Unbalancierte Leiterbahnen und differentielle Impedanz

1.    Einführung

Üblicherweise gilt für die Erreichung eines bestimmten differentiellen Impedanzwertes, dass die beiden Signalleiter den gleichen Querschnitt aufweisen. Man spricht dann von balancierten Leiterbahnen. Dieser Fall wird auch in den meisten Impedanzberechnungswerkzeugen vorausgesetzt. Aufgrund der Herstelltechniken und der Toleranzen können die beiden Leiterbahnen jedoch unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Es sind dies unbalancierte Leiterbahnen. Dieser Artikel untersucht die Auswirkungen der Unbalance auf den Wert der differentiellen Impedanz.    

Die Berechnung der differentiellen Impedanz einer unbalancierten Leitung ist komplizierter als die Berechnung von balancierten Leiterbahnen, da keine geometrische und elektrische Symmetrie besteht. Über die gleiche Berechnungsmethode wie in der  CITS25 und Si6000 Software wurden die Kapazitäts- und Induktivitätsmatrizen der beiden Leiterbahnen berechnet. Aus diesen Matrizen kann die differentielle Impedanz bestimmt werden.

 2.    Ergebnisse

Es liegen die Ergebnisse für eine Edge-coupled Microstrip und Stripline-Struktur vor. Es werden in der Praxis übliche typische Extremwerte betrachtet. Wir nehmen den balancierten Fall als Referenz und ändern die Breite der rechten Leiterbahn um bis zu +/-20%, behalten jedoch die gleiche Mittellinie bei. In den Tabellen unten ist der Wert der Mittellinie die Distanz zwischen der linken Kante der linken Leiterbahn zur Mittellinie der rechten Leiterbahn.

Eine Broadside-coupled Stripline wird ebenso untersucht. In diesem Fall werden identische Leiterbahnen balanciert über der Mittellinie zwischen zwei Masseflächen angeordnet. Die untere Leiterbahn der zwei Signalleiter wird +/- 20% auf und ab aus deren balancierter Position gebracht.

Microstrip

Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse aus einer +/- 20% Veränderung der Leiterbreite für verschiedene Konfigurationen einer Microstrip. Die Grafik 1 zeigt die prozentuelle Änderung der Leiterbreite und der differentiellen Impedanz für eine Surface Microstrip bei einer Substratdicke von 1000µm und einem fixen Mittellinien-Abstand von 90µm und 130µm. Grafik 1 zeigt die Daten der ersten beiden Spalten in Tabelle 1. Ähnliche grafische Variationen gelten für die weiteren Datenpaare in Tabelle 1.   

Generell gilt, je höher die differentielle Impedanz, umso kleiner ist die prozentuelle Änderung der Impedanz. Impedanzen größer 100 Ohm ändern sich nur mehr um maximal +/- 7%. Für Impedanzen kleiner 100 Ohm nimmt die Impedanzänderung bei sinkender Impedanz zu. Das Ausmaß der Änderung hängt auch von der Separation zwischen den Leiterbahnen ab. Bei einem Mittellinienabstand von 90µm, einer balancierten Leiterbreite von 51µm und einer Separation von 13.5µm ergibt sich eine Impedanz von 61,7 Ohm. Die Impedanzänderung beträgt -20,7% bis 17,0%. Bei einem Mittellinienabstand von 2100µm, einer balancierten Leiterbreite von 1250µm und einer Separation von 225 µm ergibt sich eine Impedanz von 80,3 Ohm. Die Impedanzänderung beträgt -19,1% bis 15.2%. 

Diese Untersuchung wurde für Embedded Microstrip und Surface Microstrip wiederholt.

Stripline

Tabelle 2 zeigt die Änderung der differentiellen Impedanz bei einer +/- 20 % Variation der Breite einer Leiterbahn für eine Edge-Coupled-Struktur und einer +/-20% Variation der Position der unteren Leiterbahn einer Broadside-Coupled Struktur.  

Für Edge-Coupled Strukturen ist die Variation der differentiellen Impedanz ähnlich der Edge-Coupled Microstrip Struktur bei ähnlichen Impedanzen. Es gibt jedoch eine größere Variation bei niedrigen Impedanzen mit geringerer Separation im Vergleich zu höheren Impedanzen, bei welchen die Leiterbahnen eine größere Separation aufweisen. Grafik 2 zeigt ein Beispiel.

Grafik 3 zeigt die Variation der differentiellen Impedanz für eine Broadside-Coupled Struktur. Bei einem Leiterbahnabstand gleich dem halben Abstand der Bezugsflächen ist die Impedanzänderung praktisch konstant bei einer +/- 20% Variation der Leiterbahn-Höhenposition. Diese kleine Änderung gilt auch bei anderen Leiterbreiten und Bezugsflächenabständen.

Wenn die Leiterbahnen nicht durch ca. den halben Bezugsflächenabstand separiert sind, so sind die Änderungen der differentiellen Impedanz viel größer, wie in Grafik 3 gezeigt wird.  .

Polar Instruments Ltd

polarinstruments.com
mail@polarinstruments.com

Tel: +44 1481 253081 Fax: +44 1481 252476 © Polar Instruments 2001