Ein Anfängerleitfaden zur Impedanzsteuerung im PCB-Design

Wenn ein digitales Signal von einem Punkt zum anderen übertragen wird, verursacht dies 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. Im PCB-Design treten Reflexionen auf, wenn ein Signal auf eine Impedanzdiskrepanz entlang einer Leitung trifft. Diese Diskrepanz 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.

1.    Impedanz eines Schaltkreises:

In Schaltkreisen mit Widerständen, Spulen und Kondensatoren wird der gesamte äquivalente Widerstand, 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 wieder gewinnbare Energie existiert in den elektromagnetischen Feldern, die die Leiter, Spulen und Kondensatorflächen durchdringen und umgeben.

Die Impedanz wird üblicherweise mit dem Symbol „Z“ in Ohm (Ω) angegeben und ist eine komplexe Zahl, deren Realteil als Widerstand und deren Imaginärteil als Blindwiderstand bezeichnet wird. 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.

2.    Was ist Impedanzanpassung?

Impedanzanpassung ist ein Verfahren, um die Kompatibilität zwischen einer Signalquelle oder Übertragungsleitung und deren Last sicherzustellen. Sie kann in Niederfrequenz- und Hochfrequenzanpassung unterteilt werden. In Niederfrequenzschaltungen, bei denen die Wellenlänge im Vergleich zur Übertragungsleitung relativ lang ist, können Reflexionen vernachlässigt werden. In Hochfrequenzschaltungen hingegen, mit kürzeren Wellenlängen vergleichbar mit der Länge der Leitung, können reflektierte Signale, die sich auf das ursprüngliche Signal überlagern, dessen Form verändern und die Signalqualität beeinträchtigen.

Signalreflexionen:

Das Verhalten von Schaltkreisen bei hohen Frequenzen ändert sich aufgrund parasitärer Effekte wie Randkapazitäten und -induktivitäten. PCB-Signalleitungen verhalten sich ebenfalls wie Übertragungsleitungen, und jeder Punkt entlang der Leitung besitzt eine Impedanz.

Infolgedessen wird das ursprüngliche Signal verzerrt, und das, was vom Sendeende übertragen werden sollte, kann sich ändern, bevor es den Empfänger erreicht. Um eine verzerrungsfreie Signalübertragung zu erreichen, müssen PCB-Signalleitungen daher eine konstante Impedanz aufweisen.

3.    Häufig verwendete Impedanzleitungen im PCB-Design:

Impedanzanpassung verringert oder beseitigt wirksam Reflexionen bei Hochfrequenzsignalen. Häufig verwendete Impedanzleitungen lassen sich in folgende vier Typen einteilen:

⦁ Single-Ended-Impedanzleitung:

Die Single-Ended-Impedanzleitung bezieht sich auf die Impedanz einer einzelnen Leitung auf einer Leiterplatte und wird typischerweise in zwei Haupttypen unterteilt: Microstrip und Stripline.

⦁ Microstrip-Leitung: Eine Signalleitung auf der Außenlage einer Leiterplatte mit einer Massefläche direkt darunter auf einer Innenlage. Die Impedanz wird durch die Leitungsbreite, die Dielektrikumdicke (Isolationsmaterial) zwischen Leitung und Massefläche sowie die Dielektrizitätskonstante des Materials gesteuert.

⦁ Stripline: Eine Signalleitung, die zwischen zwei Masseflächen eingebettet ist, typischerweise auf Innenlagen der Leiterplatte. Die Impedanz wird durch die Leitungsbreite, die Dielektrikumdicke ober- und unterhalb der Leitung sowie die Dielektrizitätskonstante gesteuert.

⦁ Differential-Paar-Impedanzleitung:

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

⦁ Koplanare Single-Ended/Differential-Paar-Impedanzleitung:

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

4.    Überlegungen zur Impedanzanpassung im PCB-Design:

Berechnung und Messung der Impedanz einer PCB-Leitung:

Für Bestellungen mit Impedanzkontrolle ist es unerlässlich, Ihre Impedanzanforderungen in Form einer Tabelle oder eines Diagramms zusammen mit den komprimierten PCB-Dateien anzugeben. Die allgemeinen Impedanzwerte der Leitungen sind in der untenstehenden Abbildung mit Leitungsbreite, Abstand und Lageninformationen aufgeführt.

Verwendung des JLCPCB-Impedanzrechners:

Öffnen Sie JLCPCBs „Impedanzrechner“ und geben Sie die Impedanzwerte ein, während Sie das entsprechende Layer-Stack-up und andere relevante Parameter wie Plattendicke auswählen. Entwerfen Sie die entsprechende Leitungsbreite und den Abstand in Ihren Konstruktionsdaten.

Wichtiger Hinweis des Herstellers: Bei Bestellungen mit „Impedanzkontrolle“ auf „Ja“ eingestellt, kontrolliert JLCPCB 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. Impedanzkontrolle ist für Doppelseitenplatten noch nicht verfügbar.

Fazit:

Impedanzanpassung ist ein kritischer Aspekt des Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs, der eine optimale Signalübertragung und die Wahrung der Signalintegrität sicherstellt. Durch sorgfältige Berücksichtigung von Impedanzwerten, Leitungsbreiten, Abständen, dielektrischen Eigenschaften und Referenzlagen können Designer Signalreflexionen und -verzerrungen wirksam minimieren. Die Implementierung impedanzkontrollierter Leitungen und die Nutzung von Tools wie JLCPCBs Impedanzrechner können den Designprozess vereinfachen und helfen, die gewünschten Impedanzwerte zu erreichen. Mit geeigneten Impedanzanpassungstechniken können Designer die Leistung und Zuverlässigkeit von Hochgeschwindigkeits-PCBs verbessern und eine nahtlose Übertragung elektronischer Signale in modernen elektronischen Systemen ermöglichen.