Entwurf von Leiterbahnen und Übertragungsleitungen

Zachariah Peterson
|  Erstellt: February 3, 2021  |  Aktualisiert am: August 12, 2021
Entwurf von Leiterbahnen und Übertragungsleitungen

Generell lassen sich digitale Schaltungen in zwei Kategorien einteilen: Low-Speed und High-Speed. Letzteres bedeutet nicht unbedingt eine hohe Taktrate. Vielmehr bezieht sich dieser Begriff auf die Signalanstiegszeiten bei Schaltvorgängen, die auf langen Leiterzügen zu einem Wanderwellenverhalten führt. Solche Leiterbahnen müssen wie Übertragungsleitungen konstruiert werden und nicht bloß als einfache Verbindungsleitungen mit einem Gleichstromwiderstand.

Zu verstehen, wie man Übertragungsleitungen mit kontrollierter Impedanz und gewünschter Bandbreite entwirft, ist eine wichtige Voraussetzung für das Design von High-Speed-Leiterplatten. Aber Sie müssen nicht alle diese Berechnungen von Hand durchführen. Altium Designer enthält eine Reihe von Funktionen, die dabei helfen, diese Aufgaben im Hochgeschwindigkeitsdesign zu automatisieren. Sie sind alle innerhalb Ihrer üblichen High-Speed-Entflechtungswerkzeuge zugänglich. Lesen Sie weiter und erfahren Sie mehr über das Routing und die Signalintegrität von Übertragungsleitungen auf digitalen High-Speed-PCBs.

ALTIUM DESIGNER®

Die branchenweit beste Elektronik-Designplattform für den Entwurf und die Optimierung von Übertragungsleitungen auf Ihrer Leiterplatte.

Bevor Sie Ihr erstes High-Speed-Design entwickeln, sollten Sie sich mit einigen grundlegenden Konzepten auseinandersetzen. Das Design von Leiterbahnen und das Verständnis dafür, wann sie ein Übertragungsleitungsverhalten aufweisen, sind genauso grundlegend für die fachgerechte Entflechtung von Hochgeschwindigkeitsleiterplatten wie die Erstellung eines Layouts mit kontrollierter Signalintegrität. Anderenfalls arbeitet sie mitunter fehlerhaft und muss neu erstellt werden.

Beachten Sie daher diese Designrichtlinien, wenn Sie Ihre Übertragungsleitungen und Leiterbahnen nach bestimmten Low-Speed- und High-Speed-Spezifikationen entwerfen müssen. Verwenden Sie die besten Entflechtungswerkzeuge der Branche, um Ihre Design- und Layoutprozesse für Ihre Hochgeschwindigkeitsleiterplatte zu automatisieren.

Was in Übertragungsleitungen und Leiterplattenkonturen steckt

Wenn Sie bereits wissen, dass Ihre Leiterbahnen ein Übertragungsleitungsverhalten aufweisen werden, dann muss die Leiterbahngeometrie sorgfältig entworfen werden. Nur so weisen sie den entsprechenden Impedanzwert auf, wie er in Ihrem High-Speed-Signalübertragungsstandard gefordert ist. Neben Impedanz müssen auch Übersprechen und Übertragungsverluste im Leiterplattenlayout berücksichtigt werden, um die Signalintegrität im Betrieb zu gewährleisten. Die Querschnittgeometrie Ihrer Leiterzüge, die Leiterbahnlänge und der Lagenaufbau wirken sich auf alle diese Bereiche aus.

Die wichtigen Parameter, die die Impedanz Ihrer Leiterbahnen bestimmen, sind:

  • Leiterbahnbreite
  • Kupfergewicht (Leiterbahndicke)
  • Abstand zur nächstgelegenen Lage
  • Dielektrizitätskonstante und magnetische Permeabilität des Platinensubstrats

Alle diese Parameter müssen sorgfältig ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass die Signale auf den Übertragungsleitungen Ihrer Leiterplatte den richtigen Wellenwiderstand aufweisen. Ziel ist es, Signalintegritätsprobleme zu vermeiden, die entstehen, wenn Leiterbahnen fehlangepasst, zu lang oder zu störanfällig sind.

Konstruieren Sie Ihren PCB-Lagenaufbau richtig, um Signalintegritätsprobleme zu vermeiden

Das Verhindern von Signalintegritätsproblemen, die bei falsch ausgelegten Übertragungsleitungen auftreten, steht und fällt mit dem richtigen Lagenaufbau. Dieser legt die Anordnung der Signal-, Versorgungs- und Masselagen Ihrer Leiterplatte fest. Eine unter den Leiterbahnen platzierte Massefläche beeinflusst deren Impedanz, die Kopplung zu anderen Leiterbahnen sowie die Störfestigkeit gegenüber EMI.

Mit dem Layer-Stack-Manager in Altium Designer können Sie Ihren Lagenaufbau so gestalten, dass die erforderliche Impedanz für Ihre Übertragungsleitungen korrekt definiert ist. Sie müssen keinen zusätzlichen Field Solver einsetzen, um die Leiterbahngeometrie zu bestimmen, da alles, was Sie benötigen, in Altium Designer bereits vorhanden ist.

Transmission line PCB track

Mit Altium Designer ist es einfach, Übertragungsleitungen bestimmter Impedanz zu konstruieren.

Entflechtung und Längenabstimmung in High-Speed-PCB-Designs

Nachdem Sie Ihre Übertragungsleitungen mit der korrekten Geometrie und Impedanz konzipiert haben, verwenden Sie diesen Entwurf zur Festlegung der Leiterbahnen zwischen den Bauelementen Ihrer Leiterplatte. High-Speed-Leiterbahnen müssen mit der festgelegten Breite verlegt werden, um die Impedanz zu gewährleisten, aber auch Leiterbahngruppen sind mitunter in der Länge aufeinander abzustimmen, um sicherzustellen, dass die Signallaufzeiten innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen.

Die leistungsfähigsten Entflechtungswerkzeuge erzwingen automatisch Breiten- und Längenbeschränkungen für Übertragungsleitungen. Sie müssen keine Leitungslängen mehr manuell nachmessen oder Leiterbahnbreiten einstellen, während Sie Signalleitungen entflechten. Statt diese Rahmenbedingungen manuell zu prüfen und zu berücksichtigen, sollten Sie bewährte Routing-Funktionen verwenden, die eine direkte Schnittstelle zu Ihrem impedanzkontrollierten Übertragungsleitungsdesign haben.

Altium Designer verfügt über die besten Routing-Funktionen für High-Speed-PCBs

Mit den erstklassigen High-Speed-PCB-Designtools von Altium Designer ist impedanzkontrolliertes Entflechten und Längenangleichung ein Kinderspiel. Die Routing-Engine in Altium Designer übernimmt Informationen direkt aus Ihrem PCB-Layer-Stack, um die Leiterbahnbreite zu bestimmen. Zudem lässt sich die Längenabstimmung während des Routings automatisch durchführen. Nur Altium Designer bietet diese Funktionen zusätzlich zu den übrigen Designtools und hilft Ihnen, bei der Erstellung fortschrittlicher Leiterplattenlayouts produktiv zu bleiben.

Transmission line PCB track

Bei kompakten Layouts mit hochfrequenten Signalen entstehen oft lange Leiterbahnen, die leicht Rauschen einkoppeln. Altium Designer enthält die Stackup-Design- und Routing-Tools, die Sie benötigen, um die Signalintegrität sicherzustellen.

Bewerten Sie Ihr Layout anhand von Designregeln

Vor der Herstellung Ihrer Leiterplatte sollten Sie Ihr Leiterbild anhand Ihrer Designregeln verifizieren, um sicherzustellen, dass keine Abweichungen vorliegen, die Probleme mit der Signalintegrität verursachen könnten. Obwohl die besten Entflechtungstools bei der Erstellung des Leiterplattenlayouts Designvorgaben für Übertragungsleitungen berücksichtigen, ist es ratsam, das gesamte Layout auf Abstände, Loch- und Leiterbahngrößen, Bauteilkollisionen und andere elektrische Vorgaben zu überprüfen.

Altium Designer bietet Ihnen diese regelbasierten Designfunktionen und noch viele weitere. Regelbasierte Design-Software mit einer Online-DRC-Engine führt diese Prüfungen für Sie automatisch durch, während Sie Ihr PCB-Layout erstellen. So können Sie Fehler in Ihrem Leiterplattenentwurf schon während der Layouterstellung erkennen, beheben oder gar ganz verhindern.

Umfassende Design- und Fertigungsfunktionen in Altium Designer

Sobald Ihr Design fertig ist, lassen sich mit den umfassenden Platinen-Designfunktionen von Altium Designer problemlos eine Herstellerdokumentation erstellen. Statt Software von Drittanbietern zu verwenden, übernimmt Altium Designer die Daten direkt aus Ihrem PCB-Layout und generiert automatisch Ihre Fertigungsunterlagen. Keine andere PCB-Design-Softwareplattform macht es so einfach, ein neues Design zur Serienreife zu führen.

Altium Designer high speed layout and routing

Erfahren Sie mehr über die Verwaltung und gemeinsame Nutzung von Designdaten mit Altium 365.

Wenn Sie Übertragungsleitungen und Leiterbahnen für eine beliebige elektronische Anwendung entwerfen müssen, nutzen Sie die branchenweit führenden Funktionen für Layout, Routing, Beschaffung und Fertigung. Sie finden all diese wichtigen Funktionen für das Leiterplattendesign und noch viele weitere, wenn Sie auf Altium Designer umsteigen.

Altium Designer auf Altium 365 bietet ein bisher nie dagewesenes Maß an Integration in der Elektronikindustrie, die zuvor nur der Softwareentwicklung vorbehalten war. Entwickler können nun von zu Hause aus arbeiten und dennoch hochproduktiv sein.

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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