Funktionsfähige Leiterplatten haben Leiter, in denen sich Elektronen von einem Ort zum anderen bewegen, um einen Stromkreis zu schließen, der (hoffentlich!) das tut, was wir wollen. Die Leiterbahnen haben 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 niederfrequente Wellenformen, genauer gesagt, Wellenformen mit niederfrequenten Komponenten, 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.
Mit unserem Impedanz Kalkulator können PCB-Designer die richtige Leitergeometrie für ihre Signale für einen bestimmten Lagenaufbau ermitteln.
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. Was wir wollen, ist, die Wellenform so weit wie möglich beizubehalten, den Einfluss von anderen Signalen in der Nähe zu reduzieren und Reflexionen zu minimieren. Dazu schaffen wir eine Leitung mit einem definierten Wellenwiderstand z0, den die 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 die Schaltung einbezogen werden, um Reflexionen so weit wie möglich zu verhindern. Das sind in der Regel Widerstände und Kondensatoren,
Das war eine extrem kurze Einführung in ein komplexes und umfangreiches Thema: HF-Design. Kommen wir nun zum fertigungstechnischen Teil beim PCB-Design und Leiterplattenhersteller.
Die Leiterplatte und die elektrische Schaltung
Für ein erfolgreiches HF-Design müssen wir sowohl die Schaltung gut entwerfen als auch die Leiterplatte speziell für diese Anforderungen auslegen und mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften herstellen.
Die Aufgabe des Designers ist es
- 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 Form der Feinabstimmung nach der Fertigung der Leiterplatte vorsehen.
Die Aufgabe des Leiterplattenherstellers ist es
- den korrekten Aufbau zu fertigen und seine 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.
Definierte Impedanz bei Eurocircuits
Um eine Leiterplatte mit definierter Impedanz zu bestellen, wählen Sie zunächst ‘DEFINED IMPEDANCE Pool’ im Eurocircuits Visualiser. Die minimale Anzahl der Lagen für diesen Pooling-Service ist vier. Nun ist unser 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. Es ist wichtig, einen Blick auf den Buildup Editor zu werfen, um sicherzustellen, dass der Aufbau wie erwartet ist und dass jeder Lage Designdaten zugeordnet sind.
Achten Sie abschließend auf die berechnete Gesamtmaterialdicke unten rechts im Abschnitt Lagenaufbau des Build-up-Editors, da diese von der Nenndicke der Leiterplatte 0,8mm; 1,2mm; 1,55mm, usw. abweicht und vom Lagenaufbau abhängt.
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