Verzögerungsrechner für Übertragungsleitungen im PCB-Design

Übertragungsleitungen sind eine dieser trügerisch komplexen Dinge, die das moderne Leben erst möglich machen. Was wie ein einfaches Metallkabel aussieht, ist in Wirklichkeit ein präzise konstruiertes System. Leiterbahnen auf PCBs sind nicht anders, sie sind wie die Blutgefäße, die Ihre elektronischen Geräte mit Energie versorgen.

Was ist also eine Übertragungsleitung überhaupt? Dieser Begriff wurde ursprünglich eingeführt, um die Analogie zwischen Leiterbahnen auf einer PCB und zivilen Stromleitungen zu schaffen. Der Begriff „Übertragungsleitung“ wird oft ohne viel Kontext verwendet. Nicht alle Leiterbahnen auf einer PCB sind Übertragungsleitungen, und Designregeln für Übertragungsleitungen werden in einigen Fällen wichtig.

Sind meine Leiterbahnen Übertragungsleitungen?

Der Begriff „Übertragungsleitung“ bezieht sich auf das Verhalten einer Leiterbahn auf einer PCB und nicht auf deren Aufbau. Eine bestimmte Leiterbahn kann sich unter bestimmten Bedingungen wie eine Übertragungsleitung verhalten, während sie sich unter anderen Bedingungen wie ein einfacher Leiter verhält.

Ob Ihre Leiterbahnen sich wie Übertragungsleitungen verhalten, hängt von der Zeit ab, die ein Signal benötigt, um sich entlang der Leiterbahn auszubreiten. Diese Zeit wird als Leitungsverzögerung, Ausbreitungsverzögerung oder Übertragungsverzögerung bezeichnet, und all diese Begriffe werden austauschbar verwendet.

Wenn die Leitungsverzögerung in Ihrer Spur deutlich länger ist als die Anstiegszeit eines digitalen Signals, das auf der Spur reist, dann wird die Spur wie eine Übertragungsleitung wirken. Bei analogen Signalen wird die Anstiegszeit als ein Viertel der Schwingungsperiode des Signals angenommen. In beiden Fällen müssen Spuren und Komponenten an jedem Ende impedanzabgeglichen sein, um verschiedene Probleme der Signalintegrität zu verhindern.

Elektrische Übertragungsleitungen

Online-Rechner für Übertragungsleitungen

Wenn Sie eine schnelle und einfache Methode suchen, um Ihre Spuren so zu entwerfen, dass sie einen spezifischen Impedanzwert haben, können Sie einen Online-Rechner für Übertragungsleitungen verwenden. Dieses Werkzeug kann mehrere kritische Parameter wie die Einheitslänge berechnen, die Ihre Spuren für verschiedene Anordnungen beschreiben, einschließlich Mikrostreifen, eingebetteten Mikrostreifen und Streifenleiter-Spuren.

Eine Sache, die Ihnen auffallen wird, ist, dass die meisten Online-Rechner für Übertragungsleitungen die Frequenzabhängigkeit der Impedanz der Übertragungsleitung vollständig ignorieren. In Wirklichkeit gibt es einen Effekt aufgrund der Frequenz, und der Effekt ist ausgeprägter, abhängig vom Widerstand, der Kapazität, der Induktivität und der Leitfähigkeit im System.

Die Impedanz, die von Signalen niedriger Frequenz erfahren wird, neigt dazu, empfindlicher auf Frequenzänderungen zu reagieren als die Impedanz bei hohen Frequenzen. Einige Online-Übertragungsleitungsrechner erlauben es nicht immer, die Impedanz bei niedrigen Frequenzen zu erkunden, und sie gehen im Allgemeinen davon aus, dass Sie bei hoher Frequenz arbeiten.

Bei sehr hohen Frequenzen, wie sie in RF-Anwendungen verwendet werden, saturiert diese Frequenzabhängigkeit zu einem konstanten Wert. Daher nehmen die meisten Online-Rechner an, dass Sie bei einer ausreichend hohen Frequenz arbeiten, sodass diese Abhängigkeit ignoriert werden kann.

Ein wichtiges Ergebnis aus einem Übertragungsleitungsrechner ist die effektive dielektrische Konstante. Dieser Parameter hängt von den Abmessungen der Leiterbahn sowie dem Kontrast zwischen den dielektrischen Konstanten des Leiters und des Substrats ab. Dieser Parameter spielt dieselbe Rolle wie ein effektiver Brechungsindex in der Faseroptik, da er bestimmt, wie schnell ein Signal entlang der Übertragungsleitung propagiert.

Hier sind Online-Übertragungsleitungsrechner ebenfalls nützlich. Sobald Sie Ihre effektive dielektrische Konstante haben, können Sie diese verwenden, um die Leitungsverzögerung in Ihren Leiterbahnen zu berechnen. Nachdem Sie die Leitungsverzögerung berechnet und mit Ihrer Signalanstiegszeit verglichen haben, werden Sie Ihre Antwort haben, ob sich Ihre Leiterbahnen tatsächlich wie Übertragungsleitungen verhalten.

Elektronikdesign mit einem Rechner

SPICE-Simulationen und Übertragungsleitungen

SPICE-Simulatoren sind nützlich, um Signalintegritätsprobleme in PCBs zu untersuchen, insbesondere bei Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit, hoher Frequenz, HDI und niedrigem Strom. Nicht alle SPICE-Simulationen geben direkt den Impedanzwert Ihrer Übertragungsleitungen zurück; sie ermöglichen es Ihnen, Signalintegritätsprobleme zu diagnostizieren, die durch Impedanzfehlanpassungen zwischen Leiterbahnen und Komponenten entstehen können. Online- und Desktop-Designsoftwarepakete geben Ihnen Zugang zu SPICE-Simulationen.

Alle PCBs haben aufgrund der Trennung metallischer Elemente durch das Substrat-Dielektrikum eine gewisse parasitäre Kapazität und Induktivität. Wenn Sie mit einer SPICE-Simulation arbeiten, müssen die Effekte der parasitären Impedanz modelliert werden, indem Sie Kondensatoren und Induktoren in Serie und Parallelpositionen in Ihrem äquivalenten Schaltungsmodell hinzufügen.

Eine typische SPICE-Simulation beinhaltet dies nicht direkt, und Sie müssten Induktoren und Kondensatoren an strategischen Punkten hinzufügen, um die parasitäre Reaktanz zu berücksichtigen. Fortgeschrittenere SPICE-Simulatoren berücksichtigen dies direkt. Ihre parasitäre Kapazität und Induktivität kann direkt aus der Dielektrizitätskonstante des PCB-Substrats und der Anordnung der Leiter auf der Platine berechnet werden.

Der Ausgang aus einem guten SPICE-Modell ist entscheidend, da er es Ihnen ermöglicht, Probleme wie Klingeln, Ground Bounce, Signalfehlanpassung aufgrund von Laufzeitverzögerungen und sogar Rauschkopplung zu visualisieren. Diese Signalprobleme vor der Fertigung zu diagnostizieren, kann Ihnen helfen, die Bestellung einer Charge defekter Platinen zu vermeiden.

Dieser Ausgang wird in der Regel auf einem Graphen der Spannung (oder des Stroms) gegen die Zeit dargestellt. Diese Art von Ausgang ermöglicht es Ihnen, die Eingangs- und Ausgangssignalstärken, Laufzeitverzögerungen und Signalintegrität zu vergleichen. Wenn Sie im Frequenzbereich arbeiten, können Sie die Übertragungsfunktion sehen, die die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen definiert.

Altium Designer^®  verfügt über Simulationstools und arbeitet in einer regelbasierten Designumgebung, die Ihnen helfen kann, Signalintegritätsprobleme zu vermeiden und zu diagnostizieren. Jetzt können Sie eine kostenlose Testversion herunterladen und herausfinden, ob Altium das Richtige für Sie ist. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, wenn Sie mehr erfahren möchten.