Was jeder PCB-Designer über die Leiterbahnimpedanz wissen muss mit Eric Bogatin

Das PCB-Design ist zunächst eine relativ einfache Angelegenheit – Sie erstellen einen rechteckigen Umriss, weisen einige Komponenten-Footprints zu, führen einige Leiterbahnen durch und geben einige Gerber-Dateien aus, um sie an die Fabrik zu senden. Wenn Sie dann mehr Erfahrung sammeln und anspruchsvollere Schaltkreise ausprobieren und sich mit Schaltnetzteilen, Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen und rauscharmen Analogschaltungen befassen, werden die Dinge zunehmend schwieriger. Und wir haben noch nicht einmal über HF- oder Mikrowellendesign gesprochen, wo die Dinge aus der Sicht des Uneingeweihten einfach merkwürdig werden können. [Robert Feranec] ist in solchen Angelegenheiten kein Unbekannter, und er hat sich mit einem der führenden Experten (und einem der persönlichen Elektronikhelden dieses Schreibers) in Fragen der Signalintegrität zusammengetan, [Prof. Eric Bogatin] für einen tiefen Einblick in das Wie und Warum des Designs mit kontrollierter Impedanz.

Ein interessanter Teil der Diskussion ist, warum 50 Ω so weit verbreitet ist. Die Antwort ist zunächst einmal historisch. In den 1930er-Jahren wurden für Funkanwendungen benötigte Koaxialkabel entwickelt, um Übertragungsverluste zu minimieren. Durch angemessene Abmessungen und eine Polyethylenisolierung betrug die Impedanz 50 Ω. Zweitens gibt es beim Entwurf von PCB-Leiterbahnen für eine kostengünstige Fertigung einen Kompromiss zwischen Stromverbrauch und Störfestigkeit.

Als Faustregel gilt: Eine Verringerung der Impedanz erhöht die Störfestigkeit auf Kosten eines höheren Stromverbrauchs, eine höhere Impedanz bewirkt das Gegenteil. Sie müssen dies mit den resultierenden Leiterbahnbreiten, dem Abstand und der gesamten Routingdichte abwägen, die Sie tolerieren können.

Eine weitere unterhaltsame Geschichte war, als Intel einen Hochgeschwindigkeitsbus für grafische Schnittstellen entwarf, eine Simulation einer typischen Busstruktur erstellte und die realisierbaren physikalischen Konstanten wie Leiterbahnbreiten, dielektrische Dicke, Durchkontaktierungsgrößen usw. parametrisierte mit kostengünstigen PCB-Fabrikhäusern. Anschließend ermittelten sie mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation mit 400.000 Simulationen den idealen Punkt. Da das Via-Design, das mit den Designregeln für billige Fabriken kompatibel war, häufig zu einer relativ niedrigen charakteristischen Impedanz der Via führte, wurde empfohlen, die Leiterbahnimpedanz von 100 Ω auf 85 Ω Differenz zu reduzieren, anstatt zu versuchen, die Via-Geometrie zu optimieren, um dies zu erreichen bis zur Übereinstimmung mit der Spur. Lustige Sachen!

Wir geben zu, dass das Video vom Anfang des Jahres stammt und sehr lang ist, aber für so wichtige Grundkonzepte im Hochgeschwindigkeits-Digitaldesign sind wir der Meinung, dass es Ihre Zeit wert ist. Wir haben auf jeden Fall ein paar nützliche Leckerbissen mitgenommen!

Jetzt haben wir den PCB-Aufbau geklärt. Warum noch einmal umkehren und die Kabel überprüfen?