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24 – Impedanz auf Leiterplatten

Warum Impedanzbetrachtungen?

Eine Impedanzbetrachtung ist immer dann erforderlich, wenn schnelle Schaltsignale mit geringer Stromstärke übertragen werden sollen, da diese am störanfälligsten sind. Als Impedanz wird der Schein- oder Wechselstromwiderstand Z0 bezeichnet.
Dieser beeinflußt die Signalübertragungs auf der Leiterplatte. Um Reflexionen auf den Leiterbahnen zu vermeiden, was zu Signalverfälschungen führen kann, muß die Impedanz der Signal-leitung angepasst werden.

Dabei werden zwei Impedanz-Arten unterschieden:

• Single Ended
  (einzelne Leiterbahn)

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 db electronic • Differential Pairs
  (2 zusammengehörende, parallel verlaufende Leiterbahnen)

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Beide Impedanz-Arten können in verschiedenen Kombinationen auftreten, wie z. B. auf einer Außenlage oder in einer Innenlage. Signalleitungen mit nur einer Potentiallage werden «Microstrip», Signalleitungen zwischen 2 Potentiallagen «Stripline» genannt.

Beispiele
Single Ended
Surface Microstrip

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Single Ended
Embedded Stripline

db electronic		 db electronic Differential Pairs
Embedded Microstrip

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Differential Pairs
Embedded Stripline

db electronic		 db electronic Dementsprechend komplex ist eine Analyse und Berechnung der Impedanz – siehe IPC 2141, Formeln zur Impedanzberechnung von Leiterplatten.

Daher sollten schon in der Designphase mögliche Lagenaufbauten mit dem Leiterplatenhersteller abgesprochen werden. Entwicklern müssen die technischen Möglichkeiten des Leiterplattenherstellers bekannt sein.


Grundsätzlich kann die Signalleitung einer Leiterplatte als eine Kombination aus Widerstand R, Induktivität L und Kapazität C betrachtet werden. Wobei die Induktivität von Leiterbahnbreite und Leiterbahnabstand abhängig ist und die Kapazität vom Abstand des Leiters zur Potentiallage.

Formel

db electronic		 db electronic Schema
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Die Impedanz ist somit abhängig von
• der Leiterbahnbreite (Single Ended) bzw. Leiterbahnbreite und Leiterbahnabstand (Differential Pairs) und Dicke
• der Dicke des Dielektrikums (Prepreg = Abstand zur Potentiallage)
• der Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums

Für die Fertigung von impedanzkontrollierten Leiterplatten sind folgende Angaben erforderlich:
• Anzahl Lagen
• Lagenaufbau (Lagenabstände / Prepregs und Kerne sowie der Kupferstärke der einzelnen Lagen)
• Leiterplattendicke
• für die Impedanzbetrachtung:
  • welche Impedanzart (Single Ended oder Differential Pairs) und Wert (z. B. 50 oder 100 Ohm)?
  • welche Lagen betrifft es und welches sind die dazugehörigen Potentiallagen (Referenzlagen)?
  • welche Leiterbahnen betrifft es (Leiterbahnbreite und -abstand)?

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