Impedanz-Rechner für PCB-Übertragungsleitungen

Zachariah Peterson
|  Erstellt: March 9, 2022  |  Aktualisiert am: October 21, 2022
Impedanz-Rechner für Übertragungsleitungen

Hochgeschwindigkeits-Designs werden ohne eine genaue Berechnung des Widerstandswerts der Übertragungsleitung nicht ordnungsgemäß funktionieren. Leiterbahnen, die Signale mit schneller Flankenrate unterstützen, verhalten sich wie Übertragungsleitungen, selbst wenn ihre Länge kurz ist. Optimale Vorgehensweisen im Hochgeschwindigkeits-Design schreiben vor, dass Leiterbahnen mindestens nahe an der erforderlichen Impedanz ausgelegt werden, um minimale Rückleitungsverluste zu gewährleisten.

Um ein genaues Impedanzergebnis zu erhalten, könnten Sie die Impedanz immer von Hand berechnen, aber die genauesten Impedanzformeln sind zu unhandlich, um sie manuell zu verwenden. Um Designern den Einstieg in die Grundrissplanung zu erleichtern, haben wir eine Reihe von Impedanz-Rechnern für Übertragungsleitungen zusammengestellt, die die genauesten analytischen Formeln anwenden. Sobald Sie eine erste Schätzung der Leiterbahnbreite vorgenommen haben, die Sie für eine genaue Impedanz benötigen, können Sie einen Schritt weiter gehen und den besten Lagenaufbau-Editor mit einem integrierten Leiterbahn-Impedanz-Rechner verwenden, um die erforderliche Leiterbahnbreite zu ermitteln.

Funktionsweise von Impedanz-Rechnern für Übertragungsleitungen

Übertragungsleitungsrechner funktionieren alle nach ähnlichen Prinzipien: Einen Widerstandswert für eine bestimmte Übertragungsliniengeometrie bestimmen. Was die Funktionsweise dieser PCB-Impedanz-Rechner betrifft, so kann der Widerstandswert einer Übertragungsleitung in einer Leiterplatte auf vier Arten berechnet werden:

  1. Verwenden Sie die Parameter R, L, C, G aus den Leitungsgleichungen, um den Widerstandswert der Übertragungsleitung zu berechnen.
  2. Erstellen Sie ein Modell aus experimentellen Daten des Widerstands im Vergleich zur Leiterbahngeometrie und verwenden Sie dieses zur Berechnung des Widerstandswerts
  3. Verwenden Sie ein analytisches Verfahren, das die verlustfreie, dispersionsfreie Impedanz anhand der Maxwell-Gleichungen liefert, z. B. die Wheeler-Methode, die in den Wadell-Gleichungen verwendet wird.
  4. Verwenden Sie einen Feldlöser, um das elektromagnetische Feld anhand der Gleichungen von Maxwell numerisch zu berechnen, und verwenden Sie dann das Feld, um den Widerstandswert zu bestimmen.

Impedanz-Rechner für Übertragungsleitungen, wie sie z. B. online zu finden sind, verwenden Nr. 2 (für IPC-2141-basierte Rechner) oder Nr. 3 (für genauere Berechnungen nach den ersten Prinzipien). Wenn Sie keinen Zugriff auf einen Feldlöser haben, erhalten Sie mit Ansatz Nr. 3 von oben die genauesten Ergebnisse, solange Sie über die richtige Rechneranwendung verfügen.

Die nachstehenden Impedanzrechner für Übertragungsleitungen verwenden Methode Nr. 3, um hinreichend genaue Ergebnisse bis in den niedrigen GHz-Bereich zu liefern. Auf den unten verlinkten Seiten finden Sie einen kostenlosen Rechner, mit dem Sie die Impedanz von Übertragungsleitungen hinreichend gut abschätzen können, bevor Sie eine fortgeschrittenere Anwendung verwenden.

Vier kostenlose Impedanz-Rechner

Die nachstehenden Impedanz-Rechner sind völlig frei zugänglich und nutzbar. Diese Rechner geben einen Impedanzwert für Wertpaare aus Leiterbahnbreite, Substratdicke und Kupfergewicht zurück. Um diese zum Entwerfen für eine Zielimpedanz zu verwenden, gehen Sie einfach verschiedene geometrische Werte für die Leiterbahnbreite durch, bis der Rechner die gewünschte Impedanz zurückgibt.

Die Standardgeometrien, die von diesen Leiterbahn-Impedanz-Rechnern unterstützt werden, sind in der folgenden Grafik abgebildet. Diese Übertragungsleitungsanordnungen sind standardmäßige Leiterbahngeometrien, die in PCB-Designsoftware implementiert sind. Wenn eine koplanare Anordnung ausgewählt ist, können Sie diesen Leiterbahn-Routing-Stil approximieren, indem Sie mindestens ca. 10 mil einstellen, sofern die dielektrische Dicke ~10 mil oder weniger beträgt.

Standardgeometrien

Die in diesen Impedanz-Rechnern für Übertragungsleitungen verwendeten Modelle basieren auf den Wadell-Gleichungen, die bekannterweise hochgenaue verlustfreie Impedanzwerte liefern. Obwohl sie aufgrund bestimmter Faktoren in realen Materialien nicht vollkommen akkurat sind, sind sie dennoch nützlich, um eine schnelle Schätzung der Leiterbahnimpedanz für die obigen Geometrien zu erhalten. Die Hauptfaktoren, die die Genauigkeit von Impedanz-Rechnern bei progressiv höheren Frequenzen einschränken, sind:

Sobald Ihre Betriebsfrequenz zu groß wird, stimmt das Ergebnis, das Sie mit einem Rechner wie den oben verlinkten erhalten, nicht mehr mit den tatsächlichen Werten überein, die Sie auf einer Leiterplatte finden. Bei einem digitalen Signal ist dies dann der Fall, wenn die steigende Flanke eines Signals auf der Übertragungsleitung sehr schnell wird und sich der größte Teil des Signalinhalts im GHz-Bereich konzentriert. Für HF-Signale wird dies im höheren GHz-Bereich (über 5,8 GHz WLAN) wichtig. Im folgenden Video werden einige der Faktoren erläutert, die dazu führen, dass Leiterbahnimpedanzrechner bei höheren Frequenzen eine geringere Genauigkeit aufweisen.

Mit dem Lagenaufbau-Manager von Altium eine höhere Genauigkeit erzielen

Die oben gezeigten Rechner sind ein guter Anfang, um schnell die ungefähre Leiterbahnbreite zu bestimmen, die Sie benötigen, um die Zielimpedanz in Ihrem Lagenaufbau zu erreichen. Aber selbst die hochgenauen analytischen Formeln, die zur Erstellung dieser Rechner verwendet werden, stoßen oberhalb eines bestimmten Frequenzbereichs auf Grenzen. An der Stelle sollten Sie ein fortgeschritteneres Tool in Ihrem PCB-Editor verwenden, um Ihren Lagenaufbau zu erstellen.

Um viel genauere Ergebnisse zu erhalten, verwenden Sie den Lagenaufbau-Manager in Altium Designer®. Dieses Dienstprogramm ist standardmäßig im PCB-Editor in Altium Designer enthalten und enthält einen integrierten elektromagnetischen Feldlöser für Impedanzberechnungen. Das Impedanz-Tool liefert hochpräzise Widerstandsergebnisse für asymmetrische, differenzielle und koplanare Übertragungsleitungsanordnungen, einschließlich asymmetrischer Streifenleitungen. Die Ergebnisse können dann als Design-Regel auf Netze oder Gruppen von Netzen angewendet werden, um einen einheitlichen Widerstandswert in allen Verbindungen sicherzustellen.

Altium Designer beinhaltet alles, was Sie brauchen, um fortschrittliche Elektronik mit digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen und HF-Signalen zu entwerfen. Sobald Sie Ihre Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte fertiggestellt haben und Ihre Designs mit Kollegen oder Ihrem Hersteller teilen möchten, können Sie Ihre fertigen Designs über die Altium 365™-Plattform teilen. Alles, was Sie für das Design und die Herstellung moderner Elektronik benötigen, finden Sie hier in einem einzigen Softwarepaket.

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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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