Die wachsende Nachfrage nach fortschrittlicher Elektronik treibt Innovationen in den Bereichen Leistungsfähigkeit und Leistungsfähigkeit von Leiterplatten voran. Schaltungsentwickler arbeiten heute routinemäßig mit höheren Signalgeschwindigkeiten. Hochgeschwindigkeitssignale, einst eine gelegentliche Herausforderung, werden in Leiterplattenlayouts zum Standard. Für eine einwandfreie Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen müssen Entwickler die bewährten Verfahren für die Leiterbahnführung auf Leiterplatten kennen. Leiterbahnen können nicht mehr allein nach ästhetischen oder Kostenkriterien verlegt werden. Priorität hat nun die Erstellung optimaler Leiterbahnverläufe, um die Signalintegrität zu gewährleisten und Leistungsprobleme zu minimieren. Dafür benötigen Entwickler umfassende Kenntnisse über Leiterplatten-Übertragungsleitungen. In diesem Blogbeitrag stellen wir die verwendeten Übertragungsleitungstypen vor, erläutern ihre Bedeutung und präsentieren bevorzugte Layoutmethoden.
Was ist eine PCB-Übertragungsleitung?
Eine Leiterplatten-Übertragungsleitung transportiert Signale zwischen Sendern und Empfängern auf einer Leiterplatte. Sie besteht aus zwei Leitern – einer Signalleitung und einem Rückleiter, typischerweise einer Massefläche. Die Leiter sind durch eine dielektrische Schicht getrennt. Hochfrequente Wechselströme weisen auf Übertragungsleitungen eine Wellenausbreitung auf. Eine wichtige Eigenschaft ist die Impedanz der Leitung an jedem Punkt ihrer Länge. Bei unveränderten Leitungsabmessungen bleibt diese Impedanz konstant. Eine solche Leitung wird als Übertragungsleitung mit kontrollierter Impedanz bezeichnet. Ungleichmäßige Impedanzen führen zu Signalreflexionen und -verzerrungen. Daher lässt sich bei hohen Frequenzen das Signalverhalten durch die Kontrolle der Leiterbahnimpedanz vorhersagen.
Arten von PCB-Übertragungsleitungen
Beim Entwurf von Leiterplatten müssen Ingenieure drei Hauptoptionen für die Signalübertragung über die gesamte Leiterplatte berücksichtigen:
- PCB-Mikrostreifen
Die Mikrostreifenleitung besteht aus einer einzigen Leiterbahn, die als Signalträger fungiert und über eine Referenzebene geführt wird. Diese Referenzebene befindet sich typischerweise auf einer der äußeren Schichten des PCB-Stapelung, Stellt den Rückweg direkt unter der Signalleitung bereit. Mikrostreifen verlaufen aufgrund der einfachen Zugänglichkeit meist entlang der Außenlagen. Es ist jedoch auch möglich, diese Leiterbahnen in die inneren Platinenlagen einzubetten. Die Referenzebene für einen internen Mikrostreifen befindet sich weiterhin auf einer angrenzenden Außenlage. Mikrostreifen ermöglichen ein einfaches Routing für unsymmetrische Signale, Designs mit hoher Leiterbahndichte und die Eignung für oberflächenmontierte Komponenten.
- PCB-Streifenleitung
Bei Streifenleitungsübertragungen wird eine Leiterbahn zwischen zwei Referenzmasseflächen, die sich innerhalb der dielektrischen Schichten der Platine befinden, verlegt. Dieser Aufbau bietet Rückstrompfade sowohl oberhalb als auch unterhalb des Signalträgers. Die zusätzliche Abschirmung durch zwei Ebenen verleiht Streifenleitungen im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen eine natürliche Immunität gegen elektromagnetische Störungen. Streifenleitungen zeichnen sich durch hohe Vielseitigkeit aus: Zur Leistungsoptimierung können die Leiterbahnen näher an der einen oder anderen Referenzebene positioniert und mehrere Leiterbahnen parallel zwischen den Ebenen verlegt werden. Die größeren Referenzebenen sorgen zudem für eine bessere Signalübertragungsqualität. Streifenleitungen sind im Vergleich zu Mikrostreifenleitungen zwar komplexer gefertigt, ermöglichen aber eine hervorragende Hochgeschwindigkeitssignalübertragung.
- Koplanare Übertragungsleitungen
Die koplanare Übertragungsleitung platziert die Signal- und Rückleitungen auf derselben Leiterplattenebene. Sie besteht aus einer zentralen Signalleitung, flankiert von zwei breiteren Masseflächen, wobei die Leiter durch Abstände voneinander getrennt sind. Alle koplanaren Elemente verlaufen über das dielektrische Material der Leiterplatte. Eine präzise Kontrolle der Abstände zwischen Leiterbahn, Masseflächen und Ebenenbreiten ist unerlässlich, um Zielimpedanzen erreichen. Koplanarleitungen werden im Vergleich zu Mikrostreifen- oder Streifenleitungen seltener eingesetzt, bieten aber einige Vorteile, wie eine einfachere Impedanzanpassung und den Wegfall von Bohrlöchern. Ihre Freilegung erleichtert zudem die Durchführung von Messungen. Koplanarleitungen weisen jedoch engere Fertigungstoleranzen auf und sind ohne Abschirmflächen weiterhin anfällig für elektromagnetische Störungen.
Die Bedeutung von Übertragungsleitungen in PCB
Da elektronische Geräte und Schaltungen immer schnellere Schaltgeschwindigkeiten und höhere Frequenzen erreichen, wird die Berücksichtigung von Übertragungsleitungseffekten in PCB-Layouts entscheidend. Bei Mikrowellenfrequenzen im Gigahertz-Bereich können Leiterbahnen nicht mehr einfach als Verbindungen zwischen Punkten betrachtet werden. Vielmehr bestimmen die Gesetze der elektrischen Ausbreitung, dass Signale je nach Impedanz der Leiterbahngeometrie reflektiert und überschwingen. Werden diese Effekte nicht kontrolliert, führt dies zu verzerrten Signalen, elektromagnetischen Störungen und einem unzuverlässigen Schaltungsbetrieb. Durch die korrekte Implementierung von Übertragungsleitungen – mit kontrollierten Abmessungen und Abständen, um die gewünschten charakteristischen Impedanzen zu erreichen – können PCB-Designer Signale optimal von der Quelle zur Last übertragen. Fachwissen über Übertragungsleitungen, ob Mikrostreifen-, Streifenleitungs- oder Koplanar-Konstruktionen, hilft, Signalverschlechterungen zu vermeiden und gleichzeitig modernste Technologien zu ermöglichen. Angesichts der heutigen Trends zur Miniaturisierung und stetig steigenden Frequenzen ist das Verständnis von PCB-Übertragungsleitungen eine grundlegende Fähigkeit für die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits- Hochfrequenzplatinen.
Tipps zum Entwurf von Übertragungsleitungen
Die Kontrolle des Wellenwiderstands über die gesamte Leiterbahnlänge ist für Übertragungsleitungen von größter Bedeutung. Andernfalls kommt es zu störenden Signalreflexionen bei hohen Frequenzen, die die Datenübertragung beeinträchtigen. Durch die Anpassung der Leitungsbreiten an die Zielimpedanzen können Designer präzise Verbindungen erstellen. Online-Rechner, CAD-Tools mit integrierten Rechnern oder die Beratung durch Leiterplattenhersteller vereinfachen das Erreichen präziser Impedanzziele, die Standards wie IPC-2581 auch erleichtern.
Wenn impedanzkontrollierte Leiterbahnen etabliert sind, können zusätzliche Designpraktiken die Layouts optimieren:
Vermeiden Sie überfüllte Bereiche – Vermeiden Sie Impedanzunterbrechungen, indem Sie die Leitungen außerhalb enger Bereiche verlegen. Risse oder Brüche in den Leiterbahnen stören den Rückstrompfad.
Verwenden Sie eine Schicht – Minimieren Sie vertikale Übergänge, indem Sie hauptsächlich eine Schicht verwenden, um die Impedanzkontrolle und den Zugriff auf die Referenzebene zu erleichtern.
Durchkontaktierungen hinzufügen – Wenn eine Übertragung zwischen Ebenen unvermeidbar ist, platzieren Sie Durchkontaktierungen neben den Spuren als Massereferenzen, um den Rückweg beizubehalten.
Paare zusammenhalten – Verlegen Sie differenzielle Paare zusammen auf demselben Pfad, um die Leitungslängen anzupassen und Hindernisse wie Durchkontaktierungen zu vermeiden, die Signale verzerren könnten.
Impedanzkontrollierte Übertragungsleitungen erfordern im Wesentlichen eine sorgfältige Planung und Auslegung, um einwandfreie Signale bei hohen Frequenzen zu liefern. Es stehen unzählige Ressourcen zur Verfügung, um Leiterbahngeometrien und -abstände für die Zielimpedanzen vor dem Routing präzise zu entwerfen. Nach der Berechnung muss darauf geachtet werden, die Leitungen konsistent und kontinuierlich zu implementieren. Da heutige Signalgeschwindigkeiten den Mikrowellenbereich erreichen, ist die Kenntnis der Prinzipien impedanzangepasster Übertragungsleitungen eine unschätzbar wertvolle Fähigkeit im PCB-Design. Die Beherrschung impedanzkontrollierter Leiterbahnen und die Reduzierung von Diskontinuitäten ermöglichen ein zuverlässiges Routing von Hochfrequenzsignalen.
Fazit
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Verständnis der Grundlagen von Übertragungsleitungen den Entwicklern von Leiterplatten hilft. Die Impedanzkontrolle entlang der gesamten Leiterbahnlänge ist von größter Bedeutung; Diskontinuitäten beeinträchtigen die Signalintegrität. Durch die Berechnung der physikalischen Abmessungen der Zielimpedanzen können einheitliche Verbindungen zuverlässig Hochgeschwindigkeitsdaten übertragen.
Bitte melden Sie sich Bei offenen Fragen zu diesem wichtigen Thema des PCB-Layouts stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung. Ob Impedanzberechnungen, Übertragungsleitungskonfigurationen, Routing-Methoden oder Fragen zur Signalintegrität – wir unterstützen Sie gerne bei Ihrem Fachwissen.
