LEITERPLATTEN-IMPEDANZ BERECHNEN MIT DEM ALTIUM-RECHNER

Zachariah Peterson
|  Erstellt: November 9, 2020
PCB impedance calculator

Nutzen Sie den integrierten Leiterplatten-Impedanz-Rechner von Altium. Die Impedanzen Ihrer Leiterbahnen werden bei der Arbeit mit High-Speed- und Hochfrequenz-Designs zu einem kritischen Parameter. Nicht-Impedanzkontrollierte Leiterbahnen können Probleme wie etwa Schwingen, Rauscheinkopplung und EMI verursachen. Anstatt ein selbst zusammengestelltes Werkzeug zur Feststellung der Impedanz jeder Leiterbahn auf ihrem PCB zu nutzen, sollten Sie sich besser auf die PCB-Impedanzberechnungen von Altium Designer als Teil Ihrer Designregeln verlassen. So können Sie, basierend auf dem Lagenaufbau, die Impedanz berechnen, die sie für Ihr nächstes PCB benötigen.

Altium Designer

Eine durchgängige, in hohem Maße regelbasierte PCB-Designplattform mit eingebauten PCB-Impedanzberechnungen.

Wenn Sie das erste Mal mit High-Speed-Bauelemente arbeiten, müssen Sie alles, was Sie über das PCB-Design zu wissen glaubten, neu lernen. Impedanz-Unstimmigkeiten sind bei Low-Speed-Bauelementen oft ein Nebenaspekt, weil man sich vor allem Gedanken darüber macht, wie man seine Signale von A nach B bekommt. Aber je komplexer Ihre PCBs werden, desto schneller schalten Ihre Bauelemente, und wenn Ihr Lagenaufbau weiter wächst, können Impedanz-Unstimmigkeiten das Aus für Ihr Gerät bedeuten.

Die Impedanzen der Leiterbahnen auf Ihrem PCB hängen von ihrer Geometrie, dem Material und der Anordnung ab. Ihre Konfiguration auf der PCB hat ebenfalls Einfluss auf die Impedanz, mit der die Signale in Ihren Leiterbahnen konfrontiert werden. Bei randgekoppelten, eingebetteten und versetzten Leiterbahnenarrangements variieren die Impedanzwerte. Hier brauchen Sie eine Designsoftware, die mit der Impedanz dieser verschiedenen Geometrien umzugehen weiß.

Zur Definition und Berechnung verschiedener Designparameter in PCBs werden wie in anderen technischen Gebieten auch bestimmte Gleichungen verwendet. Diese Gleichungen müssen alles berücksichtigen – von den Eigenschaften der Dielektrika bis zur Geometrie Ihrer Leiterbahnen. Niemand hat die Zeit, jede einzelne Impedanzformel für die Leiterbahnen eines PCB auswendig zu lernen. Stattdessen hilft Ihnen eine gute Designsoftware, indem die Berechnungen in Ihre Designregeln aufgenommen werden.

Impedanzkontrolle Mithilfe Des Richtigen Lagenaufbaus

Ihr Lagenaufbau spielt eine wichtige Rolle bei dem berechnen der Impedanz, mit der Ihre Signale konfrontiert werden. Benachbarte Signale wirken wie Gruppen von Kondensatoren und Spulen, die über das PCB-Substrat gekoppelt sind, und diese parasitären Elemente beeinflussen die Impedanz, die auf Ihre Signale einwirkt. Wenn Sie den Lagenaufbau allerdings richtig hinbekommen, haben Sie die Kontrolle über die Impedanzen, auf die die Signale auf Ihren Leiterbahnen treffen.

Ein korrekter Lagenaufbau gelingt leichter, wenn Sie eine Software verwenden, die eine vollständige Individualisierung des Lagenaufbaus erlaubt, bis hin zur Auswahl der geeigneten Dielektrizitätskonstante für Ihre PCB-Lagen. Ein Lagenaufbau-Verwalter, der mit der Materialbibliothek verknüpft ist, ist hier eine große Hilfe, denn so können Sie bei der Planung des Lagenaufbaus aus den gängigsten PCB-Materialien wählen. Stellen Sie die richtige Dicke der Lagen ein und definieren Sie das beste Leiterbahn-Arrangement auf Ihrem PCB.

DESIGNREGELN HELFEN BEIM KONTROLLIEREN DER IMPEDANZ

Ihre Designregeln sind nicht dazu da, Ihre Kreativität zu hemmen, und sie können mehr als nur die Bauteilplatzierung zu prüfen. Für bestimmte Features wie Durchkontaktierungen und Leiterbahnen gelten wichtige geometrische Regeln, die es zu befolgen gilt, wenn die Signalqualität nicht leiden soll. PCB-Designsoftware mit einer leistungsfähigen Regelprüfungs-Engine hilft Ihnen bei der Vermeidung von Designfehlern, die der Signalintegrität abträglich sind. So haben Sie die Gewissheit, dass Ihr Gerät wie vorgesehen funktioniert, sobald es die Produktion verlässt.

Impedanz-Unstimmigkeiten zwischen Bauteilen und Leiterbahnen, Platzierung von Durchkontaktierungen, Längenabstimmung und Abstände von Leiterbahnen sowie viele weitere Designparameter sollten für Ihr PCB angepasst werden können, damit Sie die Impedanzen für Ihre Signale kontrollieren können. Um diese Spezifikationen einhalten zu können, muss Ihre PCB-Software die Impedanz berechnenund gleichzeitig Ihre Designregeln beachten.

Bearbeitung von Regeln und Vorgaben bei dem berechnen von Impedanzen durch den Leiterplatten-Impedanz-Rechner in Altium Designer

Bearbeitung von Regeln und Vorgaben durch den Leiterplatten-Impedanz-Rechner in Altium Designer

Impedanz Berechnen Als Teil Ihrer Designregeln

Wenn Sie im Internet nach Impedanzrechnern suchen, finden Sie zahlreiche Optionen und können sich eine Vorstellung davon verschaffen, welche Leiterbahngeometrie und welcher Lagenaufbau geeignet sind, die Impedanz in den Griff zu bekommen. Leider ist es nicht möglich, eine Schnittstelle von diesen Rechnern zu Ihren Designregeln herzustellen, sodass Sie die Impedanz jeder einzelnen Leiterbahn manuell prüfen müssten. Einen Impedanzrechner zur Hand zu haben, kann bei der Planung des Leiterplattendesigns ganz nützlich sein, aber für die Verifikation ist er unhandlich.

Besser ist es, wenn die PCB-Designsoftware die Designregeln beachtet, während die Impedanz berechnet wird. Bei diesen Berechnungen müssen die Materialeigenschaften der Lagen im Lagenaufbau, die Geometrie der Leiterbahnen und ihre Anordnung auf der Leiterplatte berücksichtigt werden. Da für unterschiedliche Leiterbahn-Impedanzberechnungen verschiedene Näherungen verwendet werden, müssen Sie die Möglichkeit haben, die Gleichung, mit der die Impedanz der Leiterbahnen definiert wird, entsprechend der jeweiligen Anwendung anzupassen.

IMPEDANZBERECHNEN: SO EINFACH GEHT’S

Wenn Sie mit einer Software arbeiten, bei der die Impedanzberechnungen im Rahmen der Designregeln durchgeführt werden, können Sie automatisch prüfen lassen, ob die Impedanz in Ihren Leiterbahnen korrekt kontrolliert wird. Sie müssen dazu nicht jede einzelne Leiterbahn überprüfen. Stattdessen spezifizieren Sie die Berechnung, die für die jeweilige Leiterbahnanordnung und das Substrat benötigt wird. Dadurch können Sie automatisch überprüfen, ob Ihre Anordnung den geforderten Impedanzwert ergibt.

Anstatt die Ergebnisse eines externen Rechners zu notieren und jede Leiterbahngeometrie manuell zu definieren, sollte die PCB-Designsoftware diese Merkmale in die Designregeln integrieren und während des Designs automatisch die Impedanzwerte überprüfen. Wenn dieser kritische, aber dennoch einfache Prüfschritt automatisiert wird, werden Sie einen kräftigen Produktivitätsschub erleben. In Ihren Designregeln sollte es einfach sein, die entsprechenden Vorgaben für die Leiterbahnimpedanz zu machen.

Definition der impedanzkontrollierten Leiterbahnen für Ihren Lagenaufbau in Altium Designer

Definition der impedanzkontrollierten Leiterbahnen für Ihren Lagenaufbau in Altium Designer

Vereinheitlichung Von Signalintegritäts-Werkzeugen In Einer Regelbasierten Umgebung

Wenn Sie die Impedanz massebezogener oder differenzieller Leiterbahnen in der Leiterplatte steuern müssen, brauchen Sie mehrere Designwerkzeuge, die sich jeweils auf einen anderen Aspekt der fertigen PCB konzentrieren. Wenn die Designsoftware die Werkzeuge auf verschiedene Fenster verteilt und unterschiedliche Arbeitsabläufe erzwingt, leidet Ihre Produktivität, und eigentlich einfache Designprobleme werden unnötig erschwert.

Ihre Designwerkzeuge, Designregeln, Bauteilmodelle und Simulationspakete sollten sich in einer integrierten Arbeitsumgebung mit einem einheitlichen Arbeitsablauf befinden. Die Werkzeuge in dieser Umgebung sind darauf ausgelegt, Daten untereinander in einem einheitlichen Format auszutauschen, sodass bei der Kommunikation zwischen den Designwerkzeugen weniger Fehler auftreten. Man kann von einem einzigen Programm aus auf die Funktionen innerhalb dieser Umgebung zugreifen und es ist einfach, weitere Funktionen in Form von Erweiterungen in die Designsoftware aufzunehmen.

DIE DURCHGÄNGIGE DESIGNUMGEBUNG VON ALTIUM DESIGNER

Die Designregel-Prüffunktionen in Ihrer PCB-Designsoftware müssen in die übrigen Designwerkzeuge integriert sein, damit das fertige Gerät bestimmungsgemäß funktioniert. Diese Art der Kommunikation zwischen verschiedenen Designwerkzeugen ist nur möglich, wenn Sie eine vollständig durchgängige Designumgebung vor sich haben. Altium Designer ist das einzige Softwarepaket für PCB-Design, das auf einer hochgradig regelbasierten Design-Engine basiert. Sämtliche Funktionen zur Designprüfung sind unter einer einzigen Oberfläche mit Ihren Designwerkzeugen gekoppelt.

Die gesamte übrige PCB-Designbranche teilt die kritischen Design-, Verwaltungs- und Prüffunktionen immer noch auf verschiedene Programme mit unterschiedlichen Arbeitsabläufen auf. Anstatt an solch einem überholten Designparadigma festzuhalten, ist es Zeit, zu einer durchgängigen Designumgebung zu wechseln. Die Zeit ist reif für den Altium Designer.

Wenn Sie es leid sind, mit separaten Designwerkzeugen in verschiedenen Programmen und Oberflächen zu arbeiten, brauchen Sie eine durchgängige Designplattform. Dieses Designparadigma vereint alle Ihre Designwerkzeuge unter einer einzigen Oberfläche. Nur eine solche durchgängige PCB-Designumgebung verschafft Ihnen die vollständige Kontrolle über die Impedanzen auf Ihrer Leiterplatte, denn sie führt Ihre Designregeln mit dem präzisen berechnen der Impedanz zusammen. Mit diesen wichtigen Funktionen ist gewährleistet, dass Ihr nächstes High-Speed-Gerät keinen Signalproblemen wie Rauschkopplung, Schwingen, Signalreflexion oder elektromagnetischen Störungen zum Opfer fällt.

Sie müssen nicht jedes Mal, wenn Sie Hilfe brauchen, das Internet durchforsten, sondern bekommen den gesamten nötigen Design-Support direkt bei Altium. Jeder Anwender von Altium Designer kann auf das AltiumLive-Forum, Podcasts mit Design-Profis, eine umfassende Wissensbank und Webinare von Branchenexperten zugreifen. Altium lässt Sie bei der Entwicklung nicht allein und bietet jede Unterstützung, die Sie brauchen.

Die besten Funktionen für Design, Regelprüfung und Simulation gewährleisten, dass Ihr nächstes PCB bestimmungsgemäß funktioniert und nicht an Signalintegritäts-Problemen scheitert. Nur Altium Designer bietet alle diese Werkzeuge (und noch viele weitere) in einem einzigen Softwarepaket. Diese Werkzeuge arbeiten in einer gemeinsamen Plattform zusammen, die von einer regelbasierten Engine gesteuert wird. Bei Ihrem nächsten PCB ist die optimale Leiterbahngeometrie kein Rätselraten mehr, denn mit Altium Designer klappt es beim ersten Versuch.

Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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