Frage:
Signalgeschwindigkeit in Leiterplattenspuren
Cal-linux
2020-04-22 23:26:02 UTC
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Wovon hängt die Signalgeschwindigkeit für ein Signal ab, das durch eine Leiterplattenspur läuft?

Laut Wikipedia hängt es ausschließlich von der relativen Permittivität (ε_r) des Mediums ab (nun, es hängt auch von c ab, aber diese ist eine Konstante). unter der Näherung, dass für PCBs die relative Permeabilität des Mediums 1 ist

Meine Frage ist: Sollte die Signalgeschwindigkeit nicht eine Funktion der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung sein?

Mein Denkprozess ist: Wenn ich eine Spur habe, die eine Breitenänderung aufweist, gibt es eine charakteristische Impedanzänderung, die eine teilweise Reflexion der ankommenden Welle verursachen würde. Da es jedoch nirgendwo eine Energieabsorption gibt, kann die einzige Ursache für eine Teilreflexion eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle sein, oder?

Gemäß der Gleichung auf der Signalgeschwindigkeitsseite von Wikipedia würde sich die Geschwindigkeit nicht ändern, da das Medium das gleiche ist und die relative Permittivität gleich bleibt.

Kann jemand etwas Licht ins Dunkel bringen?

Fünf antworten:
#1
+13
The Photon
2020-04-23 02:05:36 UTC
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Die Faustregeln in der vorherigen Antwort sind für viele Designs gut genug. Aber ich möchte noch einen weiteren Gedanken hinzufügen.

Der Geschwindigkeitsfaktor ist im Grunde die inverse Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante ( \ $ \ varepsilon_R \ $ span> oder \ $ D_k \ $ span>) des Materials, durch das sich das elektrische Feld um die Übertragungsleitung bewegt.

Für Streifenleitungen bedeutet dies, dass es im Wesentlichen die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattenmaterials ist.

Für Mikrostreifen ist dies jedoch ein Durchschnitt der Dielektrizitätskonstante des Plattenmaterials und des umgebenden Materials (normalerweise Luft), gewichtet mit dem Anteil des elektrischen Feldes, das sich in jedem Medium bewegt.

Das heißt, wenn Ihr Design sowohl über einen Mikrostreifen als auch über eine Streifenleitung verfügt, werden die Signale im Mikrostreifen mindestens geringfügig schneller übertragen als die Signale in der Streifenleitung.

Wie in den Kommentaren erwähnt, ist es erwähnenswert, dass die Dielektrizitätskonstante von PWB-Material im Betrieb aufgrund von Faktoren wie Betriebsfrequenz, Temperaturänderung und Feuchtigkeitsaufnahme variieren kann. Es kann auch Abweichungen zur Herstellungszeit aufgrund von Faktoren wie dem Zurückätzen der Spuren und der Ausrichtung der Spuren relativ zu den Glasfasern im Dielektrikum geben

Wenn ich eine Spur mit einer Breitenänderung habe, gibt es eine charakteristische Impedanzänderung, die eine teilweise Reflexion der ankommenden Welle verursachen würde. Da es jedoch nirgendwo eine Energieabsorption gibt, kann die einzige Ursache für eine Teilreflexion eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle sein, oder?

Nein, das folgt nicht.

Wenn die charakteristische Impedanz eine Diskontinuität aufweist, benötigen Sie ein anderes Verhältnis von Strom zu Spannung in der Leitung für das eingehende Signal und das sich vorwärts ausbreitende Signal.Das heißt, um KCL und KVL zu erfüllen (oder, wenn Sie eine mathematischere Erklärung wünschen, um die Randbedingungen zu erfüllen), muss an der Stelle, an der sich die beiden Geometrien treffen, eine umgekehrte Wanderwelle erzeugt werden.Dann kann das Strom-Spannungs-Verhältnis auf der eingehenden Leitung an der Verbindungsstelle so eingestellt werden, dass es mit dem auf der ausgehenden Leitung übereinstimmt, und alles ist in Ordnung mit dem Universum.

Der Unterschied in der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf den beiden Linien, falls vorhanden, ist hier nicht wichtig.

Guter Punkt, um die Dk's basierend auf den Materialien zu gewichten.
Das ist eine wirklich gute Antwort.Ich würde mich freuen, wenn am Ende eine Anmerkung hinzugefügt werden könnte, dass die Dielektrizitätskonstante nur bei einer bestimmten Temperatur und Frequenz konstant ist.Änderungen der Temperatur oder Frequenz können dazu führen, dass sich auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit und die Impedanz ändern.Aber schon Upvoted.
Völlig einverstanden, dass dies eine wirklich gute Antwort ist, die das wichtigste Detail anspricht, das mich verwirrte.Was Temperaturschwankungen betrifft, so hängt dies nicht direkt mit meiner Frage zusammen, die das implizierte "Alles andere ist gleich" hatte.Also ja, es war mir klar, dass andere Faktoren Einfluss haben würden, aber das war nicht der Teil, über den ich verwirrt war.Außerdem denke ich, dass dies in einigen Kommentaren und anderen Antworten gut angesprochen wurde.
@Cal-linux cool.Aber wie Sie wahrscheinlich wissen, hat diese Website einen hohen Stellenwert in den Suchergebnissen.Wenn jemand "welche Faktoren die Leiterplatten-Impedanz beeinflussen" eingab und die Nummer eins akzeptierte Antwort keine Temperatur- oder Frequenzschwankungen erwähnte, auch nicht als Fußnote, dann ist das ein schlechter Dienst für die Welt.Aber ich habe in dieser Frage genug gespielt.Ich will nicht langweilig werden.Gute Frage und einen schönen Tag!
"Sie benötigen ein anderes Verhältnis von Strom zu Spannung in der Leitung für das eingehende Signal und das sich vorwärts ausbreitende Signal" hat dies für mich viel intuitiver gemacht, danke!
Noch eine Nebenbemerkung zur Dieelektrizitätskonstante von PCB-Material: Neben den genannten Variationen besteht auch die Möglichkeit einer Variation innerhalb einer einzelnen PCB: Die üblicherweise zum Aufbau des Dielektrikums verwendeten Glasfasern weisen eine geringfügig andere Permeabilität als das Expoxyharz auf.Wenn also eine Spur direkt über einer Faser liegt, während sich eine andere zwischen zwei Fasersträngen befindet, weisen Signale, die durch diese beiden Spuren laufen, unterschiedliche Ausbreitungsverzögerungen auf.Dies wird als Faserweb-Effekt bezeichnet und - wenn überhaupt wichtig genug - dadurch gemildert, dass die Spuren leicht außerhalb des Winkels verlaufen.
@mkeith - "Aber ich habe genug über dieses Thema gesprochen. Ich möchte nicht langweilig werden."Nein, das ist fair, und schließlich denke ich, dass Sie Recht haben.Ich war vielleicht ein bisschen zu tief in meine eigene Welt eingetaucht und besonders froh, dass ich eine sehr nette Antwort bekam, die genau den Punkt traf, an dem ich das Missverständnis und die Verwirrung hatte, also ignorierte ich dieses Detail.Schließlich lautete meine Frage buchstäblich: "Wovon hängt die Signalgeschwindigkeit ab?" Also, wie Sie betont haben, ist es als "Fußnote" sinnvoll, dass der Rest der Frage dann die Betonung auf eine andere verschiebtAspekt.
@mox, ist das, worauf ich anspielte, als ich "Ausrichtung der Spuren relativ zu den Glasfasern im Dielektrikum" erwähnte.
#2
+11
Spehro Pefhany
2020-04-22 23:49:27 UTC
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Wenn Sie die Leiterplattenspur als verlustfreie Übertragungsleitung betrachten, ist die charakteristische Impedanz \ $ Z_0 = \ sqrt {\ frac {L} {C}} \ $ span>Der Geschwindigkeitsfaktor ist jedoch umgekehrt proportional zu \ $ \ sqrt {L \ cdot C} \ $ span> (wobei L & C pro Längeneinheit sind).

Es sollte also möglich sein, dass sich die Geschwindigkeit ändert, ohne dass sich die charakteristische Impedanz ändert, aber es wären zwei Dinge erforderlich, um sich gleichzeitig zu ändern.

Wenn Sie nur die Kapazität (oder Permittivität) ändern, ändert sich \ $ Z_0 \ $ span> proportional zum Geschwindigkeitsfaktor.Mehr in diesem Papier von 1965.

Die relative Permittivität ist auch eine Funktion der Signalfrequenz und der Materialtemperatur.Geschwindigkeit wird also auch eine Funktion dieser Dinge sein.Dann gibt es Mikrostreifen gegen Streifenleitung zu berücksichtigen.
@mkeith sicher, und es ist im Allgemeinen auch anisotrop.Ich versuche nur, es so weit wie möglich zu vereinfachen, ohne die Prinzipien zu verlieren.
Ich weiß, dass du weißt.Mein Kommentar ist für andere.Dies liegt daran, dass die Hauptfrage lautet: "Wovon hängt die Signalgeschwindigkeit für ein Signal ab, das sich durch eine Leiterplattenspur bewegt?"Übrigens wusste ich nicht, dass es in irgendeiner Weise anisotrop war.Interessant!
Welcher der Gründe, warum Hersteller eine Frequenz angeben, wenn sie die relative Permittivität / Dk für ein Material angeben.
#3
+4
mkeith
2020-04-23 00:46:09 UTC
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Elektromagnetische Wellen bewegen sich in einem dielektrischen Medium. Theoretisch hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit von der relativen Permittivität und der relativen Permeabilität des dielektrischen Mediums ab, in dem sich die Welle bewegt. Bei allen praktischen Materialien beträgt die relative Permeabilität 1, so dass wir dies normalerweise ignorieren und sagen, dass die Geschwindigkeit nur von der abhängt Permittivität des Dielektrikums

Die Formel lautet V = C / sqrt (epsilon)

Wobei V die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist, C die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist und Epsilon die relative Permittivität ist. Typische Leiterplatten bestehen aus einem Glasfaser-Epoxid-Verbundwerkstoff namens FR4

Die relative Permittivität von FR4 liegt bei etwa 4, dies kann jedoch mit Frequenz und Temperatur variieren.

Für eine Spur auf einer äußeren Schicht ist das Dielektrikum jedoch teilweise Luft und teilweise FR4. Für Spuren auf einer äußeren Schicht wird normalerweise eine effektive Permittivität berechnet, die versucht, die Auswirkungen der beiden verschiedenen Dielektrika zu mitteln. Da Luft eine viel geringere Permittivität aufweist, sind Signale der äußeren Schicht schneller als Signale der inneren Schicht. Sie können sagen, dass sie als Faustregel ungefähr 15% schneller sind. Eine detaillierte Berechnung kann mit speziell für diesen Zweck entwickelten Formeln durchgeführt werden. Es müssen jedoch alle Details angegeben werden (Spurenbreite, Dicke, Abstand zur Bezugsebene, genaue Permittivität des PCB-Materials usw.).

Bei Spuren der inneren Schicht beträgt die Geschwindigkeit ungefähr die Hälfte der Geschwindigkeit des freien Raums. Wie bereits erwähnt, ist die Permittivität in der Leiterplatte eine Funktion der Temperatur und der Signalfrequenz. Dies ist etwas, das Sie vom FR4-Lieferanten oder dem Plattenhersteller erhalten müssen, wenn Sie äußerst genau sein möchten.

FR4 ist nicht die einzige Materialauswahl. Es gibt andere, einige sind auf hohe Hitze und einige auf hohe Frequenzen usw. spezialisiert.

Spuren der äußeren Schicht werden typischerweise als Mikrostip-Übertragungsleitungen modelliert.Und innere Spuren werden als Streifenleitungsübertragungsleitungen modelliert.Die Suche mit diesen Begriffen kann bei weiteren Recherchen hilfreich sein.

#4
+4
Neil_UK
2020-04-23 01:38:31 UTC
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Betrachten Sie eine 100-Ohm-Kurve.

Parallel dazu eine weitere 100-Ohm-Spur.

Sie haben eine 50-Ohm-Kurve mit genau der gleichen Ausbreitungsgeschwindigkeit wie bei beiden Originalen.

Stimmt, aber ich sehe nicht, wo dies für die Fragen des OP relevant ist.
@SteveSh ist ein Gedankenexperiment, mit dem Sie sehen können, dass die Impedanz geändert werden kann, ohne die Ausbreitungsgeschwindigkeit zu beeinflussen.Ich denke, dass es sehr relevant ist.Ein bisschen wie ein Zen-Koan.Machen Sie eine Spur, wie hoch ist die Impedanz?Machen Sie eine weitere Spur und legen Sie sie parallel.Was ist die Impedanz jetzt?Hat sich die Geschwindigkeit geändert?Jetzt bist du erleuchtet.
Musste nicht erleuchtet werden.Sie hätten den gleichen Punkt machen können, indem Sie einfach die Geometrie einer einzelnen Kurve geändert hätten.
Die Antworten sind nicht für Sie geschrieben.Sie kennen die Antwort bereits.Die Antworten beziehen sich auch nicht ausschließlich auf das Originalplakat.Die Antworten richten sich an alle Personen, die diese Frage über die Online-Suche finden.Einige Fragen werden zu sehr beliebten Suchergebnissen.
"* Die Antworten sind für alle Personen, die diese Frage durch Online-Suche finden *" ...... na ja, plus für das OP!:‒)
#5
+3
SteveSh
2020-04-22 23:57:48 UTC
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Das Folgende ist ein Auszug aus Dr. Eric Bogatins "Faustregel Nr. 3 Signalgeschwindigkeit auf einer Verbindung", circa 2013.

Die Lichtgeschwindigkeit (jede EM-Strahlung) beträgt 186.000 Meilen pro Sekunde oder 300.000 km / s im Vakuum oder in der Luft.Eine nützlichere Form davon für unsere Diskussion ist 12 Zoll pro ns.

Wenn sich ein elektrisches Feld [das das Signal darstellt] in einem dielektrischen Material wie einem Leiterplattenlaminat bewegt, verlangsamt sich die Lichtgeschwindigkeit mit der Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante Dk.In FR4 beträgt der Dk beispielsweise 4, sodass die Lichtgeschwindigkeit in den meisten Laminatmaterialien

beträgt

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Beachten Sie, dass die Dielektrizitätskonstante Dk der relativen Permittivität entspricht.

Ich habe diese Faustregel 1996 oder so festgelegt und sie auf einer tatsächlichen Leiterplatte validiert, die in einem echten Produkt verwendet wird ;-).
Ich glaube, es würde sich lohnen, mindestens einen Satz für Streifenleitung / Mikrostreifen zu verwenden.
\ $ {12 in \ über ns} \ ca. {30 cm \ über ns} \ $ für \ $ C \ $ im Vakuum.


Diese Fragen und Antworten wurden automatisch aus der englischen Sprache übersetzt.Der ursprüngliche Inhalt ist auf stackexchange verfügbar. Wir danken ihm für die cc by-sa 4.0-Lizenz, unter der er vertrieben wird.
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