Fangen spielen Mit einem kleinen Kind kann uns viel über das PCB-Design beibringen. Okay, Sie müssen mir nicht glauben, aber lassen Sie mich Ihnen zeigen: Den Ball mit der richtigen Geschwindigkeit zu einer anderen Person zu werfen und das Ziel zu treffen, erfordert Hand-Auge-Koordination, Muskelkraft und Bewusstsein für grundlegende physikalische Mechanik. Die meisten von uns denken nicht viel darüber nach, aber für ein Kind scheint es manchmal so, als würde man einen unüberwindlichen Berg besteigen.
Die PCB-Design-Fähigkeiten sind in der Tat ziemlich ähnlich. Ob es darum geht, herauszufinden, wo sich Zielorte befinden, oder besonders problematische oder gefährdete Abschnitte zu lokalisieren, die Denkprozesse verlaufen parallel. Auch Signale müssen pünktlich und am Ziel ankommen. Grundlegende Lehrbuchkonzepte, die wir manchmal für selbstverständlich halten, können sich abzeichnen, wenn sie ignoriert werden, können aber auch Lösungen bieten.
Warum ist die Impedanzanpassung wichtig? Nicht übereinstimmende Impedanz verursacht Probleme
Hier ist ein News-Flash: PCB-Design ist komplexer geworden. Ob im Verbraucher- oder Industriemarkt, Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzgeräte sind zur Norm geworden. Und das ist nur der Anfang.
Wenn wir mit diesen Ultrahochfrequenzdesigns arbeiten, müssen wir die Grundlagen berücksichtigen. Zum Beispiel wurde die Impedanzanpassung oft zu einem nachträglichen Gedanken für Designteams, die mit niedrigeren und mittleren Frequenzen arbeiten. Die Impedanzanpassung stellt jedoch das Design von HF- und Mikrowellenschaltungen vor Herausforderungen, da das Fehlerfenster mit zunehmender Frequenz abnimmt. Digitale Hochgeschwindigkeitsschaltungen erfordern aufgrund der Auswirkungen auf die Bitfehlerrate und des Potenzials für Impulsverzerrung, Reflexion und EMI sehr stabile kontrollierte Impedanzen.
Der ordnungsgemäße Schaltungsbetrieb hängt von der Impedanzanpassung ab – oder von der Fähigkeit der Schaltung, Signale effizient von der Quelle in das Routing und dann vom Routing zur Last zu übertragen. Die Impedanz hat — wenn sie nicht richtig behandelt wird – einen bemerkenswert negativen Einfluss auf die Schaltungsleistung. Ohne die richtige Impedanzanpassung können Reflexionen auf dem Weg von der Quelle zur Last auftreten.
Bis die Dämpfung auftritt, breiten sich die Signale glücklich in der Leiterbahn hin und her aus und stören das übertragene Signal. Reflexionen und stehende Wellen in Hochfrequenzleitungen vermischen sich mit gewünschten Signalen – und bilden ein Hexengebräu aus Amplituden- und Phasenverzerrungen. Die direkten Ergebnisse dieser Störung sind Datenjitter und eine Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses. Mit zunehmendem Abstand von der Quelle zur Last führen stehende Wellen dazu, dass die Impedanz ebbt und fließt.
Grundlagen der Impedanzanpassung
Gutes PCB-Design erfordert die Beachtung der Grundlagen. Wenn wir den Einfluss der Impedanz auf eine Schaltung betrachten, müssen wir die grundlegenden Beziehungen zwischen Widerstand, Reaktanz und Impedanz berücksichtigen.
Während Sie Ihre einzelnen Leiterplatten sicherlich von Hand testen können, könnte ein SPICE-Simulator dabei helfen, die Dinge zu beschleunigen.
Jeder weiß, dass ein Widerstand einem gleichmäßigen elektrischen Strom entgegenwirkt und dadurch Energie reduziert. Reaktanz misst den Widerstand gegen Strom, der durch eine Kapazität oder Induktivität verursacht wird. Während ein perfekter Widerstand nicht mit der Frequenz variiert, bewirkt der Einfluss sich ändernder Frequenzen auf einen Kondensator oder eine Induktivität, dass sich die induktive (XL) oder kapazitive (XC) Reaktanz mit der Frequenz eines Wechselstromsignals ändert.
Mit all diesen Dingen im Hinterkopf, lassen Sie uns den Sprung zur Impedanz machen. Wir wissen, dass die Impedanz das genaue Gegenteil eines Geräts oder einer Schaltung zum Fluss eines Wechselstroms ist. Darüber hinaus wissen wir auch, dass die Impedanz eines Kondensators eine umgekehrt proportionale Beziehung zur Kapazität hat, während die Impedanz einer Induktivität eine direkte Beziehung zur Induktivität hat.
Anwendung von Zweck zu Impedanzwissen
Wo verbinden sich all diese großartigen Informationen über Lehrbuchgrundlagen mit dem PCB-Design? Unabhängig von der Größe der Leiterplatte bilden die Leiterbahnen Übertragungsleitungen. Die charakteristische Impedanz (Zo) stellt die konstante Impedanz einer Leitung ohne reflektierende Wellen dar. Wenn eine Schaltung ein Signal sendet und die Übertragungswellen die Last erreichen, wandern Reflexionswellen zurück zur Quelle und die Eingangsimpedanz der Übertragungsleitung ändert sich mit der Addition der reflektierten Wellen.
Unser Ziel bei der Impedanzanpassung ist es, die Lastimpedanz wie die Quellenimpedanz aussehen zu lassen. Um eine effiziente Signalübertragung zu erreichen, müssen wir ein charakteristisches Impedanzziel von 50 Ω Impedanz erreichen – der Sweet Spot für eine effiziente Signalübertragung. Es treten nur wenige Signalreflexionen auf. Gute PCB-Designpraktiken zielen darauf ab, eine charakteristische Impedanz von 50 Ω an Übertragungsleitungsübergängen, Komponentenverbindungen und Terminatoren zu erreichen.
Das Anpassen der Impedanzen in der gesamten Schaltung ergibt ein gewünschtes Niederspannungs-Stehwellenverhältnis (VSWR). Niedrige VSWR-Schaltungen übertragen die maximale Leistung von der Quelle auf die Last. Es gibt noch mehr. Digitale Schaltungen liefern aufgrund kurzer Übergangszeiten und hoher Taktraten die gewünschte Leistung. Geräte und Appliances haben aufgrund der schnelleren, sequentiellen Übertragung von Signalen bessere Fähigkeiten. Ständig steigende Signalschaltgeschwindigkeiten erfordern einen weiteren Blick auf die Steuerung der Impedanz der Übertragungsleitungen / Leiterplattenbahnen.
Steuern Sie die Impedanz frühzeitig mit SPICE
Die Steuerung der Leiterplattenimpedanz beginnt mit dem Wissen, wie sich verschiedene Variablen auf die Schaltungsleistung auswirken. Diese Variablen umfassen die Dielektrizitätskonstante, die dielektrische Höhe, die Leiterbahndicke, die Substratdicke und die Leiterbahnbreite. Lassen Sie uns einen Moment über diese Variablen nachdenken. Jede beinhaltet physikalische Geometrie, die die Einheitslängeninduktivität erzeugt.
Bei so vielen verfügbaren Komponenten kann das Design schwierig zu verwalten sein.
Jetzt beginnt alles zusammenzukommen. Die Dielektrizitätskonstante ist das Verhältnis der Permittivität des Dielektrikums zur Permittivität eines Vakuums. Die Permittivität beschreibt die Wirkung des Kupfers auf ein elektrisches Feld und die Permittivität zeigt die Fähigkeit eines Materials, als Reaktion auf ein angelegtes Feld zu polarisieren. Zunehmende Polarisation in einem angelegten Feld einer festgelegten Stärke bewirkt, dass die Dielektrizitätskonstante zunimmt.
Bei jeder Leiterplatte können das Leiterbahndesign oder die für die Leiterbahn verwendeten Materialien dazu führen, dass sich die Impedanzwerte ändern. Plötzliche Änderungen der Leiterbahnrichtung verursachen Änderungen der Impedanz. Die Dielektrizitätskonstante kann sich auch über die Länge oder Breite einer Leiterbahn oder aufgrund von Frequenz- und Temperaturänderungen ändern. Jede Varianz beeinflusst die charakteristische Impedanz einer HF-Schaltung. Die Impedanzänderungen können die Signalverstärkung verringern, Rauschen erzeugen oder zufällige Fehler verursachen.
Eine Linie mit kontrollierter Impedanz tritt auf, wenn ein PCB-Design über die gesamte Länge einer Leiterbahn eine bestimmte charakteristische Impedanz aufweist. Da die Kapazität als Funktion der relativen Permittivität des dielektrischen Materials auftritt, können wir die Impedanz mit einer Leiterbahn steuern, die eine einheitliche Querschnittsgeometrie und eine konsistente Permittivität aufweist. Mit zunehmender Kapazität nimmt die charakteristische Impedanz ab. In Bezug auf das Design beeinflusst die Änderung der charakteristischen Impedanz unsere Impedanzanpassungsfähigkeiten. Materialien mit einer niedrigeren Dielektrizitätskonstante erfordern eine Erhöhung der Leiterbreite, um die charakteristische Impedanz aufrechtzuerhalten und die Möglichkeit von Verlusten zu verringern.
Mit einer starken Layoutsoftware können Sie die Impedanzanpassung frühzeitig in Ihren Entwurfsiterationen durcharbeiten und Schaltungen erstellen, die grundsätzlich sicherer sind. Glücklicherweise hat Cadence mehr als genug, um sicherzustellen, dass Ihre Design- und Analyseprozesse mit so wenig Störungen wie möglich integriert werden. OrCAD ermöglicht es Ihnen, Ihre Entwürfe mit seinen starken Simulations- und Analysesystemen auf die nächste Stufe der Signalsicherheit zu bringen.
Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie Cadence die Lösung für Sie hat, sprechen Sie mit uns und unserem Expertenteam.
Über den Autor
Cadence PCB Solutions ist ein komplettes Front-to-Back-Design-Tool für eine schnelle und effiziente Produkterstellung. Cadence ermöglicht es Benutzern, die Konstruktionszyklen durch den modernen Industriestandard IPC-2581 genau zu verkürzen, um sie an die Fertigung zu übergeben.
Folgen Sie auf Linkedin Website besuchen Weitere Inhalte von Cadence PCB Solutions