Entwicklung und Herstellung von Hochfrequenz-Leiterplatten

Anbieter zum Thema

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Eurocircuits GmbH

APROS International Consulting Feyerabend, Dr. Gendo & Dr. Stäbler GbR

Reflexionen können Signale verfälschen

Neben der Dämpfung und damit Verformung von Signalen gibt es ein weiteres Phänomen, das bei hohen Signalfrequenzen auftritt: die Reflexion. Sie kommt immer dann vor, wenn die Signallaufzeit auf der Leiterbahn länger als die Impulsdauer ist. Bei Reflexionen kann es ebenfalls zu Signalverfälschungen kommen.

Man betrachtet eine Signalleitung, die Leiterbahn, als Parallelschaltung vieler kleinster Kondensatoren und einer Reihenschaltung vieler kleinster Induktivitäten und Widerstände. Der Einfachheit halber betrachten wir hier nur die Kapazitäten. In Wirklichkeit ist es etwas komplizierter.

Der Impuls wandert von Kondensator zu Kondensator: der nächste Kondensator wird geladen, während der vorherige entladen wird. Kommt dieser Impuls am Ende der Leitung an, will sich der letzte Kondensator entladen und dabei seine Ladungen dem nächsten Kondensator übergeben. Entscheidend ist nun, was sich am Ende der Leitung befindet: im Extremfall nichts.

Die Leitung ist offen. Damit gibt es aber auch keinen nächsten Kondensator. Der letzte Kondensator ist geladen, der vorherige aber entladen. Damit kehrt sich das Ganze um und der letzte Kondensator gibt seine Ladungen an seinen Vorgänger ab. Und so wandert der Impuls zurück, er wird reflektiert.

Dämpfungen und Reflexionen lassen sich in der Praxis nur mit einer sogenannten impedanzkontrollierten Leiterbahn verhindern. Dabei handelt es sich um eine Leistungsanpassung. Hierfür muss folgende Bedingung erfüllt sein: die Ausgangsimpedanz der Vorstufe muss gleich der Eingangsimpedanz der nachfolgenden Stufe sein.

Außerdem muss auch der Signalweg die gleiche Impedanz (Wellenwiderstand) haben. Als Formel geschrieben: Z_A = Z_L = Z_E. Ist diese Voraussetzung erfüllt, sind die frequenzabhängigen Dämpfungen und Reflexionen stark reduziert oder im Idealfall gar eliminiert.

Um dieser Formel gerecht zu werden, verwendet man meist die 50 Ω-Technik. Dabei sorgt der Bauteilehersteller dafür, dass die Ein- und Ausgangswiderstände (eigentlich: Ein- und Ausgangsimpedanzen) jeweils 50 Ω aufweisen. Um die oben beschriebene Bedingung einer Anpassung zu erfüllen, muss auch die Leiterbahn diesen Wellenwiderstand von 50 Ω besitzen. Jede Leiterbahn hat einen Wellenwiderstand, der in der Regel nicht bekannt ist.

Dieser Wellenwiderstand hängt von der Geometrie (Leiterbahnbreite, -dicke und Abstand zur Massefläche) und den elektrischen Kenngrößen des Basismaterials der Leiterplatte (Dielektrizitätszahl) ab. Um einer Leiterbahn einen ganz bestimmten Wellenwiderstand zu geben, müssen all diese Parameter entsprechend kombiniert werden.

(ID:44512717)