Impedanzkontrolle
Die elektrische Impedanz ist das Maß für den Widerstand, den ein Stromkreis einem Strom entgegensetzt, wenn eine sinusförmige Wechselspannung angelegt wird. Dieses Kabel ist ein Koaxialkabel. Anstelle eines Koaxialkabels kann eine Antenne auch über ein Kabel angeschlossen werden, das aus zwei runden Drähten besteht, die von einem flachen Kunststoffstreifen beabstandet sind. Wie beim Koaxialkabel werden die Abmessungen und Materialien dieses Drahtes sorgfältig kontrolliert, damit er die richtige elektrische Impedanz hat.
Bei Leiterplatten ist die Abschirmung die Ebene, der Isolator das Material und der Kerndraht eine Leiterbahn. Die Impedanz wird in Ohm gemessen, sollte aber nicht mit dem Widerstand verwechselt werden, der ebenfalls in Ohm gemessen wird. Der Widerstand bezieht sich auf Gleichstrom (DC), während die Impedanz ein Wechselstrom (AC) ist, der mit zunehmender Signalfrequenz wichtig wird und bei Leiterbahnen mit Signalkomponenten von 200 MHz oder mehr kritisch wird. Die Funktion eines Drahtes oder einer Leiterbahn besteht darin, die Signalstärke von einem Gerät zum anderen zu übertragen. Die maximale Signalstärke wird übertragen, wenn die Impedanzen aufeinander abgestimmt sind.
Eine TV-Antenne hat eine „natürliche“ Impedanz. Bei Hochfrequenz (HF) erfordert die Übertragung der maximalen Signalleistung von der Antenne auf die Kabel, dass die Impedanz des Kabels der Impedanz der Antenne entspricht. Außerdem muss die Impedanz des Fernsehers der Impedanz des Kabels entsprechen.
Obwohl wir uns auf Kabelverbindungen konzentrieren müssen, gelten die gleichen Überlegungen für die Signalübertragung über Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Noch 1997 erforderten nur die damals exotischen High-Speed-Geräte Leiterplatten mit kontrollierter Impedanz. Diese machten vielleicht 20 % der gefertigten Leiterplatten aus.
Im Jahr 2000 wurden etwa 80 % aller Multilayer-Leiterplatten mit Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz gefertigt. Dazu gehörten Leiterplatten für alle Arten von Technologien, einschließlich:
– Telekommunikation
– Verarbeitung von Videosignalen
– Digitale High-Speed-Verarbeitung
– Echte Grafikverarbeitung
– Prozesssteuerung
Die meisten Haushalte verfügen heute über eine große Anzahl von kostengünstigen Anwendungen dieser Technologien, zum Beispiel:
– Modem, Telefone, Satellitenfernsehen
– GPS
– Radar
– Videospiele
– Kostengünstige PCs
– Steuerungsmodule für Automotoren
Welche Arten von Impedanz-Designs können wir auf Leiterplatten finden?
Eingebetteter Mikrostreifen
Eine eingebettete Mikrostreifen-Übertragungsleitung besteht, ähnlich wie eine Mikrostreifenleitung, aus einem Leiter, in der Regel Kupfer, mit der Breite W und der Dicke t, der über eine Grundplatte gefräst wird, die breiter ist als die Übertragungsleitung selbst und durch ein dielektrisches Substrat der Dicke H1 getrennt ist.
Offset-Streifenleitung
Bei der Offset-Streifenleitung befindet sich die Leiterbahn zwischen zwei Ebenen, wobei der Abstand zwischen den beiden Ebenen gleich groß sein kann oder auch nicht. Diese Konstruktion wird oft als Duale Streifenleitung bezeichnet.
Kantengekoppelter beschichteter Mikrostreifen
Der kantengekoppelte Mikrostreifen ist eine differentielle Konfiguration, bei der sich zwei Leiterbahnen mit kontrollierter Impedanz auf der Oberfläche befinden, die mit einem Resist und einer Ebene auf der anderen Seite des Schichtstoffs beschichtet sind.
Kantengekoppelte Offest-Streifenleitung
Die kantengekoppelte Offset-Streifenleitung ist eine differentielle Konfiguration mit zwei Pfaden kontrollierter Impedanz, die zwischen zwei Ebenen liegen. Die Leiterbahnen sind versetzt, können aber auch auf halber Strecke zwischen den Ebenen liegen (2H1 + T = H)
Kantengekoppelte Streifenleitung
Bei dieser differentiellen Konfiguration sind zwei Leiterbahnen durch einen Schichtstoff getrennt und zwischen zwei Ebenen eingebettet. Obwohl das Diagramm den Versatz der Leiterbahnen zeigt, besteht das Ziel der Fertigung darin, die Leiterbahnen ohne Versatz zu haben, d. h. eine muss direkt über der anderen liegen
Beschichtete koplanare Streifen
Bei dieser Konfiguration mit beschichteten koplanaren Leiterbahnen gibt es eine einzelne Leiterbahn mit kontrollierter Impedanz und zwei Massebahnen mit einer bestimmten Breite (W2/W3) auf jeder Seite. Alle Leiterbahnen sind mit Resist beschichtet.
Beschichteter koplanarer Hohlleiter mit Masse
Der koplanare Hohlleiter hat eine einzelne Leiterbahn mit kontrollierter Impedanz mit Ebenen auf jeder Seite (oder sehr breiten Massebahnen), eine durchgehende Ebene auf der einen Seite und nur einen Schichtstoff auf der anderen Seite.
Versetzter koplanarer Hohlleiter
Der koplanare Hohlleiter ähnelt der obigen Konfiguration, mit der Ausnahme, dass sich auf beiden Seiten des Schichtstoffs Ebenen befinden und eine Ebene auf der gleichen Schicht wie die Leiterbahn mit kontrollierter Impedanz.
Wie wird die Impedanz kontrolliert?
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