Einsteigerleitfaden zur Impedanzkontrolle in Leiterplatten

Wenn ein digitales Signal von einem Punkt zum anderen übertragen wird, verursacht es eine Zustandsänderung der Signalleitung. Diese Änderung kann als elektromagnetische Welle verstanden werden, die sich durch den Schaltkreis bewegt. Reflexion tritt auf, wenn diese Welle auf eine Grenze zwischen verschiedenen Medien trifft. An dieser Grenze setzt sich ein Teil der Wellenenergie als Signal fort, während der Rest reflektiert wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die Energie entweder vom Schaltkreis absorbiert oder in die Umgebung abgegeben wird.

Für Elektroingenieure wird diese Grenze typischerweise durch eine Änderung der elektrischen Impedanz definiert. Beim PCB-Design entstehen Reflexionen, wenn ein Signal auf eine Impedanzanpassung entlang einer Leitung trifft. Diese Fehlanpassung bewirkt, dass ein Teil des Signals zur Quelle zurückreflektiert wird, was zu Signalintegritätsproblemen wie Verzerrung, Rauschen und Datenfehlern führt, insbesondere in Hochgeschwindigkeits-Digital- oder HF-Schaltungen.

Impedanz eines Schaltkreises:

In Schaltkreisen mit Widerständen, Spulen und Kondensatoren wird der Gesamtwiderstand, der den Stromfluss hemmt, als Impedanz bezeichnet. Die Impedanz setzt sich aus ohmschen und reaktiven Anteilen zusammen. Widerstände wandeln die Energie des Schaltkreises in Wärme um. Die wiederaufbereitbare Energie befindet sich in den elektromagnetischen Feldern, die die Leiter, Spulen und Kondensatoren durchdringen und umgeben.

Die Impedanz wird üblicherweise mit dem Symbol „Z“ bezeichnet, in Ohm (Ω) gemessen und ist eine komplexe Zahl; der Realteil ist der Widerstand, der Imaginärteil die Reaktanz. Die Impedanz ist die kombinierte Wirkung von Widerstand, Induktivität und Kapazität in Wechselstromkreisen. Die Impedanz eines bestimmten Schaltkreises ist nicht konstant; ihr Wert wird gemeinsam von der AC-Frequenz, dem Widerstand (R), der Induktivität (L) und der Kapazität (C) bestimmt und ändert sich daher mit der Frequenz.

Was ist Impedanzanpassung?

Impedanzanpassung stellt sicher, dass Signalquelle bzw. Übertragungsleitung und Last kompatibel sind. Sie lässt sich in Niederfrequenz- und Hochfrequenzanpassung unterteilen. In Niederfrequenzschaltungen kann man Reflexionen vernachlässigen, weil die Wellenlänge groß gegenüber der Leitung ist. In Hochfrequenzschaltungen hingegen sind die Wellenlängen vergleichbar mit der Leitungslänge; reflektierte Signale überlagern sich mit dem Originalsignal, verändern dessen Form und beeinträchtigen die Signalqualität.

Signalreflexionen:

Das Verhalten von Schaltungen bei hohen Frequenzen ändert sich durch Parasitäreffekte wie Randkapazitäten und -induktivitäten. PCB-Signalleitungen verhalten sich wie Übertragungsleitungen, und an jedem Punkt entlang der Leitung existiert eine Impedanz.

Dadurch wird das ursprüngliche Signal verzerrt, und das, was am Sendeende übermittelt werden sollte, kann sich bis zum Empfangsende hin verändern. Um eine verzerrungsfreie Signalübertragung zu erreichen, müssen PCB-Signalleitungen daher eine konstante Impedanz aufweisen.

Häufig verwendete Impedanzleitungen im PCB-Design:

Durch Impedanzanpassung lassen sich Reflexionen bei Hochfrequenzsignalen wirksam reduzieren oder beseitigen. Häufig verwendete Impedanzleitungen lassen sich in vier Typen einteilen:

1. Single-Ended-Impedanzleitung:

Die Single-Ended-Impedanzleitung bezeichnet die Impedanz einer einzelnen Leitung auf einer Platine und wird hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: Microstrip und Stripline.

• Microstrip-Leitung: Eine Signalleitung auf der Außenlage einer Platine mit einer direkt darunter liegenden Masseebene auf einer Innenlage. Die Impedanz wird durch die Leitungsbreite, die Dielektrikumdicke (Isolationsmaterial) zwischen Leitung und Masseebene sowie die Dielektrizitätskonstante des Materials bestimmt.
• Stripline: Eine Signalleitung, die zwischen zwei Masseebenen eingebettet ist, typischerweise auf Innenlagen der Platine. Die Impedanz wird durch die Leitungsbreite, die Dielektrikumdicke ober- und unterhalb der Leitung sowie die Dielektrizitätskonstante bestimmt.

2. Differential-Pair-Impedanzleitung:

Zwei parallele Leitungen mit gleichen und entgegengesetzten Signalen, typischerweise für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung. Die Impedanz wird durch Leitungsbreite, Leitungsabstand und die dielektrischen Eigenschaften des Materials gesteuert. Sie hat eine normierte Impedanz von 90–110 Ω.

3. Koplanare Single-Ended/Differential-Pair-Impedanzleitung:

Eine Signalleitung auf einer Außenlage mit Masseflächen auf beiden Seiten der Leitung, normalerweise auf derselben Lage. Die Impedanz wird durch die Leitungsbreite, den Abstand zwischen Leitung und den benachbarten Masseflächen, die Dielektrikumdicke unter der Leitung und die Dielektrizitätskonstante bestimmt. Sie hat eine normierte Impedanz von 50 Ω (Single-Ended), 90–100 Ω (Differential-Pair).

Überlegungen zur Impedanzanpassung im PCB-Design:

Berechnung und Messung der Impedanz einer PCB-Leitung:

Bei Bestellungen mit Impedanzkontrolle müssen Sie Ihre Impedanzanforderungen in Form einer Tabelle oder eines Diagramms zusammen mit den komprimierten PCB-Dateien angeben. Die allgemeinen Impedanzwerte der Leitungen sind in der unten stehenden Abbildung mit Leitungsbreite, Abstand und Lageninformationen aufgeführt.

Verwendung des JLCPCB-Impedanzrechners:

Öffnen Sie den „Impedanz-Rechner“ von JLCPCB, geben Sie die Impedanzwerte ein und wählen Sie das entsprechende Layer-Stack-up sowie weitere relevante Parameter wie Plattendicke. Entwerfen Sie die entsprechende Leitungsbreite und Leitungsabstände in Ihren Konstruktionsdaten.

Wichtiger Hinweis des Herstellers: Bei Bestellungen, bei denen „Impedanzkontrolle“ auf „Ja“ gesetzt ist, hält unsere Fabrik die Impedanz innerhalb einer Toleranz von ±10%. Wählen Sie „Nein“, kontrollieren wir die Impedanz nicht, stellen jedoch sicher, dass Leitungsbreite und Abstand innerhalb einer Toleranz von +/-20% liegen. Eine Impedanzkontrolle ist für Doppelseitenplatten noch nicht verfügbar.

Fazit:

Die Impedanzanpassung ist ein kritischer Aspekt des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs und stellt eine optimale Signalübertragung sowie die Erhaltung der Signalintegrität sicher. Durch sorgfältige Berücksichtigung von Impedanzwerten, Leitungsbreiten, Abständen, Dielektrika und Referenzlagen können Designer Signalreflexionen und -verzerrungen wirksam minimieren. Die Implementierung impedanzkontrollierter Leitungen und die Nutzung von Tools wie dem JLCPCB-Impedanzrechner