Die jüngste Generation elektronischer Schaltungen muss zunehmend strengere Anforderungen erfüllen, wie die Miniaturisierung, die Nutzung von Hochfrequenzsignalen, eine hohe Bauteildichte und zunehmend komplexe Funktionen. Das Design der Leiterplatte, die die Grundlage jeder elektronischen Schaltung bildet, hat sich daher so entwickelt, dass zunehmend komplexe Anwendungen verwaltet werden können, mit Signalen, deren Frequenz ständig zunimmt. Vor diesem Hintergrund kommt der Impedanzkontrolle eine wichtige Bedeutung zu, sie ist ein wesentlicher Vorgang zur Sicherung der Signalintegrität, also der korrekten Ausbreitung des Signals ohne Verzerrungen, und zwar unter sämtlichen Einsatzbedingungen der Schaltung.
Mit wachsender Frequenz verhalten sich Leiterplattenbahnen wie Übertragungsleitungen, mit einem exakten Impedanzwert an jedem Punkt der Bahn. Verändert sich die Impedanz zwischen zwei Punkten, anstatt konstant zu bleiben, dann wird eine Signalreflexion erzeugt. Das reflektierte Signal, das entgegengesetzt zum Ursprungssignal verläuft, hängt stark vom Unterschied zwischen den Impedanzwerten ab. Es ist daher nötig, den Impedanzwert so konstant wie möglich zu halten, was wiederum von der Breite der Leiterbahn, ihrer Stärke, der Dielektrizitätskonstanten des für das Substrat verwendeten Materials (Ɛr), der Substratdicke und vom Layout der Leiterplattenbahnen abhängt. Für gewöhnlich liegen die Impedanzwerte zwischen 25 und 120 Ω.
Bei der Abnahme des Designs einer Leiterplatte, bei der der entlang der Übertragungsleitungen angenommene Impedanzwert auf praktischer Ebene überprüft wird, wird normalerweise die Messtechnik TDR (Time Domain Reflectometry) angewendet. Wenn ein Signal an einer Übertragungsleitung entlangläuft, kommt es theoretisch zu keiner Reflexion an die Quelle, und die gesamte Signalenergie kommt am Ziel an. Damit dies geschehen kann, müssen die Impedanzwerte an jedem Punkt der Übertragungsleitung und die Impedanz der Terminierungsleitung der Ausgangsimpedanz der Signalquelle entsprechen. Wird die Impedanz jedoch nicht konstant gehalten, wird unweigerlich ein Teil des Signals reflektiert.
TDR ist eine Technik, die das Impedanzprofil eines Prüflings (device under test - DUT) misst und auf der Verwendung eines Impulsgebers und eines Oszilloskops beruht (Abb.1). Dabei wird ein sehr schneller Impuls an das DUT gesendet: Bei einer Unterbrechung der Impedanz wird ein Teil dieses Impulses an das Oszilloskop reflektiert, welches als Überwachungssystem verwendet wird. Der Punkt in der Übertragungsleitung, an dem die Unterbrechung auftrat, kann dann durch Messen der Zeitspanne, die das reflektierte Signal für die Rückkehr zum Oszilloskop benötigt, bestimmt werden, sofern die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals entlang der Übertragungsleitung bekannt ist. Und schließlich lässt sich die Amplitude der Unterbrechung (und damit der Impedanzunterschied) durch Vergleich der Amplitude des reflektierten Impulses mit der des ursprünglich an das DUT gesendeten Impulses ermitteln. Da es sich bei dem übertragenen Impuls um ein Breitbandsignal handelt, liefert die TDR-Technik für ein breites Frequenzspektrum nützliche Informationen zu möglichen Impedanzveränderungen.
Abbildung 1: TDR-Anwendungsbeispiel (Quelle: Agilent Technologies)
Streifenleiter, die auf den äußeren Schichten der Leiterplatte verlegt sind, weisen eine hohe charakteristische Impedanz auf, die von Dielektrizitätkonstante und Dicke des Isoliermaterials sowie von der Breite und Stärke der Bahn abhängen. Die Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials sollte auf der Grundlage der Betriebsfrequenz der Schaltung bestimmt werden. Da die Signalübertragungsgeschwindigkeit mit steigender Dielektrizitätskonstante abnimmt, muss der Wert außerdem in einem möglichst niedrigen Bereich gehalten werden, wenn mit Hochfrequenzsignalen gearbeitet wird (1 GHz oder höher). Neben der Dielektrizitätskonstanten zu berücksichtigende Faktoren sind Breite und Stärke der Leiterbahnen. Diese Faktoren haben einen enormen Einfluss auf den Impedanzwert und sollten daher auch im Hinblick auf die Erfüllung dieser Anforderung bereits in der Auslegungsphase festgelegt werden, genau wie die maximale Strom- und Temperaturveränderung. Die Dicke des Isoliermaterials ist ein weiteres entscheidendes Element bei der Festlegung der charakteristischen Impedanz. Tatsache ist, dass bereits eine um nur 0,025 mm höhere Prepregstärke zu einer Impedanzveränderung zwischen 5 und 8 Ω führen kann. Während der Leiterplattenfertigung kann die Stärke des Prepregmaterials daher so angepasst werden, dass der gewünschte Impedanzwert erzielt wird, bei unverändertem Wert der übrigen Parameter. Streifenleitungen sind eine Übertragungsleitungsart, die häufig bei Hochfrequenzschaltungen verwendet wird, also beispielsweise bei Antennen, Filtern, Kupplungen und Leistungsteilern. Da bereits eine minimale Veränderung der Breite oder Stärke der Leiterbahn, der Dielektrizitätskonstanten oder der Dicke des Isoliermaterials zu einer deutlichen Veränderung der Impedanz führen kann, muss sowohl in der Auslegungsphase als auch während der Fertigung unbedingt auf eine direkte Überprüfung dieser Parameter geachtet werden, um die erwarteten Impedanzwerte garantieren zu können.
Die 1950 von M. Barrett im Air Force Forschungszentrum in Cambridge entwickelten symmetrischen Streifenleitungen waren die ersten planaren Leitungen. Eine symmetrische Streifenleitung (oder Stripline) wie rechts in Abb. 2 zu sehen besteht aus einem planaren Metallstreifen, der zwischen zwei parallelen Grundplatten liegt, wobei das Isoliermaterial des Substrats als Dielektrikum fungiert. Die Breite des leitenden Streifens, die Substratstärke und die relative elektrische Leitfähigkeit des Materials bestimmen die charakteristische Impedanz der Stripline. Zu beachten ist, dass der Mittelleiter nicht unbedingt gleich weit von den Grundplatten entfernt sein muss und dass das Dielektrikummaterial über und unter der leitenden Bahn unterschiedliche Eigenschaften aufweisen kann.
Sowohl für Streifenleitungen als auch für symmetrische Streifenleitungen lassen sich die Impedanzwerte mit guten Näherungswerten mithilfe eines der vielen verfügbaren Onlinetools oder mit speziellen Softwareanwendungen, die auf Ihrem PC installiert werden müssen, bestimmen.
Abbildung 2: Streifenleitung und symmetrische Streifenleitung
Generell ist es eine gute Regel, dass Leiterplattendesigner explizit angeben, welche Signale eine Impedanzkontrolle erfordern. Bei diesem Vorgang ist das Bauteil-Datenblatt eine unverzichtbare Hilfe, da es normalerweise detaillierte Angaben zu jeder Signalklasse und zu den entsprechenden Impedanzwerten enthält. Häufig ist auch angegeben, auf welcher Schicht die einzelnen Signale verlegt werden sollten und welche Abstandsregeln zwischen den Bahnen einzuhalten sind. Beispiele für Signale, bei denen diese Regel unbedingt beachtet werden muss, sind die Takt- oder Datenleitungen von DDR-Speichern, Audio- und Videosignale (wie die HDMI-Schnittstelle), Gigabit-Ethernet-Signale oder Radiofrequenzsignale (RF).
Der Designer muss daher spezifizieren:
Es ist äußerst wichtig, dass Bahnen mit kontrollierter Impedanz weit genug auseinander liegen und ebenso genügend Abstand zu den übrigen Bahnen und den verschiedenen Bauteilen der Leiterplatte haben. Als gängige und sehr effektive Faustregel gilt ein Mindestabstand von „2W“ (noch besser „3W“), wobei „W“ für die Breite der Bahn mit Impedanzkontrolle steht.
Um Nebensignale zu reduzieren oder wenn möglich ganz zu beseitigen, sollte auch hier für den Abstand die „3W“ bzw. „2W“-Regel berücksichtigt werden. Es sollte beachtet werden, dass dieses Phänomen hauptsächlich Streifenleitungen betrifft, während symmetrische Streifenleitungen (die zwischen Isoliermaterial liegen) weniger von diesem Phänomen betroffen sind.
Bei Hochfrequenzsignalen sollte der Mindestabstand auf „5W“ vergrößert und ein Mindestabstand von 30 mils (0,762 mm) zu anderen Signalarten gehalten werden. Bei periodischen Signalen (wie Taktsignalen) sollte dieser Abstand auf 50 mils (1,27 mm) erhöht werden, um eine höhere Isolierung zu erreichen.
Bauteile und Durchkontaktierungen sollten nie zwischen Differenzialsignalpaaren platziert werden, auch wenn die Signale symmetrisch um sie herum geroutet werden. Denn Bauteile und Durchkontaktierungen führen zu Unterbrechungen beim Impedanzwert, was zu möglichen Problemen mit der Signalintegrität führen kann.
Existieren auf der Leiterplatte Paare von differenziellen Hochgeschwindigkeitssignalen mit seriellen Kopplungskondensatoren, sollten sie symmetrisch angeordnet werden. Da die Kondensatoren zu Unterbrechungen beim Impedanzwert führen, reduziert eine symmetrische Anordnung das Ausmaß der Signalunterbrechung.
Angenommen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals bleibt auf allen Bahnen gleich, lässt sich durch die Abstimmung der Bahnlängen eine Ausbreitungsverzögerung zwischen verschiedenen Signalen vermeiden. Dies passiert normalerweise bei Signalgruppen, die sich in hoher Geschwindigkeit gemeinsam ausbreiten und ihr Ziel gleichzeitig erreichen sollen (oder innerhalb einer sehr eng bemessenen Toleranzzeit). Als Beispiel hierfür lassen sich die Datenleitungen eines DDR-Speichers nennen.
Dasselbe gilt für die Länge der Bahnen, die zu Differenzialsignalpaaren gehören. Findet kein Längenabgleich statt, kommt es zu einer inakzeptablen Verzögerung zwischen positiven und negativen Signalen. Auf praktischer Ebene werden verschiedene Techniken genutzt, um eine Angleichung der Längen zu erzielen; die gängigste Methode ist das Einfügen von Serpentinen auf kürzeren Spuren, um ihre Länge an die der anderen Bahnen anzugleichen (siehe Abb. 3). Die Geometrie der Serpentinenspuren muss sorgfältig gewählt werden, damit Impedanzunterbrechungen reduziert werden.
Abbildung 3: Einfügen von Serpentinen auf kürzeren Spuren (Quelle: Altium)