Microstrip oder: Layout für schnelle Digitaltechnik

[Hobbylayouter (Gast)]

Hi Leute,
ich hab mal wieder eine Frage bezüglich dem PCB-Layout von schnellen 
digitalen Schaltungen :-)
Reflexionen und so.
Aaaalso, dafür gibts ja die sogenannten Microstrip-Leiterbahnen.
Da hab ich auch so ein schönes Tool gefunden, womit ich die berechnen 
kann (AppCAD von Agilent).
Jedoch: Was bringt mir das?
Angenommen, ich will einen Mikrocontroller mit FLASH und RAM verbinden 
(Adress- und Datenbus). Das ganze soll mit 80 MHz laufen.
Wie weiss ich jetzt, welche Impedanz ich den Leiterbahnen verpassen 
muss?

Okay, ich hab mir in der Berufsschule (bin noch in der Lehre) von einem 
Lehrer sagen lassen, dass der Trick bei den Microstrip-Leiterbahnen der 
ist, dass man die Leiterbahnbreite so gross wählt, dass sich der 
Kapazitätsbelag der Leitung und der Induktivitätsbelag genau aufheben 
(gilt natürlich nur bei einer bestimmten Frequenz). Denn die Leitung 
bildet ja mit der Massefläche, die auf dem unteren Layer der LP ist, 
eine Kapazität, und durch ihre Länge hat sie eine Induktivität. Oder?
Und nun berechnet man das ganze so, dass bei der gewünschten Frequenz XL 
= XC ist. Richtig?
Und wie kann ich das berechnen? AppCAD gibt mir L und C nicht raus, 
sondern es gibt direkt eine Impedanz an (?).

Frage:
Bis zu welchen Frequenzen muss ich mir um das Layout noch keine Gedanken 
machen? Und gibts zu diesem Highspeed-Zeug irgend ein Tutorial oder 
meinetwegen ein Buch?
Oder, anders gefragt - später mal möchte ich mich an einem selber 
gebauten ARM9 Board versuchen, das dann mit 180 (!) MHz laufen soll. Der 
Adress- und Datenbus muss da wohl schon ziemlich durchdacht sein, oder?

[Geniesser (Gast)]

Also bei 80 MHz würde ich mir noch keine Gedanken über Microstrip 
machen.

http://www.iue.tuwien.ac.at/phd/bauer/node18.html

[Hobbylayouter (Gast)]

Und bei 180 MHz?

[Falk B. (falk)]

@  Hobbylayouter (Gast)

>Und bei 180 MHz?

Kommt auf die Leitungslänge an, siehe Wellenwiderstand.

MFG
Falk

[Martin L. (Gast)]

Also Dein Lehrer hat Dir da leider was falsches erzählt. Induktiver und 
kapazitiver Leitungsbelag heben sich nicht auf. Der Wellenwiderstand 
gibt jedoch an in welchem Verhältnis Strom und Spannung (-swellen) auf 
der Leitung zueinander stehen. Man kann nun zeigen, dass es genau dann 
keine Reflektionen gibt wenn die Last den selben Widerstand (bzw. 
konjugiert komplexen bei nicht rein realen Impedanzen) wie den 
Wellenwiderstand aufweist.
Bei Digitalschaltungen ist es erst mal nicht so ganz wichtig ob durch 
die Reflektion an dem "Verbraucher" eine höhere Spannung entsteht. (Man 
braucht i.A. keine Leistungsanpassung) Es ist aber wichtig, dass ein 
Impuls nicht mehrere male auf der Leitung hin- und herwandert und so 
Eingangssignale erzeugt die gar nicht gesendet wurden. (Deswegen ist 
eigentlich auch nicht unbedingt die Frequenz sondern viel eher die 
Anstiegszeit und die maximale Schaltgeschwindigkeit des Eingangs 
entscheident.)

Jedenfalls kann man gegen diese hin und herwandernden Impulse mehrere 
Dinge unternehmen. Entweder man macht eine korrekte Terminierung 
(Abschluss mit dem richtigen Wellenwiderstand) am Ein- oder Ausgang. (Am 
Eingang geht es deswegen, weil dann die Welle zurück zum Ausgang wandert 
aber dort ihre Energie in Wärme umgewandlet wird und nicht wieder zum 
Eingang wandert.) Um das zu machen braucht man aber wenigstens die 
groben Ausgangs- und/oder Eingangsimpedanzen der verwendeten Bauteile.

Eine andere Variante ist eine Terminierung mit Dioden. Dort wird die 
Spannungsspitze die bei der Reflektion entsteht gekappt. Leider wird der 
Welle dadurch nicht besonders viel Energie entzogen und es gibt immer 
noch, wenn auch kleinere, Reflektionen. Trotzdem macht es manchmal Sinn. 
(Z.B. wenn man schon dissipative Elemente in der Leitung hat, diese aber 
nicht ausreichen.)

Viele Grüße,
 Martin L.

[PCB-Crack (Gast)]

Ich will dir nicht den Mut nehmen.
Aber lass das mit den Microstrip Leitungen sein.

Falls du das wirklich umsetzten willst, musst du dir mehr Gedanken als 
nur um die Leiterbahnbreite machen. Da spielen so viele Faktoren eine 
Rolle.
z.B. der Lagenaufbau (Er des Basismaterials, Verfüllungsgrad, wo sind 
deine Power und GND-Planes,...), der Lötstoplack, die Kupferstärke 
(nicht zu vergessen die Toleranz beim Aufkupfern), der Ätzfaktor,...
Frag auf jeden Fall vor dem Layouten bei deinem Leiterplattenhersteller 
nach welches Basismaterial er verwendet und ob sich dein gewünschter 
Lagenaufbau (auch in welchem Toleranzbereich) so umsetzten lässt.

Ich bin der Meinung, dass man sich EMV-Mäßig schon bei 10 MHz gedanken 
machen muss. Man bedenke nur die hohen Flankensteilheiten schon von 
74HCxxx (->Fourier)

Welche Impedanz du dann verwenden musst, hängt ganz von deinen 
verwendeten Bauteilen und den Frequenzen ab!