SIGNALINTEGRITÄT FÜR IHRENHIGH-SPEED-DESIGNPROZESS

Created: February 10, 2017
Updated: March 11, 2021

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Techniker lernen heute, dass Signale auf ideale, auf Theorien und Idealsimulationen basierende Weise von einem Sender zu einem Empfänger übertragen werden. Reale Anwendungen aber warten oft mit Überraschungen auf. In der Realität benehmen sich Signale häufig ganz anders als in den theoretischen Anwendungen, die an den Universitäten unterrichtet werden. Der Wechsel von der Theorie in die Praxis kann daher durchaus zu unvorhergesehenen Ergebnissen führen.

Signalintegrität für Ihren High-Speed-Designprozess

EINFÜHRUNG – WAS IST SIGNALINTEGRITÄT?

Wenn Strom durch eine kupferne Leiterbahn fließt, kann das Verhalten abhängig von der Energie, die der Treiber des Quellbauteils (Sender) bereitstellt, unterschiedlich ausfallen. Die High-Speed-Designprozess-Simulation für Signalintegrität ist die ideale Methode zur Qualitätsprüfung eines Signals, das eine kupferne Leiterbahn durchläuft, um die Sicherheit und Funktionalität des gesamten Systems zu gewährleisten. Die Signalintegritäts-Analyse ist ein nach dem Layout durchgeführter Simulationsprozess, der die Abläufe in der Realität und das Verhalten in der Alltagsanwendung des Produkts präzise abbildet, sodass Sie zuverlässigere Produkte entwerfen können.

WESHALB SOLLTE ICH BEUNRUHIGT SEIN?

High-Speed-Bauteile finden immer mehr Verwendung auf dem Markt, während der Anteil langsamer Bauteile weiter zurückgeht. Dieser Trend hält immer noch an, und die zunehmende Verwendung von High-Speed-Bauteilen stellt uns vor die Herausforderung, die Signalqualität in unseren komplexen Systemen während des Designprozesses aufrechtzuerhalten.

Ein Signal kann auf vielfältige Weise gestört werden, nämlich durch Verluste, Übersprechen, Reflexion, den Skin-Effekt und viele weitere Störungen. Diese Signalstörungen werden durch Technologien wie DDR 2/3/4 weiter verkompliziert, weil alle Signale gleichzeitig ankommen müssen, damit sie mit derselben Taktgeschwindigkeit aus dem Speicher gelesen werden können.

Zur guten Taktung der Signale werden oft schnelle Pin-Treiber eingesetzt, da diese auch genug Energie in die kupfernen Leiterbahnen einleiten. Obwohl diese Pin-Treiber zur Minimierung der Verluste der Signalintegrität beitragen können, sind lange Übertragungswege immer noch anfällig für Störeinflüsse.

Bei den folgenden theoretischen Anwendungen sollten Sie auf der Hut sein:

Die elektrische Übergangslänge (TEL) ist als die Bewegung einer elektromagnetischen Welle während eines Signalwechsels(Anstiegszeit (RT) / Abfallzeit (FT)) definiert:

  • TEL = RT/FT * Signalgeschwindigkeit

Eine Leiterbahn auf einem PCB aus FR-4 hat eine ungefähre Geschwindigkeit von:

  • 15 cm/ns (6 Zoll/ns)

Bei einer Anstiegs-/Abfallzeit von beispielsweise 300 ps bedeutet das:

  • TEL = 0,3 ns * 15 cm/ns = 4,5 cm (1,77 Zoll)

Wenn die Leiterbahn in der Länge 20 % der TEL überschreitet, entsteht eine Übertragungsleitung und es kommt zu Reflexionen:

Die Reflexion beginnt ab = 0,3 ns * 15 cm/ns * 0,2 = 9 mm (350 mil)

Und was heißt das alles? Kupferne Leiterbahnen, die länger als 9 mm (350 mil) sind, wirken als Übertragungsleitung und müssen beim Designprozess besonders beachtet werden.

SIGNALINTEGRITÄTS-RISIKOANALYSE

Da es verschiedene Arten von Störungen gibt, die sich negativ auf eine kupferne Leiterbahn auswirken können, bestehen auch zahlreiche verschiedene Risiken und Konsequenzen, die man beachten muss, wenn man die Signalqualität seines Systems nicht überprüft. Betrachten wir doch als Beispiel ein Reflexionsproblem. Das Signal wird vom Sender zum Empfänger geschickt, doch ein Teil des Energieüberschusses wird, wie in Bild 1 nachfolgend dargestellt, am Pin des Empfängers beobachtet.

Signalintegrität beim Designprozess gewährleisten: Bild 1 – Signalreflexionsproblem vom Sender zum Empfänger

Signalintegrität beim Designprozess gewährleisten: Bild 1 – Signalreflexionsproblem vom Sender zum Empfänger

Bei diesem Effekt können wir verschiedene Signalverzerrungen beobachten, zum Beispiel ein Überschwingen, das den Chip zerstören kann, oder ein Unterschwingen, das den Baustein zweimal schalten lässt. In der zweiten Situation muss außerdem das Rückschwingen beachtet werden, durch das der Baustein ebenfalls zweimal schalten könnte. In beiden Fällen ist die Gefahr groß, und das Signalqualitätsproblem wird sehr wahrscheinlich Mehrkosten für Prototypen und weitere Iterationen verursachen. Es kann sogar dazu kommen, dass Systeme ausfallen, wenn das Produkt bereits auf dem Markt ist. Neben den technischen Risiken müssen natürlich auch die Auswirkungen auf das Budget des Unternehmens berücksichtigt werden, denn mit jedem neuen Prototyp geraten die Kosten weiter außer Kontrolle.

Im schlimmsten Fall kommen die in der Prototypenphase nicht erkannten Probleme zusammen mit einigen Bugs und Problemen auf den Markt, die noch nicht einmal bemerkt wurden. In einer solchen Situation müssen Sie wahrscheinlich viele Ressourcen darauf verwenden, von Ihren Kunden retournierte Produkte zu reparieren oder zu ersetzen. Das Letzte, was Ihr Unternehmen möchte, ist ein Produktrückruf mit negativen Auswirkungen auf die Reputation Ihrer Marke und das Budget.

MÖGLICHE LÖSUNGEN FÜR IHREN DESIGNPROZESS

Wie können wir Probleme mit der Signalintegrität vermeiden und uns vor all diesen potenziellen Probleme schützen? Der erste Schritt ist, das auftretende Problem von Anfang an gründlich zu untersuchen. Außerdem müssen Sie im Designprozess gute Design-Entscheidungen treffen. Mit anderen Worten: Ohne einen konkreten Erfolgsplan sollten Sie nicht ins tiefe Wasser springen.

Was sollte Ihr Plan umfassen? Der übliche Ansatz ist die Impedanzanpassung der Übertragungsleitung. Dafür braucht es ein Routing mit definierter Impedanz. Wenn Sie eine weitreichendere Anpassung brauchen, können Sie einen Signalabschluss hinzufügen. Dadurch wird die Impedanz ebenfalls angepasst, sodass zu breite Leiterbahnen auf dem PCB vermieden werden. Das Abschlussbauteil absorbiert den Energieüberschuss auf der Übertragungsleitung und schützt so Ihren Empfänger.

Ein weiterer wichtiger Faktor zur Vermeidung von Störeinflüssen ist die Planung Ihres Rückstrompfades. Vermeiden Sie nach Möglichkeit ein Aufspalten der Stromversorgungsflächen in Bereichen unter (oder über) kritischen Signalen. Außerdem sollten Sie für diese kritischen Signale Sacklöcher und vergrabene Durchkontaktierungen benutzen, weil Stümpfe durchgehender Durchkontaktierungen als Antenne fungieren und unerwünschte Signalstörungen hervorrufen können.

WIE KANN ALTIUM DESIGNER IHNEN HELFEN?

Zu Altium Designer gehört ein vollständiges Analyse-Tool für die Signalintegrität, das Sie bei der Erkennung von Störungen und Signalverzerrungen auf Ihrer Platine unterstützen kann. Zunächst enthält es eine Analyse vor dem Layout, die eine Einschätzung der mögliche Probleme Ihres Projekts erstellt. Das ist dann hilfreich, wenn es darum geht, Signalprobleme frühzeitig im Designprozess zu erkennen und bessere Entscheidungen beim Layout zu treffen. In dieser Phase des Designs stellt die Analyse selbstverständlich keine Informationen über den realen Lagenaufbau zur Verfügung und kann höchstens Einschätzungen zu den Ergebnissen abgeben. Wenn die Platine mit dem Routing und allen Kupferflächen fertiggestellt wurde, kann die Analyse nach dem Layout genutzt werden, um die realen Signalstörungen zu erkennen.

Wie üblich werden Simulationsmodelle benötigt, um die Simulation auszuführen. Bei der Simulation der Signalintegrität sind IBIS-Modelle für alle integrierten Schaltungen erforderlich, mit denen die zu simulierenden Signale verbunden sind. Altium Designer kann IBIS-Modelle für grundlegende Bauteile wie Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Steckverbinder, Transistoren, Dioden und mehr verwalten ... Sie müssen sich nur mit den Simulationsmodellen für die integrierten Schaltungen befassen. Diese können Sie normalerweise von der jeweiligen Hersteller-Website herunterladen.

Wenn das Routing auf der Platine abgeschlossen ist und die IBIS-Modelle mit Ihren Bauteilen verknüpft worden sind, können Sie die Analyse-Simulation für die Signalintegrität starten. Führen Sie die Analyse aus und prüfen Sie die Qualität Ihres Signals. Wenn Sie unerwartete Störungen bemerken, sollten Sie die Simulation erneut ausführen. Diesmal sollten Sie jedoch etwaige Abschlüsse, die zum Signal hinzugefügt werden können, abwandeln. Altium Designer erzeugt Signale mit diesen Abschlüssen im selben Diagramm. So können Sie erkennen, welcher Abschluss zur Anpassung des kritischen Signals benötigt wird.

Jetzt wissen Sie, welchen Abschluss Sie brauchen, und können eine weitere Analyse durchführen, um den Wert für Ihr Bauteil zur optimalen Anpassung für die Signale zu bestimmen. Es handelt sich hier um eine parametrische Simulation, die den Wert des Abschlussbauteils variieren kann. So sehen Sie, welcher Wert den größten Nutzen hat.

Signalintegrität beim Designprozess gewährleisten: Bild 2 – Parametrische Simulation eines Pulldown-Widerstands als Abschluss

Signalintegrität beim Designprozess gewährleisten: Bild 2 – Parametrische Simulation eines Pulldown-Widerstands als Abschluss

ZUSAMMENFASSUNG

Mithilfe der Signalintegritätssimulation in Altium Designer können Sie vor und nach dem Designprozess ganz leicht durch die komplexen Bereiche Ihrer High-Speed-Platine navigieren. Aber es geht nicht nur um die Simulation. Sie sollten auch Zeit für die Planung Ihres Rückstrompfades, Ihrer Signaltaktung und Ihres Lagenaufbaus vorsehen, bevor Sie die Leiterbahnen routen. Mit einer Kombination aus Simulationen vor und nach dem Layout sowie mit sorgfältiger Planung können Sie jedes Mal für einwandfreie Signalintegrität innerhalb Ihres Designprozesses sorgen.

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