Platzierung von Durchkontaktierungen zum Verbinden von Masseebenen

Ich habe mich viel über Erdungspraktiken bei Leiterplattenlayouts gewundert. Meine erste Frage beschäftigt sich mit Durchkontaktierungen. Mir ist aufgefallen, dass auf einer einfachen 2-Lagen-Leiterplatte mit beidseitigen Masseebenen in der Regel einige oder mehrere Durchkontaktierungen vorhanden sind, um sie mit minimaler Impedanz zwischen den beiden Kupferteilen zu verbinden.

Auf einer HF-Platine sieht die Via-Platzierung jedoch viel bewusster aus, und ich frage mich, welche Theorie dahinter steckt. Die Durchkontaktierungen, die die Masseebenen verbinden, grenzen häufig an die HF-Spur. Siehe dieses Beispiel für einen differentiellen koplanaren Wellenleiter:

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

Hinweis: Mir ist das mögliche Duplikat hier bekannt, aber ich bin mit den Antworten nicht zufrieden und denke, meine Frage erfordert weitere Einzelheiten.

Danke für die Information.

Das Layout, das Sie gezeigt haben, sieht aus wie ein sogenannter Kupfer-Backed Coplanar Waveguide (CBCPW). Dies bedeutet, dass die Erdungsrückführung für den Wellenleiter nicht nur in der koplanaren Erdung (die Erdung füllt sich auf derselben Schicht wie die Signalspuren), sondern auch in der ebenen Schicht unmittelbar "unterhalb" der Signalschicht erfolgt. Diese Struktur ist ziemlich esoterisch, in dem Sinne, dass ich sie nur in digitalen Systemen gesehen habe, wenn die Datenraten 20 Gbit / s überschreiten.

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

Dieser Artikel zeigt, dass das CBCPW bei Frequenzen, bei denen der Strahlungsverlust im Mikrostreifen wichtig wird, einen geringeren Verlust aufweist als der Mikrostreifen, und zwar ungefähr ab 25 GHz, was erklärt, warum CBCPW bei niedrigeren Frequenzen nicht weit verbreitet ist.

Der Artikel geht auf Ihre Frage ein und zeigt einige spezielle Anforderungen für die Erdung von Durchkontaktierungen in CBCPW-Strukturen auf:

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 entscheidend sein, um die gewünschten Impedanz- und Verlustcharakteristika zu erzielen sowie parasitäre Wellenmoden zu unterdrücken.

Dies bedeutet im Wesentlichen, dass ohne häufige Stichdurchgänge zwischen dem koplanaren Boden und dem Hintergrund die Leistung auf unerwünschte Ausbreitungsmodi übertragen werden könnte, was entweder zu einem übermäßigen Einfügungsverlust oder zu einer starken Streuung der Übertragungsleitungseigenschaften führen würde.

Teil 1: Ein langer Schlitz in einer oberen Erdungsebene kann als Antenne fungieren, um Ströme abzustrahlen und aufzunehmen, die senkrecht zum Schlitz zu fließen versuchen. Sie können sich einen Steckplatz als eine Art "negatives Kabel" vorstellen. Weitere Details finden Sie hier .

Hochfrequente Ströme, die versuchen, von einem Stück der obersten 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 der halben Wellenlänge des Stroms entspricht. Die Spannung über dem Schlitz wird an den Enden des Schlitzes (wo die Teile verbunden sind) auf Null gesetzt, dies bedeutet jedoch, dass die Spannungsdifferenz über dem Schlitz in der Mitte des Schlitzes am höchsten ist. In ähnlicher Weise wird der Strom (über den Steckplatz) in der Mitte des Steckplatzes auf Null gesetzt, ist jedoch an den Enden des Steckplatzes maximal. Dies ist das elektrische "Doppel" einer gewöhnlichen Halbwellen-Drahtantenne, bei der der Strom in der Mitte und die Spannung an den Enden maximal sind. Der Schlitz und der Draht sind ebenso wirksam wie Antennen,

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

Teil 2: Unabhängige Masseebenen für bestimmte "rauschbehaftete" Subsysteme (oder Subsysteme, die besonders "leise" sein müssen) auf einer Platine, die an nur einem Punkt mit der Masseebene auf Systemebene verbunden sind, dienen dazu Beschränken Sie die Rückströme für Signale in diesem Subsystem auf diesen Bereich der Platine, um zu verhindern, dass sie andere Subsysteme auf der Platine beeinflussen (oder von diesen beeinflusst werden).

Angenommen, Sie haben ein mikroprozessorbasiertes Datenerfassungssystem mit einem hochauflösenden ADC und einer ihm vorgeschalteten analogen Signalaufbereitungsschaltung. Sie können eine Masseebene für die Analogschaltung und eine andere für den Mikroprozessor und seine Quarze 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 Kristalls und die anderen schnell schaltenden digitalen E / A-Signale des Mikroprozessors für die empfindlichen analogen Schaltungen außerhalb der Masseebene. Sie sehen dies, wenn Sie sich die Layouts der Evaluierungskarten ansehen, die die Hersteller für ihre hochauflösenden ADC- und DAC-Chips herstellen.

Bei CPW oder Coplanar Wavequide befindet sich die HF-Energie zwischen den Leitern auf dem Substrat. Dies ist bei Halbleitern üblich, bei denen es schwierig ist, auf eine Erdungsebene zuzugreifen und die Entfernungen sehr kurz sind. Für Leiterplatten muss eine untere Erdung vorhanden sein, die als geerdeter koplanarer Wellenleiter (CPWG) oder leitungsgebundener koplanarer Wellenleiter (CBCPWG) bezeichnet wird. Der Durchkontaktierungsabstand dient dazu, eine virtuelle Wand zu erzeugen, durch die die HF-Energie nicht entweichen kann. Je höher die Frequenz, desto kürzer die Wellenlänge und desto enger müssen die Durchkontaktierungen zusammen sein. Hier ist ein Link zu einem Artikel, der dies durch 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