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Impedanzrechner für Differenzpaare

Berechnet die differentielle (Zdiff) und die Gleichtaktimpedanz (Zcom) für flankengekoppelte Mikrostreifen-Differenzpaare, die in USB-, HDMI-, Ethernet- und seriellen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen verwendet werden.

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Formel

Z_{diff} = 2Z_{odd} \approx 2Z_0(1-Qe),\ Z_{com} = \frac{Z_{even}}{2} \approx \frac{Z_0(1+Qe)}{2}

Referenz: IPC-2141A; Wadell Chapter 3.7

Z₀— Single-ended microstrip impedance (Hammerstad-Jensen) (Ω)
Q— Normalized edge-to-edge gap: 2S/W
Qe— Empirical coupling coefficient: exp(−0.347Q)
Z_odd— Odd-mode impedance = Z₀(1 − Qe) (Ω)
Z_even— Even-mode impedance = Z₀(1 + Qe) (Ω)

Wie es funktioniert

Die differentielle Paarimpedanz ist ein kritischer Parameter beim Hochgeschwindigkeits-PCB-Design, insbesondere für die Signalintegrität bei der differentiellen Signalisierung. Bei randgekoppelten Mikrostreifenkonfigurationen hängt die charakteristische Impedanz von der physikalischen Geometrie der Übertragungsleitung ab, insbesondere vom Abstand zwischen den Leiterbahnen (n) und der Substrathöhe (h). Die Impedanz im ungeraden Modus (Zodd) stellt die Impedanz einzelner Leiterbahnen dar, wenn sie mit Signalen entgegengesetzter Polarität angeregt werden, während die differentielle Impedanz (Zdiff) die Gesamtimpedanz zwischen den beiden Leiterbahnen ist. Der IPC-2141A-Standard bietet eine empirische Methode zur Berechnung dieser Werte, bei der die exponentielle Beziehung zwischen Leiterbahnabstand und Impedanz berücksichtigt wird. Dieser Ansatz ist entscheidend für das Design digitaler und analoger Hochgeschwindigkeitsschaltungen, bei denen eine kontrollierte Impedanz unerlässlich ist, um Signalreflexionen zu minimieren, die Signalqualität aufrechtzuerhalten und elektromagnetische Störungen zu reduzieren.

Bearbeitetes Beispiel

Stellen Sie sich ein Mikrostreifen-Differentialpaar auf einer Leiterplatte mit einer Substrathöhe von 0,8 mm und einem Leiterbahnabstand von 0,2 mm vor. Berechnen Sie zunächst anhand der Standardformel die Impedanz im ungeraden Modus: Zod = 50 * (1 - 0,347 * e^ (-2,09 * 0,2/0,8)) ≈ 5,3 Ohm. Berechnen Sie dann die Differenzimpedanz: Zdiff = 2 * 55,3 = 110,6 Ohm. Dieses Ergebnis zeigt, wie sich die Leiterbahngeometrie erheblich auf die Impedanz auswirkt, wobei der enge Abstand die effektive Impedanz im Vergleich zur 50-Ohm-Referenzimpedanz erhöht.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie präzise Messungen der Substratdicke für genaue Berechnungen
  • ✓Berücksichtigen Sie die Signalfrequenz bei der Bewertung des Differentialpaardesigns
  • ✓Implementieren Sie kontrollierte Impedanztechniken während des PCB-Layouts

Häufige Fehler

  • ✗Vernachlässigung der Substratdielektrizitätskonstante bei der Berechnung der Impedanz
  • ✗Annahme einer linearen Beziehung zwischen Leiterbahnabstand und Impedanz
  • ✗Nichtberücksichtigung von Fertigungstoleranzen bei der Leiterplattenherstellung

Häufig gestellte Fragen

Differentialpaare bieten eine bessere Störfestigkeit und ermöglichen höhere Datenübertragungsraten, indem sie komplementäre Signale verwenden, die Gleichtaktstörungen ausgleichen.
Der Leiterbahnabstand steht in einem nichtlinearen Zusammenhang mit der Impedanz, wobei die Impedanz typischerweise zunimmt, wenn die Leiterbahnen näher zusammenrücken.
Die IPC-2141A-Methode eignet sich am besten für Standard-FR4-Substrate. Exotische Materialien erfordern möglicherweise komplexere Berechnungen.
Die Substrathöhe, die Leiterbahnbreite, der Abstand zwischen den Leiterbahnen und die dielektrischen Eigenschaften beeinflussen alle die differentielle Paarimpedanz.
Für digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wird in der Regel eine Impedanztoleranz von ± 10% empfohlen, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten.

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