Häufig gestellte Fragen über kontrollierte Impedanzen

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Applikationsschrift 118

Häufig gestellte Fragen über
kontrollierte Impedanzen


 

Vor wenigen Jahren waren impedanzkontrollierte Leiterbahnen nur Spezialanwendungen vorbehalten -  mittlerweile zählen sie zum Standard. Hier sind einige Antworten auf die am häufigsten gestellten Fragen:

1. Was ist RAMBUS®? -  meine Kunden fordern die Fertigung von Leiterplatten mit 28 Ohm Impedanz für diese Anwendung...

RAMBUS ist eine neue Hochgeschwindigkeits-Speicherarchitektur für PC´s, welche bei 800 MHz betrieben wird und eine Impedanzanpassung auf dem PC Motherboard und auf den Speichermodulen – sogenannten RIMM´s – erfordert. Die Impedanz des RAMBUS Systems beträgt  28 Ohm bei einer erlaubten Toleranz von 10%, was in der Praxis einem sehr engen Bereich entspricht. RAMBUS funktioniert nicht, wenn die Leiterplatten diesen Spezifikationen nicht entsprechen. Unter http://www.rambus.com können Sie weitere Informationen über RAMBUS erhalten. Polar produziert eine 28 Ohm IP Prüfspitze für das CITS500s Impedanzmessystem um den Test von RAMBUS Leiterplatten in einer Produktionsumgebung zu ermöglichen.

Kontaktieren Sie bitte Hermann Reischer bei Polar wenn Sie weitere Informationen über den Test von impedanzkontrollierten Leiterplatten mit dem Polar CITS wünschen.

2. Warum fordern immer mehr Entwickler kontrollierte Impedanzen?

Telecommunikationsgeräte und Computer arbeiten mit immer höheren Frequenzen und Taktraten. Konnten bei niedrigeren Frequenzen einige physikalische Gesetze noch vernachlässigt werden, so erfordern diese bei hohen Frequenzen besondere Beachtung. Bei hohen Frequenzen verhalten sich Leiterbahnen als Übertragungsleitungen und die elektrische Energie kann mehrfach reflektiert werden – ähnlich einer Welle auf einem See, welche auf ein Hindernis trifft. Impedanzkontrollierte Leiterbahnen sind speziell konstruiert, um elektrischen Reflektionen zu minimieren und eine fehlerfreie Übertragung zwischen der Leiterbahn und den Verbindungen zu gewährleisten.

3. Wie kann ich die Abmessungen einer impedanzkontrollierten Leiterbahn berechnen?

IPC D 317 bietet einige grundlegende Formeln und eine Anzahl von Berechnungswerkzeugen sind im Internet verfügbar. Polar´s SI6000b Impedanzberechnungssoftware wurde entwickelt um den nutzbaren Abmessungsbereich moderner Feinleitertechnik abzudecken. Si6000b verwendet komplexe Feldberechnungsmethoden um die Impedanz zu bestimmen.

4. Mein Kunde verlangt eine Messung der Leiterplatten bei 900 MHz. Ist das mit einem TDR-Testsystem möglich?

Ja, ein TDR-basierendes Impedanzmessystem eignet sich zum Test über einen weiten Frequenzbereich. Die Parameter, welche die Impedanz bestimmen (die Dielektrizitätskonstante Er) ändern sich nicht signifikant unterhalb von 3-4 GHz. Es ist daher unnötig kosten- und zeitintensiv, eine Einzelfrequenzmessung mit einem Netzwerkanalysator durchzuführen.  

5. Manche Impedanzmessysteme werden mit verschiedenen Impedanzprüfspitzen angeboten. Muss ich nun eine Prüfspitze einsetzen, welcher exakt der zu messenden Impedanz entspricht?

Wenn man ein TDR verwendet, so testet man auf dem flachen Teil der Messkurve. Es ist vollkommen in Ordnung, eine 50 Ohm Probe in allen Fällen einzusetzen, wenn ausreichend Leiterbahnlänge zur Erreichung einer flachen Messkurve vorhanden ist. Steht jedoch nur ein kurzer Testcoupon und somit keine ausreichende Länge für einen flachen Kurvenverlauf zur Verfügung, so verwenden Sie eine Prüfspitze mit einer Impedanz, die jener des Messobjekts entspricht.

6. Warum ist es wichtig, auf einem Testcoupon zu messen? Ist es nicht besser, die eigentliche Leiterbahn zu testen?

Testcoupons sind ideal für den Produktionstest. Sie haben Massepunkte nahe an der zu testenden Leitung und - wichtig für Striplines -  die internen Lagen sind miteinander verbunden. (Die Lagen auf dem eigentlichen Board sind nicht miteinander verbunden und beeinflussen somit die TDR-Messung.) Man erhält gültige Ergebnisse auf dem Board nur dann, wenn alle Stützkondensatoren bestückt sind.

7. Warum ist die Verbindung zwischen der Prüfspitze und dem Coupon so wichtig? Ist es möglich, eine Masseleitung zu verwenden, um eine Masseverbindung herzustellen?

Impedanzmessungen sind nur dann genau, wenn das Testsystem selbst impedanzkontrolliert ist – bis zur Prüfspitze! Eine schlechte Verbindung z.B. durch lange Masseleitungen oder Drahtschleifen verursacht Reflektionen welche das Messergebnis verfälschen. Einige Standardtestcoupons haben verschiedene Signal-Masseabstände. Eine komfortable Lösung hierfür stellt die Polar IP-50V Prüfspitze mit variablem Pinabstand dar, welche ausgezeichnete HF-Eigenschaften mit einer raschen Distanzanpassung kombiniert.

8. Vermehrt weisen Leiterplatten differentielle Strukturen auf. Wie unterscheiden sich diese von einer gewöhnlichen unsymmetrischen Struktur wie z.B. einer Microstrip?

Differentielle Strukturen werden meist für den Anschluss an Telekommunikationsleitungen wie z.B. „twisted pair“ verwendet. Der Vorteil von differentiellen Kabeln und Strukturen ist die Eigenschaft, eine sehr gute Übertragungsqualität bei starken Rauscheinflüssen ohne eine hohe Signalverstärkung zu bieten. Einfach erklärt, wird das Signal in eine Leitung des Leitungspaares eingespeist, gleichzeitig wird das invertierte Signal in die zweite Leitung des Leitungspaares eingespeist und übertragen. Während das Signal die Leitung entlangläuft, wird ein Rauscheinfluss identisch in beiden Leitungen (d.h. nicht invertiert) auftreten. Der Empfänger subtrahiert das Eingangssignal von der Leiterplatte oder dem Kabel und der Rauscheinfluss wird ausgelöscht. Übrig bleibt eine originalgetreue Kopie des Eingangssignals.

9. Unser Kunde fordert Leiterbahnen mit 100 Ohm Impedanz bei einer Toleranz von +/- 0.5 Ohm. Ist dies eine realistische Forderung?

Nicht wirklich – Hochfrequenzmessungen sind nicht so einfach durchzuführen wie eine Gleichspannungsmessung mit einem Multimeter. HF-Techniker sind meist sehr froh, eine Anpassung mit einer Abweichung von einigen Ohm zu erzielen. 50 Ohm Leiterbahnen weisen üblicherweise eine Toleranz von 5% auf, 75 Ohm ca. 15% und 100 Ohm bis zu 20%.

10. Wie erzielt man mit einem Impedanzmeßsystem rückführbare Messungen?

Referenzimpedanzstandards sind sehr selten verfügbar. Polar verwendet Maury Präzisions-Mikrowellen-Eichleitungen – hochgenaue mechanisch stabile Koaxial-„Röhren“. Diese Präzisions-Eichleitungen werden regelmäßig in einem NAMAS Labor kalibriert, indem die internen Abmessungen präzise bestimmt und die tatsächliche Impedanz mathematisch ermittelt wird.

11. Welche Frequenz hat das Pulssignal des CITS?

Das CITS arbeitet nicht bei einer speziellen Ausgangsfrequenz. Es beruht auf dem Prinzip der Zeitbereichs-reflektometrie (TDR),  welche die Reflektionen eines sehr steilflankigen elektrischen Impulses misst. In der Praxis wird eine Sequenz von schnellen Impulsen ausgesandt und eine Kurvenform aus einzelnen Abtastwerten zusammengesetzt. Die Pulsdauer beträgt ca. 25µs und die Pulswiederholzeit ca. 200µs. Dies bedeutet jedoch NICHT dass das CITS die Impedanz bei 1/200us oder 5kHz durchführt.

Der schnelle Pulsanstieg besteht nach der Fourieranalyse aus einem Frequenzgemisch. Deswegen wird bei der TDR-Messung – ob mit dem CITS oder einem anderen TDR – immer in einem größeren Frequenzbereich gemessen. Die höchste Frequenz in diesem Bereich wird durch die Bandbreite des Instruments bestimmt. Diese hängt unmittelbar mit der Anstiegszeit des Ausgangsimpulses zusammen. Im Fall des CITS ist die Anstiegszeit mit max. 200ps spezifiziert, dies entspricht einer mit Frequenz von 1.75 GHz Minimum.  (Bandbreite=0.35/Anstiegszeit)

12. Mein CITS zeigt gelegentlich einen hohen Rauschanteil auf der Messkurve. Wenn ich die Messung wiederhole, ist der Rauschanteil verschwunden. Wodurch wird dieser Effekt verursacht?

Stellen Sie sicher, dass sich kein Mobiltelefon oder anderes drahtloses Gerät in der Nähe des CITS oder RITS befindet.

Microstrip-Testcoupons haben ähnliche Abmessungen wie eine Mobiltelefonantenne und empfangen Signale vom Mobiltelefon. Selbst wenn Sie kein Gespräch führen, sendet das Gerät ab und zu und loggt sich bei der nächsten Basisstation ein. Dies verursacht fehlerhafte Messungen des CITS – wie auch bei jedem anderen HF-Messgerät.  

 


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