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PCB-Lagenaufbau-Impedanzrechner

Berechnet die charakteristische Impedanz für gängige PCB-Lagenaufbauten. Wählen Sie Lagenanzahl, dielektrische Dicke und Kupfergewicht, um die gewünschte Leiterbahnbreite für 50 Ω oder benutzerdefinierte Impedanz zu erhalten.

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Formel

A = \frac{Z_0}{60}\sqrt{\frac{\varepsilon_r+1}{2}} + \frac{\varepsilon_r-1}{\varepsilon_r+1}\left(0.23+\frac{0.11}{\varepsilon_r}\right),\quad \frac{W}{H} = \frac{8e^A}{e^{2A}-2}

Referenz: Wheeler (1977); Pozar "Microwave Engineering" 4th ed.

Z₀— Target characteristic impedance (Ω)
εᵣ— Dielectric constant
A— Wheeler intermediate parameter
W/H— Trace width to height ratio
H— Dielectric layer thickness (mm)

Wie es funktioniert

Das PCB-Stackup-Design ist ein kritischer Aspekt von elektronischen Hochfrequenzsystemen, insbesondere für digitale HF- und Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Die Hammerstad-Jensen-Methode bietet einen ausgeklügelten Ansatz zur Berechnung der Leiterbahnimpedanz auf der Grundlage der physikalischen Geometrie von Leiterplattenschichten. Bei dieser Methode werden die Dielektrizitätskonstante der Trägermaterialien, die Leiterbahnbreite, die Höhe über der Referenzebene und die Eigenschaften der umgebenden Schicht berücksichtigt. Bei HF-Schaltungen ist die Aufrechterhaltung einer gleichbleibenden 50-Ω-Impedanz entscheidend, um Signalreflexionen zu minimieren, elektromagnetische Störungen zu reduzieren und eine optimale Signalintegrität sicherzustellen. Der Aufbau fungiert als komplexes elektromagnetisches Übertragungssystem, bei dem sich die physikalischen Eigenschaften der einzelnen Schichten direkt auf die Signalausbreitung, das Übersprechen und die Gesamtleistung der Schaltung auswirken.

Bearbeitetes Beispiel

Erwägen Sie ein 4-lagiges HF-PCB-Design, das auf eine Impedanz von 50 Ω abzielt Unter Verwendung eines FR-4-Substrats mit δr=4,3 entwerfen wir eine Signalschicht mit einer Leiterbahnbreite von 0,15 mm auf einer dielektrischen Schicht von 0,1 mm über einer Grundebene. Mit der Hammerstad-Jensen-Berechnung bestimmen wir zunächst die effektive Dielektrizitätskonstante unter Berücksichtigung der Leiterbahngeometrie. Durch iteratives Anpassen der Leiterbahnbreite und des Schichtabstands kommen wir zu einem Design, das die 50-Ω-Zielimpedanz erfüllt. Praktische Messungen bestätigen, dass die berechnete Impedanz innerhalb von ± 10% liegt, was den Ansatz des Lackup-Designs bestätigt.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie eine spezielle Impedanzberechnungssoftware, um manuelle Berechnungen zu validieren
  • ✓Ziehen Sie differentielles Paar-Routing für USB- und digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen in Betracht
  • ✓Verwenden Sie Groundplane-Stitching, um die elektromagnetische Kopplung zu reduzieren

Häufige Fehler

  • ✗Vernachlässigung der Via-Übergangsimpedanz in Hochfrequenzdesigns
  • ✗Verwendung einer gleichmäßigen Substratdicke ohne Berücksichtigung der Anforderungen an die Signalschicht
  • ✗Ignorieren der Auswirkungen der Kupferoberflächenrauheit auf die Hochfrequenzimpedanz

Häufig gestellte Fragen

Für HF-Anwendungen werden Materialien mit niedrigen und stabilen Dielektrizitätskonstanten wie Rogers RO4350B (δr=3,48) bevorzugt. Der ideale Wert hängt von den spezifischen Frequenz- und Leistungsanforderungen ab.
Die Spurbreite ist äußerst wichtig. Selbst eine Abweichung von 10 Mikron kann die Impedanz um mehrere Ohm verschieben, was möglicherweise zu Problemen mit der Signalintegrität führen kann.
FR-4 ist zwar möglich, weist jedoch einen höheren Verlustanteil und weniger konsistente dielektrische Eigenschaften auf. Für präzise Hochfrequenzdesigns werden spezielle HF-Materialien empfohlen.
Verwenden Sie Vektor-Netzwerkanalysatoren (VNA) oder Zeitbereichsreflektometrie (TDR), um die tatsächliche Leiterbahnimpedanz nach der Herstellung präzise zu messen.
Die Schichtdicke beeinflusst direkt die Impedanz. Dickere dielektrische Schichten erhöhen die Impedanz, während dünnere Schichten sie verringern, was präzise Konstruktionsberechnungen erfordert.

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