PCB

PCB über einen Taschenrechner

Berechnen Sie die Leiterplatte anhand von Impedanz, Kapazität, Induktivität, Stromkapazität, Seitenverhältnis und DFM-Warnungen. Deckt Durchgangsbohrungen und blinde/vergrabene Durchlässe ab.

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Formel

C_{via} \approx \frac{0.0554\,\varepsilon_r\,T\,d}{D-d}\ \text{pF},\quad L_{via} \approx 0.2h\left(\ln\frac{4h}{d}+0.5\right)\ \text{nH}

Referenz: IPC-2141A; Howard Johnson "High-Speed Signal Propagation"

T— Board thickness (mm)

d— Via drill diameter (mm)

D— Pad diameter (mm)

εᵣ— Dielectric constant

h— Via height (= board thickness) (mm)

Wie es funktioniert

Die Berechnung der Via-Impedanz ist für das Design von Hochfrequenz-Leiterplatten von entscheidender Bedeutung, da sie die elektrischen Eigenschaften von VIA-Strukturen (Vertikal Interconnect Access) darstellt. Die Impedanz einer Durchkontaktierung hängt von mehreren kritischen geometrischen Parametern ab, darunter dem Durchmesser, der Kontaktfläche und der Dielektrizitätskonstante des Substrats. Die zugrundeliegende Physik beinhaltet die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen durch einen zylindrischen Leiter, wobei die Signalübertragung von den physikalischen Abmessungen der Durchkontaktierung und den umgebenden Materialeigenschaften beeinflusst wird. Impedanzschwankungen entstehen aufgrund von Unterbrechungen im Signalpfad, die zu Reflexionen, Signalverzerrungen und potenziellen Leistungseinbußen bei hohen Frequenzen in komplexen elektronischen Schaltungen führen können.

Bearbeitetes Beispiel

Stellen Sie sich eine Durchkontaktierung in einem typischen FR-4-Substrat mit den folgenden Parametern vor: äußerer Durchgangsdurchmesser (D) = 0,5 mm, innerer Durchgangsdurchmesser (d) = 0,2 mm, Dielektrizitätskonstante (δr) = 4,3, Durchkontaktierungsdicke (T) = 1,2 mm. Anhand der bereitgestellten Formeln berechnen wir zunächst die Via-Impedanz: 87·ln (1,9·0,5/0,2) /√4,3 ≈ 52,3 Ohm. Die parasitäre Kapazität des Vias ergibt 1,41·4,3·1,2· (0,2) ²/ ((0,5) ²- (0,2) ²) ≈ 0,76 pF. Gleichzeitig wird die Induktivität des Vias auf 5,08·1,2· [ln (4·1,2/0,2) +1] ≈ 6,42 nH berechnet.

Praktische Tipps

✓Verwenden Sie für präzise Impedanzberechnungen immer die tatsächlich hergestellten Via-Abmessungen
✓Erwägen Sie die Verwendung von Via-Stitching für eine bessere Signalintegrität bei mehrlagigen Designs
✓Validieren Sie theoretische Berechnungen mit elektromagnetischen Simulationswerkzeugen

Häufige Fehler

✗Vernachlässigung des Via-Seitenverhältnisses bei der Berechnung der Hochfrequenzimpedanz
✗Unter der Annahme einer einheitlichen Durchgangsimpedanz über verschiedene Substratmaterialien hinweg
✗Ignorieren parasitärer Kapazitäten und Induktivitäten im Hochgeschwindigkeitsdesign

Häufig gestellte Fragen

Wie wirkt sich der Via-Durchmesser auf die Impedanz aus?

Größere Durchgangsdurchmesser reduzieren im Allgemeinen die Impedanz und erhöhen die parasitäre Kapazität, während kleinere Durchmesser die Impedanz erhöhen und die kapazitive Kopplung verringern.

Warum sind Via-Impedanzberechnungen wichtig?

Präzise Via-Impedanzberechnungen verhindern Signalreflexionen, minimieren elektromagnetische Störungen und gewährleisten die Signalintegrität in Hochgeschwindigkeits-Digital- und HF-Schaltungen.

Kann die Via-Impedanz reduziert werden?

Die Via-Impedanz kann minimiert werden, indem die geometrischen Parameter optimiert, geeignete Substratmaterialien verwendet und fortschrittliche Via-Designtechniken implementiert werden.

Wie wirken sich verschiedene Leiterplattenmaterialien auf die Leistung aus?

Verschiedene Substratmaterialien haben unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten, die sich direkt auf Impedanz, Kapazität und allgemeine Signalübertragungseigenschaften auswirken.

Sind diese Formeln auf alle Frequenzen anwendbar?

Diese Formeln bieten gute Näherungswerte für die meisten praktischen Frequenzen, aber extrem hochfrequente Anwendungen erfordern möglicherweise eine fortgeschrittenere elektromagnetische Modellierung.

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