Leitfaden für das PCB-Design zur kontrollierten Impedanz während des PCB-Routings

Im Juni 1831 entdeckte Sir James Clark Ross den Nordmagnetpol auf der Boothia-Halbinsel in Nordkanada. Obwohl der Begriff „Entdeckung“ zu implizieren scheint, dass der Nordmagnetpol statisch ist, bewegen sich die Nord- und Südmagnetpole tatsächlich kontinuierlich. Das Erdmagnetfeld verändert sich im Laufe der Zeit und mit diesen Veränderungen verschieben sich auch die Positionen der Pole. Angesichts der Bewegungsrate von 55 km pro Jahr könnten wir eine andere Bedeutung für „Polar-Express“ haben.

Wenn Sie jedoch die Signalübertragung auf Ihrer Leiterplatte bearbeiten, haben Sie möglicherweise nicht die Zeit, das Geld oder die Energie, sich mit der Investition zu beschäftigen, von einem Pol zum anderen zu reisen. Das Routing und die Breite der Leiterbahnen sind wichtig zu beachten; jedoch können die Spuren auf der Masseebene Ihrer Leiterplatte das Nachverfolgen der differentiellen Impedanz erschweren. Mehr darüber zu lernen, wie Sie Ihre PCB-Designsoftware für Leiterbahnen und kontrolliertes Impedanz-Routing am besten nutzen können, kann helfen.

Komplexe Impedanz erkunden

In Bezug auf Impedanz beinhaltet das Konzept des „Polaren“ eine andere Art der Untersuchung. Komplexe Impedanz ist ein wichtiges Werkzeug für die Arbeit mit mehrkomponentigen Wechselstromkreisen. Anstatt Sinus und Kosinus zur Darstellung von Spannungen und Strömen in diesen Schaltkreisen zu verwenden, können wir die Impedanz als komplexe Exponentialfunktion oder ausdrücken. Die Impedanz funktioniert als das Spannungs/Strom-Verhältnis für eine einzelne komplexe Exponentialfunktion bei einer bestimmten Frequenz.

Von dort aus können wir die Impedanz einzelner Schaltungselemente als reine oder reell imaginäre Zahlen ausdrücken. Damit ist die rein imaginäre reaktive Impedanz einer idealen Spule:

Währenddessen erscheint die rein imaginäre reaktive Impedanz eines idealen Kondensators als:

Der Übergang zu reinen oder imaginären Zahlen erfordert die Verwendung einer komplexen Ebene mit Widerstand entlang der reellen Achse. Hier werden die Reaktanzwerte des Kondensators und einer Spule zu imaginären Zahlen. Die imaginäre Impedanz liefert die reaktive Komponente der Impedanz und ermöglicht es uns, Änderungen in der Phase zu bewerten, die aufgrund der Reaktanz auftreten.

Bei Serienkombinationen von RL- und RC-Komponenten können wir die Komponentenwerte als Komponenten eines Vektors addieren. Als komplexe Zahlen haben diese Werte dieselben Einheiten wie der Widerstand.

Polarform der komplexen Impedanz

Die polare Form komplexer Ausdrücke für RL- und RC-Schaltungen erscheint als ein zweidimensionales Koordinatensystem, das die Beziehung zwischen der Amplitude und Phase der Spannung und des Stroms veranschaulicht. Jeder Punkt auf einer Ebene ist eine bestimmte Entfernung von einem Referenzpunkt und ein bestimmter Winkel von einer Referenzrichtung entfernt. Der Referenzpunkt fungiert als Pol, während der Strahl vom Pol in der Referenzrichtung auf die Polarachse verweist. Die Entfernung vom Pol entspricht dem radialen Koordinaten oder Radius, während der Winkel den Polarwinkel darstellt.

In der polaren Form entspricht die Größe der komplexen Impedanz dem Verhältnis der Spannungsamplitude zur Stromamplitude. Die Phase der komplexen Impedanz entspricht der Phasenverschiebung des Stroms vor der Spannung. In Gleichungsform erscheint die Impedanz als:

Die Größe stellt das Verhältnis der Amplitude der Spannungsdifferenz zur Stromamplitude dar. Das Argument Ɵ gibt die Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom an, während die imaginäre Einheit darstellt. Die Verwendung der polaren Form für komplexe Impedanz vereinfacht die Multiplikation und Division von Impedanzgrößen.

Es ist notwendig, Ihre Leiterbahnen für die kontrollierte Impedanz-PCB-Routing planen zu können

PCB Impedanzkontrolle

Unsere sehr kurze Diskussion über komplexe Impedanz und die polare Form der komplexen Impedanz unterstreicht sowohl die mathematische Komplexität, die mit dem Berechnen der Impedanz verbunden ist, als auch die schwierigen Probleme, auf die wir bei der Impedanzkontrolle im PCB-Design stoßen. Bei mehrschichtigen Hochfrequenzschaltungen, die aus zahlreichen Vias und Verzweigungen bestehen, die als Übertragungsleitungen wirken, wird das Problem aufgrund des Potenzials für Energiereflexionen zwischen der Quelle und der Last noch schwieriger. Unabhängig vom Typ oder der Komplexität der Schaltung erfolgt die maximale Signalübertragung nur, wenn alle Impedanzen entlang des Signalwegs übereinstimmen.

Die Anwendung der besten Entwurfspraxis auf Ihrer Leiterplatte kann dazu führen, dass Ihre Leiterbahnen richtig verlegt werden und die Impedanz ordnungsgemäß angepasst werden kann. Um die Ausgangsimpedanz der Quelle, die Leiterbahnenimpedanz und die Eingangsimpedanz der Last anzupassen:

• Impedanz der Komponenten anpassen
• Leiterbahneigenschaften wie Länge, Breite und Dicke messen
• Microstrips verwenden, um die gewünschte Impedanz zu erreichen

Kontrollierte Impedanzverlegung und Altium Designer^®

Altium Designer ermöglicht es Ihnen, die Signalintegrität Ihres PCB-Designs bereits in der Phase der Schaltungserfassung zu analysieren. Sie können auch die Versorgungsnetze definieren und das Tools-Menü verwenden, um durchschnittliche Leiterbahnenimpedanzen und Leitungslängen zu ermitteln. Altium Designer bietet eine unkomplizierte Lösung für die Impedanzanpassung der Komponenten innerhalb Ihres Designs. Sie können auch die Reflexion an ausgewählten Netzen analysieren und mit verschiedenen Terminatorwerten experimentieren.

Um die Routingimpedanz zu bestimmen, können Sie eine von zwei Formeln verwenden, die in Altium Designer gefunden werden. Die erste ermöglicht es Ihnen, die charakteristische Impedanz eines Mikrostreifens zu bestimmen, während die zweite die charakteristische Impedanzformel für eine Streifenleitung bietet. Beide Gleichungen zeigen die Dicke der Dielektrika, die Breite der Leiterbahnen und die dielektrische Konstante des Dielektrikums.

Vertrauen Sie Ihrer PCB-Designsoftware, um Ihre Leiterbahnen effizient und effektiv zu verlegen

Altium Designer vereinfacht diese Aufgabe weiter mit seiner Option für charakteristische Impedanzbreite. Mit dieser Option können Sie die Designregel für die Routingbreite im PCB-Regeln- und Einschränkungseditor festlegen und dann Ihre erforderlichen Impedanzen eingeben. Die Option für charakteristische Impedanzbreite übersetzt automatisch die erforderlichen Impedanzen in Breiten für jede Signallage. Interaktiv gesteuert, passt die Impedanzroutingfunktion von Altium Designer automatisch die Leiterbahnbreite für die erforderliche Impedanz an.

Um mehr über das Routing mit kontrollierter Impedanz und die Anpassung der Komponentenimpedanz für Ihr High-Speed-PCB-Design zu erfahren, sprechen Sie mit einem Experten bei Altium Designer.