Hochgeschwindigkeitsdesigns: die wichtigsten Anforderungen im Überblick

Wenn Sie zum ersten Mal ein Hochgeschwindigkeits-PCB entwickeln und bisher noch keine Gelegenheit hatten, sich mit den einschlägigen Anforderungen und Designprinzipien auseinanderzusetzen, stehen Ihnen einige Überraschungen bevor – ganz gleich, wie erfahren Sie sind. Denn der erfolgreiche Einstieg in den Hochgeschwindigkeitsbereich erfordert so manche Umstellung. Zum einen müssen Sie zahlreiche Designprinzipien verinnerlichen, bei denen es sich gewissermaßen um Erweiterungen der Ihnen bereits bekannten Regeln und Methoden handelt. Zum anderen müssen Sie sich – vor allem in puncto Routing – mit vollkommen neuen Ansätzen vertraut machen, die Sie möglicherweise noch nie in Betracht gezogen haben.

Dieser Beitrag bietet Ihnen einen Überblick über die wichtigsten Prinzipien, die bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen zu beachten sind. Die dabei angesprochenen Themen werden dann in künftigen Artikeln aufgegriffen und näher erörtert. Damit tragen wir der Tatsache Rechnung, dass es derzeit eine steigende Nachfrage nach qualifizierten Designern gibt, die die Hochgeschwindigkeits-PCBs der nächsten Generation entwickeln. Letztere sind unter anderem für neue Produkte für die digitale Kommunikation, die Luft- und Raumfahrt und das Internet der Dinge (IoT)  erforderlich. Wir hoffen, dass Sie diese Artikelreihe dazu motiviert, einer dieser visionären PCB-Designer zu werden.

^{Die Erstellung eines Hochgeschwindigkeitsdesigns erfordert viele zusätzliche Schritte, darunter beispielsweise die Vermessung und präzise Anpassung der Leiterbahnlängen.}

Wodurch zeichnet sich ein Hochgeschwindigkeitsdesign aus?

Bevor wir uns mit den Prinzipien der Entwicklung von Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen befassen, müssen wir zunächst klären, was „Hochgeschwindigkeit“ in diesem Zusammenhang bedeutet. Prinzipiell wird eine Leiterplatte als Hochgeschwindigkeits-PCB bezeichnet, wenn ihre intendierte Betriebsfrequenz so hoch liegt, dass dadurch die Schaltkreisperformance signifikant beeinträchtigt werden kann. Daneben zeichnen sich Hochgeschwindigkeitsdesigns durch spezifische Vorgaben in Bezug auf das Schaltungslayout, die Leiterplattenmaterialien, die Größe und Umgebung des PCBs sowie die Länge der Leiterbahnen aus. Eine grobe Faustregel besagt, dass PCB-Layouts für Frequenzen von mindestens 50 MHz zu den Hochgeschwindigkeitsdesigns zählen.

Welche Aspekte sind bei der Erstellung eines Hochgeschwindigkeitsdesigns zu berücksichtigen?

Bei der Erstellung eines Hochgeschwindigkeitslayouts unterliegen PCB-Designer zahlreichen Einschränkungen, die unter anderem aus den spezifischen Anforderungen in puncto Signalübertragung resultieren. Im Folgenden finden Sie eine kurze Aufstellung der wichtigsten Aspekte, die bei der Entwicklung eines Hochgeschwindigkeitsdesigns besondere Berücksichtigung finden müssen:

Schaltplanerstellung: Wenn Sie Elektroingenieur sind, stellen Sie möglicherweise andere Anforderungen an einen Schaltplan als ein PCB-Designer. Typischerweise dienen Schaltpläne als schematische Darstellung der elektrischen Verbindungen zwischen den Bauteilen einer Leiterplatte. Doch darüber hinaus können Sie sich damit sowohl die Strukturierung als auch die Präsentation Ihres Hochgeschwindigkeitsdesigns erleichtern.

Materialien und Lagenaufbau der Leiterplatte: Die Materialkomponenten und der Lagenaufbau Ihres Designs haben einen beträchtlichen Einfluss auf die späteren Eigenschaften Ihres Hochgeschwindigkeits-PCBs. Daher werden wir in späteren Beiträgen aus dieser Reihe ausführlicher auf gängige Werkstoffe und Methoden zur Festlegung eines passenden Lagenaufbaus eingehen.

Strategien zur Bauteilplatzierung: Es gibt spezielle Methoden zur Optimierung der Leiterplattenkonfiguration und der Footprints für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Der Einsatz dieser Verfahren ist unter anderem deshalb empfehlenswert, weil eine Anpassung der Bauteilabstände und der Lötflächen die Minimierung der Längen der Hochgeschwindigkeitsverbindungen erleichtert.

Stripline- und Microstrip-Routing: Die Erstellung eines Hochgeschwindigkeitsdesigns erfordert oft die Nutzung alternativer Routingverfahren. Um Ihnen diesen Schritt zu erleichtern, stellen wir in künftigen Beiträgen das Stripline- und Microstrip-Routing vor.

Übersprechen, Impedanzkontrolle und Parallelführung von Leiterbahnen: Es gibt verschiedene Störquellen, die die Funktionstüchtigkeit Ihres Hochgeschwindigkeitsdesigns beeinträchtigen können. Deshalb ist es wichtig, sich mit Methoden zur Unterdrückung dieser störenden Einflüsse vertraut zu machen.

Topologien und Best Practices für das Routing: In Hochgeschwindigkeitsdesigns müssen die Leiterbahnen oft in bestimmten Strukturen oder „Topologien“ angeordnet sein, damit die gewünschten Funktionen realisiert werden können. Hier bietet es sich an, verschiedene Möglichkeiten des Escape-Routings, der Gestaltung von Rückleitungen und der Dimensionierung der Leiterbahnlängen durchzuprobieren.

Differenzielle und asymmetrische Signalübertragung: Differenzielle Signalleitungen müssen in Hochgeschwindigkeitsdesigns unbedingt so gestaltet sein, dass Signal und Referenzsignal gleichzeitig an ihren jeweiligen Zielpunkten eintreffen. Und auch bei der asymmetrischen Signalübertragung bestehen spezifische Anforderungen an die Länge der Signalleiter. Entsprechende Routingtipps finden Sie in künftigen Beiträgen aus dieser Reihe.

Längenanpassung der elektrischen Verbindungen: In vielen Fällen muss die Länge der Signalleiter nicht nur einzeln oder in Paaren angepasst, sondern gruppenweise angeglichen werden. Auch hier sind effektive Routingstrategien zur Gestaltung der Leiterbahnen erforderlich.

Simulationen: Es ist äußerst empfehlenswert, Hochgeschwindigkeitslayouts in den verschiedenen Phasen des Designprozesses wiederholt in Simulationen zu testen. Aus diesem Grund sollten Sie sich unbedingt gründlich in die einschlägigen Funktionen Ihrer PCB-Designsoftware einarbeiten und alle Tricks und Kniffe rund um das Thema Simulation erlernen.

^{Hochgeschwindigkeitsanwendungen: eine aufregende neue Welt für PCB-Designer}

Von der Theorie zur Praxis

Wie Sie sehen, muss bei der Erstellung eines Hochgeschwindigkeitsdesigns eine ganze Reihe von wichtigen Aspekten berücksichtigt werden. Da erweist es sich als Glücksfall, dass Ihre CAD-Software für das PCB-Design vielfältige Funktionen bereitstellt, die Sie dabei unterstützen. Dazu zählen leistungsstarke Tools wie der Impedanzrechner, der Router für differenzielle Signalleitungen und eine Berichtsfunktion zur Ermittlung der Länge von Leiterbahnen, die mit nur einem Klick aufgerufen werden können.

Allerdings werden Ihnen diese Features und Funktionen nur dann nützlich sein, wenn Sie sich gut mit den spezifischen Anforderungen von Leiterplatten für Hochgeschwindigkeitsanwendungen auskennen. Deshalb sollten Sie sich unbedingt weiter mit diesem Thema beschäftigen! Versäumen Sie nicht unsere nächsten Beiträge, in denen wir die hier angerissenen Herausforderungen näher erläutern und passende Lösungen präsentieren.

Außerdem können Sie sich mit Ihren Fragen jederzeit an einen Experten von Altium wenden.

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