Die Verwendung eines Übertragungsleitungsrechners erleichtert das PCB-Design

Zachariah Peterson
|  Erstellt: July 28, 2021  |  Aktualisiert am: August 30, 2021

PCB-Übertragungsleitungsrechner gibt es wie Sand am Meer. Sie geben Ihnen die Werkzeuge an die Hand, die Sie zur Berechnung der verlustfreien Impedanz, der verlustfreien Ausbreitungsverzögerung oder so einfacher Dinge wie des Gleichstromwiderstands benötigen. Diese Angaben sind hilfreich, verraten aber nicht alles über Ihr Design. Auch sind Online-Rechner dafür bekannt, bei Impedanzberechnungen falsche Ergebnisse zu liefern, insbesondere, weil sie grundlegende Phänomene wie Streuung und Kupferrauheit in Übertragungsleitungen nicht berücksichtigen.

Altium ist dieses Problem angegangen und bietet den besten Stackup-Editor mit integriertem Übertragungsleitungsrechner. Impedanz und Abstrahlverhalten der Übertragungsleitung müssen bei der Erstellung des Lagenaufbaus berechnet werden, damit Designregeln für die Leiterbahnbreiten auf jeder Lage erstellt werden können. Altium Designer enthält diese und viele andere Funktionen im integrierten Layer Stack Manager samt den branchenweit besten Entflechtungsfunktionen. Wann immer Sie ein Design in Altium Designer erstellen, können Sie sicher sein, dass die Impedanz genau berechnet wird und Ihr Layout den Impedanz- und Dämpfungsvorgaben entspricht.

ALTIUM-DESIGNER

PCB-Designsoftware mit einem Übertragungsleitungsrechner für High-Speed-/Hochfrequenz-Designs und den besten Entflechtungsfunktionen der Branche.

Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzdesigns erfordern einen impedanzkontrollierten Designansatz, bei dem die Leiterbahnbreite auf einen bestimmten Wert festgelegt wird, damit die Übertragungsleitungen eine definierte Impedanz aufweisen. Dieser Wellenwiderstand hängt mit der Ausbreitungsverzögerung in Ihren Übertragungsleitungen zusammen, die die Anforderungen an die Längenanpassung im Leiterplattenlayout bestimmt. Schließlich sind die Leitungsverluste auch von der Impedanz Ihrer Übertragungsleitungen abhängig. Aus diesem Grund benötigen Designer den besten PCB-Übertragungsleitungsrechner, damit die Leiterbahnbreite und darüber die Impedanz und andere Kenndaten der Signalintegrität kontrolliert werden.

Mit Online-Rechnern können Sie zwar eine verlustlose Konstruktionsberechnung durchführen, aber die Impedanz von realen Übertragungsleitungen lässt sich mit diesen kostenlosen Konstruktionswerkzeugen nur ungenau bestimmen. Ihre PCB-Design-Software sollte diese Funktionen zudem bereits integrieren, um Sie während der Erstellung eines präzisen PCB-Layouts zu unterstützen.

Faktoren, die die Impedanz von Übertragungsleitungen bestimmen

Die Impedanz von Übertragungsleitungen wird bei der Festlegung des Lagenaufbaus für Ihr Design definiert. Dadurch haben Sie beim Routing die Kontrolle über Impedanz, Dämpfung und Ausbreitungsverzögerung mittels folgender Lagenattribute:

  • Realteil der Dielektrizitätskonstante
  • Verlustfaktor und Streuung
  • Abstand zwischen der Leiterbahn und der unmittelbaren Bezugsebene
  • Dicke und Oberfläche der Kupferbahnen
  • Leiterbahnbreite

Beim Leiterplattenentwurf muss der Designer die Lagenanordnung und die Lagendicke festlegen und die Leiterplattenmaterialien auswählen. Dann ist die erforderliche Leiterbahnbreite zu bestimmen, um die geforderte Impedanz der Übertragungsleitung zu erreichen. Online-Rechner verwenden hierfür in der Regel die Gleichungen von Wadell. Bei einfacheren Rechnern werden die weniger genauen Formeln nach IPC-2141 eingesetzt. Mit solchen Rechenhilfen, wie Sie sie online oder in vielen Designanwendungen finden, lassen sich keine genauen Resultate erzielen, da diese keine Verlustfaktoren oder Abstrahlung berücksichtigen. Aus diesem Grund ist für diese Aufgaben ein präziseres Tool erforderlich.

Verwendung von Altium Designer für Stackup-Design und Impedanzberechnung

Mit dem PCB-Stackup-Editor von Altium Designer können Sie den Lagenstapel festlegen, den Sie für Ihr Design benötigen. Außerdem lassen sich Impedanzberechnungen für Ihre Leiterbahnanordnung durchführen, während Sie Ihre Leiterplatte entwerfen. Das Impedanzprofil für die Leiterbahnen auf den einzelnen Lagen berücksichtigt Abstrahlung, Verluste und Kupferrauigkeit. Dies ist der bei weitem einfachste und leistungsstärkste PCB-Übertragungsleitungsrechner, mit dem Sie Ihren Stapelaufbau entwerfen und die erforderliche Leiterbahnbreite in Ihrem Design bestimmen können.

Working through a ground plane in Altium Designer
PCB-Übertragungsleitungsrechner, der Ihnen über alles Auskunft gibt, was Sie über Ihr PCB wissen müssen.

So berechnen Sie die Leiterbahnbreiten auf der Leiterplatte

Die Leiterbahnbreite wirkt sich direkt auf die Fähigkeit einer Übertragungsleitung aus, eine gleichbleibende Impedanz aufrechtzuerhalten. Daher muss diese konstant gehalten werden, unabhängig davon, wo die Leiterbahn verlegt ist. Die Leiterbahnbreiten müssen für jede Lage festgelegt und als Designregel für ein bestimmtes Netz eingehalten werden. Sobald Sie die benötigte Leiterbahnbreite bestimmt haben, um Ihre Zielimpedanz zu erreichen, sollte diese als Designregel für das entsprechende Netz festgelegt werden, damit die Signalintegrität im Entwurf gewahrt werden kann.

Breitere Leiterbahnen haben eine geringere Induktivität, sodass sie weniger induktives Übersprechen von benachbarten störenden Leiterbahnen aufnehmen, wenn sie auf unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte verlegt werden. Wenn Sie wenig Platz zur Verfügung oder Probleme mit dem Übersprechen haben, können Sie für Ihre Verbindungen eine Designregel mit einer etwas breiteren Leiterbahn wählen. In Altium Designer lassen sich die entsprechenden Designregeln für Ihre Verbindungen auswählen und bestimmten Netzen zuweisen, sodass Ihre Übertragungsleitungen auf jeder Ebene korrekt geroutet werden.

Interaktives Routing von Übertragungsleitungen in Altium Designer

Die interaktiven Routing-Funktionen in Altium Designer helfen Ihnen dabei, einige der grundlegenden Aspekte der Entflechtung zu automatisieren, wobei Sie jedoch die Kontrolle über die Leiterbahnenpfade und Positionen behalten. Dabei erzwingt die Routing-Engine in Altium Designer Leiterbahnbreiten- und Leiterbahnlängenbegrenzungen sowie Beschränkungen für Leiterbahnabstände und Abweichungen von Masseflächen beim Routing der Leiterplatte. Die Ergebnisse Ihres PCB-Übertragungsleitungsrechners werden von der Routing-Engine verwendet, um diese Grenzwerte einzuhalten, sodass Sie die Leiterbahngeometrien in Ihrem PCB-Layout nicht manuell kontrollieren und anpassen müssen.

Altium Designer’s tight routing capabilities
Die Ergebnisse des PCB Übertragungsleitungsrechners können als Designregeln in den Routing-Funktionen von Altium Designer angewendet werden.

PCB-Layout-Verifizierung und -Simulation in Altium Designer

Die Layout- und Routing-Tools in Altium Designer enthalten eine Signal-Integrity-Engine mit Schnittstelle zu Ihren Designregeln. So können Sie sicherstellen, dass das Signalverhalten die Grenzwerte für Signalverzerrungen und Verluste einhält. Übersprechen, Reflexionen, Leitungsabschlüsse, Überschwingen und Verzerrungen können für Signale mit hoher Flankensteilheit in Altium Designer bewertet werden, um die Überprüfung von Übertragungsleitungsdesigns zu erleichtern. Zusätzlich zu diesen integrierten Funktionen ermöglichen die Erweiterungen in Altium Designer den Zugriff auf Anwendungen von Drittanbietern zur Simulation von EMI, Leistungsintegrität, Rauschen, thermischem Verhalten und vielem mehr.

Ein umfassendes Toolset für das High-Speed-PCB-Design

Altium Designer enthält die branchenweit beste Routing-Engine mit einer integrierten Verknüpfung zu Ihren Designregeln. Doch die Software kann noch viel mehr, als Ihnen nur beim Routen Ihrer Leiterbahnen zu helfen. Anwender von Altium Designer haben Zugriff auf eine umfangreiche Bauteilbibliothek, ein komplettes Set von Fertigungswerkzeugen, CAD-Funktionen zur Erstellung innovativer Layouts und noch vieles mehr. Sie können Ihre High-Speed-Designs auch mit impedanzkontrollierten Übertragungsleitungen erstellen und simulieren, indem Sie die integrierten Tools in Altium Designer oder 3rd-Party-Anwendungen verwenden. Mit Altium Designer sind Sie immer auf dem neuesten Stand der Technik, denn es bietet Ihnen ein komplettes Set an Layout- und Routing-Funktionen für fortschrittliche Elektronik.

Altium Designer unified designAltium Designer enthält ein umfassendes Portfolio an PCB-Design- und Layout-Funktionen zur Entwicklung anspruchsvoller Elektronik.

Die Hilfsprogramme in Altium Designer zum Entwurf und dem Routing von Übertragungsleitungen bilden ein Komplettpaket: einen fortschrittlichen Übertragungsleitungsrechner, eine leistungsstarke Routing-Engine und ein automatisches DRC-System, das Ihnen hilft, die Vorschriften einzuhalten. Der PCB-Editor in Altium Designer umfasst die besten CAD-Funktionen der Branche in einer einheitlichen Designoberfläche. Mit den umfangreichen Designfunktionen von Altium Designer bleiben Sie auf dem neuesten Stand und entwickeln die qualitativ hochwertigsten Elektronikdesigns.

Altium Designer auf Altium 365 bietet ein bisher nie dagewesenes Maß an Integration in der Elektronikindustrie. Bislang war diese Art der Integration ausschließlich der Welt der Softwareentwicklung vorbehalten, sodass Entwickler nun von zu Hause aus arbeiten und ein noch nie dagewesenes Maß an Produktivität erreichen können.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was man mit Altium Designer auf Altium 365 machen kann. Auf der Produktseite finden Sie eine ausführlichere Beschreibung der Funktionen bzw. eines der On-Demand-Webinare.

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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