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PCB Impedanz Kalkulation

Ideale Bedingungen

Die Berechnung der Impedanz einer Leitung unter idealen Bedingungen ist mit wenigen Parametern möglich. Damit die Formel gelten gibt es eine Einschränkung. Die Referenzfläche sollte mindestens 3x so breit sein wie die Signalleitung und andere Signale sollten "weit" weg sein, also auch einen großen Abstand haben. In der Theorie ist das einfach, aber in der Realität auf Leiterplatten heute gibt es solche idealen Abstände selten, da sehr viel Platz und Raum für die Abstände erforderlich ist. Mehr Platz bedeutet auch höhere Kosten, Gewicht und mehr erforderlicher Bauraum.

Solche einfachen und definierten Strukturen werden zum Teil bei Testcoupons verwendet. Ein Testcoupon dient zur Referenzmessung der Impedanz, nachdem eine Leiterplatte erstellt wurde. Ein Testcoupon wird meist neben der Leiterplatte auf dem Fertigungsnutzen platziert.

Reale Bedingungen

In der Realität ist die Miniaturisierung der Elektronik eine wichtige Anforderung. Es sollen alle Komponenten und Leiterbahnen so eng wie möglich platziert und verlegt werden. Aber die Leiterplatte muss noch fertigbar sein, also die Parameter von Maschinen eingehalten werden, die über DFM-, DFA- und DFT- Regeln beschrieben werden.

Die elektrischen Eigenschaften lassen sich aber nicht so leicht erkennen. Um die Impedanzen von nicht idealen Geometrien zu berechnen werden 3D-Feldlöser (Fieldsolver) eingesetzt, die anhand von Maxwell-Gleichungen die elektrischen und magnetischen Felder berechnen können. Das Ergebnis ist ein Impedanzwert für jedes Teilstück einer Leitung unter Berücksichtigung, wo der Rückstrom fließt und welche Versorgungsleitungen (z.B. VCC und GND) bei höheren Frequenzen den Strom tragen.

Den PCB Designer interessieren nicht die 99% der Fälle, in denen die Impedanzen kontrolliert verlegt wurden. Es geht um die Fälle, in denen ein Kompromiss gefunden werden musste. Sei es, dass eine Leitung zwischen den Pins eines Steckers verlegt wird, Referenzflächen nicht breit genug sein können oder andere Leitungen und Durchkontaktierungen (Vias) der Leitung zu nahekommen.

Solche Situationen gibt es oft auf Leiterplatten, aber nicht alle führen zu Problemen. Wenn sich die Impedanz durch eine zu nahe Leitung verlegte Leitung von 50Ω auf 53Ω verändert, mag diese Störung vernachlässigt werden. Anders sieht es aber aus, wenn an anderer Stelle der Wert von 50Ω auf 97Ω verändert wird. Da es sich um komplexe 3D Geometrien handelt, in denen nicht immer klar ersichtlich ist, wo der Rückstrom fließt können die Auswirkungen der Störungen ohne einen 3D Fieldsolver nicht richtig bewertet werden.

Je höher die Frequenzanteile, die sich aus der Flankensteilheit der Signale ergeben, desto empfindlicher sind die Signale für Störungen durch Impedanzsprünge. Die Auswirkungen von steigenden Frequenzen auf Reflexionen bei Impedanzsprüngen, können mit den Auswirkungen von Schlaglöchern und Bodenwellen in Straßen bei steigenden Geschwindigkeiten verglichen werden.