Impedanzanpassung bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs verstehen

Mit dem technologischen Fortschritt und der immer breiteren Anwendung integrierter Schaltungen steigen Frequenz und Geschwindigkeit der elektronischen Signalübertragung kontinuierlich an. Dadurch wird es unerlässlich, dass Leiterbahnen auf Leiterplatten (PCBs) als leistungsfähige Übertragungsleitungen ausgelegt sind. Diese Übertragungsleitungen sind dafür verantwortlich, Signale präzise und vollständig von der Quelle zum Eingang des Empfängers zu übertragen. Genau hier wird die Bedeutung der Impedanzanpassung deutlich.

Die elektrische Impedanz, üblicherweise mit Z bezeichnet und in Ohm (Ω) gemessen, beschreibt die kombinierte Wirkung von Widerstand, Induktivität und Kapazität in Wechselstromkreisen. Die Impedanz eines bestimmten Stromkreises ist nicht konstant, sondern wird gemeinsam durch die Wechselstromfrequenz, den Widerstand (R), die Induktivität (L) und die Kapazität (C) bestimmt und ändert sich daher mit der Frequenz.

Was ist Impedanzanpassung?

Impedanzanpassung ist eine Methode, um die Kompatibilität zwischen einer Signalquelle bzw. Übertragungsleitung und ihrer Last sicherzustellen. Sie lässt sich in Niederfrequenz- und Hochfrequenzanpassung unterteilen.

In Niederfrequenzschaltungen, bei denen die Wellenlänge im Vergleich zur Leitungslänge sehr groß ist, können Signalreflexionen meist vernachlässigt werden. In Hochfrequenzschaltungen hingegen, bei denen die Wellenlänge mit der Länge der Übertragungsleitung vergleichbar ist, überlagern sich reflektierte Signale mit dem Originalsignal. Dies kann dessen Form verändern und die Signalqualität erheblich beeinträchtigen.

Wie im obigen Diagramm dargestellt, wird ein Signal von der Quelle A gesendet, durchläuft eine Übertragungsleitung und erreicht den Empfänger B. Während dieses Prozesses behindern parasitäre Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten die Hochgeschwindigkeitsübertragung. Trifft das Signal auf Stellen mit nicht übereinstimmender Impedanz, kann es zu Signalreflexionen kommen, was wiederum Signalverzerrungen verursacht.

Eine korrekte Impedanzanpassung reduziert oder verhindert Hochfrequenz-Signalreflexionen wirksam. Übliche Impedanzleitungen lassen sich in vier grundlegende Typen einteilen.

Wichtige Aspekte beim Impedanzdesign

(1) Impedanzkontrollierte Leiterbahnen können sowohl auf Außenlagen (alle vier genannten Typen) als auch auf Innenlagen realisiert werden.

(2) Die Höhe der Impedanz hängt vom Produktdesign und vom verwendeten Chip ab. In der Regel geben Bauteilhersteller feste Impedanzwerte für Signalquellen und Empfänger vor （z. B.:SDIO: Single-Ended 50 Ω, USB: Differenziell 90 Ω ）

(3) Impedanzkontrollierte Leiterbahnen benötigen eine Referenzlage, meist eine benachbarte Masse- oder Versorgungslage. Beispielsweise ist bei einer Impedanzleitung auf der Top-Layer die zweite Lage häufig die Referenz.

(4) Die Referenzlage dient als Rückstrompfad für das Signal und gleichzeitig als elektromagnetische Abschirmung. Daher muss sie als durchgehende Kupferfläche ausgeführt sein.

(5) Einflussfaktoren auf die Leitungsimpedanz

(6) Berechnungsmethode für Impedanzleitungen: Es wird empfohlen, den „Impedanzrechner“ von JLCPCB zu verwenden (klicken Sie hier für den direkten Zugriff). Alternativ können Sie eine Impedanzberechnungssoftware (z. B. SI9000) herunterladen und diese mit unseren Laminierungsparametern für Berechnungen kombinieren.

(7) Eine kurze Anmerkung zu „Linienbreite und -abstand“: Die Linienbreite bezieht sich auf die horizontale Breite der Linie, also den Abstand von einer Kante der Linie zur anderen Kante. Der Linienabstand bezieht sich auf den Abstand von der Kante einer Linie (oder der umgebenden Kupferfläche) zur Kante einer anderen Linie.

Hinweise zur Bestellung mit Impedanzkontrolle

Für Leiterplatten mit Impedanzkontrolle müssen die gewünschten Impedanzwerte in Tabellen- oder Diagrammform zusammen mit den komprimierten PCB-Daten bereitgestellt werden.

Öffnen Sie den JLCPCB Impedance Calculator, geben Sie die gewünschten Impedanzwerte ein und wählen Sie den entsprechenden Lagenaufbau sowie Parameter wie die Leiterplattendicke. Entwerfen Sie anschließend die passenden Leiterbahnbreiten und Abstände in Ihren Designdaten.

Wichtiger Hinweis: Aktuell kann lediglich garantiert werden, dass Leiterbahnbreite und -abstand innerhalb einer Toleranz von ±20 % liegen.

Fazit

Impedanzanpassung ist ein entscheidender Faktor im Hochgeschwindigkeits-PCB-Design. Sie gewährleistet eine optimale Signalübertragung und erhält die Signalintegrität. Durch die sorgfältige Berücksichtigung von Impedanzwerten, Leiterbahnbreiten und -abständen, dielektrischen Eigenschaften sowie Referenzlagen lassen sich Signalreflexionen und Verzerrungen wirksam minimieren.

Der Einsatz impedanzkontrollierter Leiterbahnen und geeigneter Werkzeuge wie dem JLCPCB Impedance Calculator vereinfacht den Entwicklungsprozess erheblich. Mit einer korrekten Impedanzanpassung können Designer die Leistung und Zuverlässigkeit moderner Hochgeschwindigkeits-PCBs deutlich verbessern und eine stabile Signalübertragung in komplexen elektronischen Systemen sicherstellen.