaltung in Abb. 1 ist ein Beispiel für eine unsymmetrische Übertragungsleitung.

Abb. 1 – Unsymmetrische Leiterbahn

Die unsymmetrische Leiterbahn ist wahrscheinlich die häufigste Struktur, um zwei Bauteile miteinander zu verbinden. In diesem Fall verbindet ein einzelner Leiter die Quelle eines Bauteils mit dem Empfänger eines anderen Bauteils.

Die Referenzlagen (Masse) bilden den Retourpfad. Dies ist ein Beispiel für eine unsymmetrische Leitung. Der Signalweg und der Retourpfad haben unterschiedliche Geometrien – der Querschnitt des Signalleiters unterscheidet sich von jenem des Retourleiters.

Wodurch wird die charakteristische Impedanz einer Leiterbahn bestimmt?

Die Impedanz einer Leiterbahn wird durch die induktive und kapazitive Reaktanz, Widerstand und Leitfähigkeit bestimmt. Diese sind eine Funktion der physikalischen Abmessungen der Leiterbahn (z.B. Leiterbahnbreite und Dicke) und der Dielektrizitätskonstante des Leiterplatten-Basismaterials sowie dessen Dicke. Die Impedanzen von Leiterbahnen bewegen sich üblicherweise im Bereich von 25 bis 120 Ohm.

In der Praxis besteht eine Übertragungsleitung aus einer Signalleitung, einer oder mehrerer Referenzlagen und dem dielektrischen Material. Die Leiterbahn und Lagen bilden eine kontrollierte Impedanz. Die Leiterplatte ist meist ein Multilayer und die kontrollierte Impedanz kann verschieden konstruiert sein. Welche Methode auch immer verwendet wird, die Impedanz wird durch die physikalische Konstruktion und die elektrischen Eigenschaften des Dielektrikums bestimmt:

• die Breite und Dicke der Signalleitung
• die Dicke des Core oder Pre-preg Materials auf beiden Seiten der Leiterbahn
• die Konfiguration von Leiterbahn und Lagen
• die Dielektrizitätskonstante von Core- und Pre-preg Material

Differentielle Übertragungsleitungen

Impedanzkontrollierte Leiterplatten werden üblicherweise aus  Microstrip oder Stripline Übertragungsleitungen in einer unsymmetrischen oder differentiellen Konfiguration aufgebaut. Die differentielle Betriebsart wird in Abb.2 gezeigt.

Abb. 2 – Differentielle Leiterbahn

Die differentielle Konfiguration wird dann eingesetzt, wenn höhere Rauschimmunität und verbessertes Schaltverhalten in kritischen Applikationen gefordert wird. Diese Konfiguration ist ein Beispiel einer symmetrischen Leitung— der Signalpfad und der Retourpfad weisen gleiche Geometrien auf.  

Die Leitungen werden paarweise angesteuert, wobei in den beiden Leitungen Signale inverser Polarität übertragen werden. Fremdeinstreuungen löschen sich aus und EMI sowie RFI sind niedriger als bei unsymmetrischen Leitungen.

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