1-2023

Rund um die Leiterplatte
Fertigungsgerechtes Leiterplattendesign
Smart Tool ermittelt Geometrie
für impedanzdefinierte Leiter
Impedanzdefinierte Leiterplatten erfordern die richtige Leitergeometrie, Lagenaufbau und Basismaterial,
um die vorgegebene Impedanz zu erreichen. Intelligente Werkzeuge vereinfachen die Arbeit.
Leiterbahnen mit definierter Impedanz: fertigungsbedingt schwankt
die Impedanz um ±10 %
Jede Leiterbahn hat eine Länge,
einen Widerstand, eine Kapazität
und eine Induktivität. Der Wert dieser
elektrischen Parameter ist abhängig
von ihren physikalischen Eigenschaften,
der Beziehung zu anderen
leitenden und nichtleitenden Materialien
in der Nähe und der Wellenform,
die sie durchläuft.
Gleichstromsignale und Wellenformen
mit niederfrequenten Anteilen,
werden von den Eigenschaften
nicht so stark beeinflusst, insbesondere
dann, wenn die Leiterbahnen
im Vergleich zu ihren Wellenlängen
kurz sind. In diesen Fällen können
wir diese Verbindungen so behandeln,
als ob sie direkt nebeneinander
liegen würden.
Wenn die Wellenlänge viel kürzer
ist als die Länge der Leitung, oft wird
ein Viertel bis ein Sechstel verwendet,
müssen wir uns um die Eigenschaften
der Leitung kümmern, die das Signal
durchlaufen wird. Das Ziel ist, die
Wellenform so weit wie möglich beibehalten,
den Einfluss von anderen
Signalen in der Nähe reduzieren und
Reflexionen minimieren. Dazu schaffen
wir eine Leitung mit einem definierten
Wellenwiderstand z0, den die
Eurocircuits
www.eurocircuits.de
Wellenfront, ein Übergang zwischen
Zuständen, „sieht“, wenn sie sich entlang
der Leitung ausbreitet.
Eine herkömmliche Übertragungsleitung
besteht aus einer Leiterbahn
mit einer Erdungsebene für den Rückstrom.
In den meisten Fällen sind die
Leiterbahnen und Ebenen entweder
mit Luft oder einem Basismaterial
FR-4, RO4350, IS400 usw. mit
einer bestimmten Dielektrizitätskonstante
εr umgeben. Schließlich muss
eine passende Abschlussschaltung
in der Regel mit Widerständen und
Kondensatoren einbezogen werden,
um Reflexionen so weit wie möglich
zu verhindern.
Nach dieser extrem kurzen Einführung
in das weite Feld HF-Design,
kommt der fertigungstechnische Teil.
Grundregeln
für gutes HF-Design
Für ein erfolgreiches HF-Design
muss der Leiterplattendesigner die
Schaltung gut entwerfen und die Leiterplatte
speziell für diese Anforderungen
auslegen und der Leiterplattenhersteller
mit den erforderlichen
elektrischen Eigenschaften fertigen.
Der PCB-Designer
hat die Aufgabe:
• die richtige Geometrie zu definieren,
also Aufbau, Abstände und
Breiten und die Materialien mit
ihren jeweiligen Dielektrizitätskonstanten,
um die gewünschte
charakteristische Impedanz zu
erzeugen;
• Unterbrechungen in den Übertragungsleitungen
zu minimieren, die
normalerweise durch Durchkontaktierungen
und Steckverbinder
verursacht werden;
• eine geeignete Abschlussschaltung
vorsehen, die Reflexionen
reduziert, falls es erforderlich ist
oder eine Feinabstimmung nach
der Fertigung der Leiterplatte
vorsehen.
Der Leiterplattenhersteller hat die
Aufgabe, den korrekten Aufbau zu
fertigen und die Geometrie so einhalten,
dass der resultierende Wellenwiderstand
der Übertragungsleitung
innerhalb einer bestimmten prozentualen
Abweichung vom Nennwert
liegt; 10% Abweichung ist ein
Industriestandard. Dies wird als
definierte oder kontrollierte Impedanz
bezeichnet.
Interaktives Webtool
Impedanz Kalkulator
Mit dem Impedanz Kalkulator
bietet Eurocircuits eine günstige
Lösung für Leiterplatten an, die für
bestimmte Leiterbahnen eine definierte
Impedanz erfordern. So funktioniert
das Webtool: Zunächst wählen
Designer Defined Impedance Pool
im Eurocircuits Visualizer aus. Die
minimale Anzahl der Lagen ist vier.
Nun ist der praktischer Impedanz
Kalkulator aktiv. Damit lässt sich
die Geometrie der Leiterbahnen
berechnen, die die Übertragungsleitungen
Single-Ended oder Differential,
Microstrip oder Stripline
für den gewählten Lagenaufbau
bilden werden.
Zum Beispiel lassen sich für 50 Ω
Leitungswellenwiderstand und 90 Ω
differentiellen Leitungswellenwiderstand
die korrekten Leiterbahnbreiten
und Leiterabstände für ein Material
mit konstanter Dielektrizitätskonstante
(εr) einfach bestimmen.
Es ist wichtig, einen Blick auf
den Lagenaufbau-Editor zu werfen,
um sicherzustellen, dass der
Aufbau wie erwartet ist und dass
jeder Lage Designdaten zugeordnet
sind. Abschließend ist auf die
berechnete Gesamtmaterialdicke im
Abschnitt Lagenaufbau des Lagenaufbau-Editors
zu achten, da diese
von der Nenndicke der Leiterplatte
0,8 mm; 1,2 mm; 1,55 mm, usw.
abweicht und vom Lagenaufbau
abhängt ◄
Mit dem Impedanz Kalkulator können PCB-Designer die richtige
Leitergeometrie für einen bestimmten Lagenaufbau ermitteln
54 1/2023