Techniken zur Beseitigung von Übersprechen in Altium Designer

Altium Designer
|  February 21, 2019
Schüler mit erhobener Hand

Erinnern Sie sich daran, als der Lehrer in der Schule eine Frage stellte und Sie die Antwort kannten? Sie und einige andere Schüler in der Klasse würden aufgeregt Ihre Hände heben und hoffen, dass der Lehrer Sie aufruft. Und wenn Sie das Glück hatten, dranzukommen, freuten Sie sich, dass Sie viel Zeit ins Lernen investiert hatten, während Ihre Freunde lieber draußen spielten. Während es für Sie schön war, ohne Unterbrechung sprechen zu können, bestand die Motivation des Lehrers darin, die Störung zu beseitigen, die auftritt, wenn mehrere Personen gleichzeitig sprechen.

Eine ähnliche Situation gibt es auf Ihrer Platine, auf der sich mehrere Signale auf verschiedenen Leiterbahnen gegenseitig stören können. Wenn Signale elektromagnetische Energie erzeugen, die auf parallele Leiterbahnen übertragen wird, spricht man von Kopplung. Die Kopplung zwischen Leitern kann sowohl gut als auch schlecht sein und wird als Verhältnis zwischen 0 und 1 (oder 0% und 100%) ausgedrückt. Beispielsweise können gebündelte Leiter oder verdrillte Kabel verwendet werden, um nahezu perfekte Kopplungsverhältnisse zu erzielen, die eine gute Signalübertragung unterstützen. Eine schlechte Kopplung oder Crosstalk (zu dt. Übersprechen) bezieht sich normalerweise auf die Störung eines Leiters aufgrund eines anderen benachbarten Leiters, die die Signalqualität verzerrt oder verringert.

Schauen wir uns die Ursachen für Übersprechen an und wie Altium Designer® Ihnen dabei helfen kann, die Auswirkungen von Crosstalk auf Ihrer Platine zu minimieren.

Was verursacht Crosstalk?

Crosstalk ist ein Signalintegritäts-Problem, mit dem PCB-Designer zu kämpfen haben. Typischerweise tritt dieses auf, wenn zwei verschiedene Signalausbreitungspfade zu nahe beieinander liegen und die natürlich auftretenden EM-Felder über den Raum hinausreichen, der die Leiter trennt. Da diese Störung unerwünscht ist, kann sie als Rauschen klassifiziert werden und die Reinheit des Signals verzerren oder verschlechtern, was zu Übersprechen führt.

Die Rolle von Bauelementen 

Da Elektronikprodukte immer kleiner werden, müssen auch die Platinen, aus denen sie bestehen, kleiner sein. Diese Dimensionsreduzierungen sind jedoch typischerweise mit Anforderungen an eine größere Funktionalität verbunden. Um diese Ziele, die sich zu widersprechen scheinen, zu erreichen, sind Bauelemente kleiner, weisen jedoch eine hohe Anzahl an Verbindungen oder Pins auf. Dies führt folglich zu einem engeren Abstand zwischen den Pins, was die kapazitive Kopplung fördert. Eine Kopplung zwischen Pins kann bei Verbindungen auftreten, die sich von dem Bauteil entlang der Platinenoberfläche erstrecken oder die von unten kommen, um den Signalfluss durch Durchkontaktierungen zu gewährleisten.

Die Rolle von Leiterbahnen 

Da Leiterbahnen mehr Platz auf Ihrer Platine beanspruchen, gibt es mehr Bereiche, in denen Übersprechen auftreten kann. Zum Beispiel an Pads oder am Anfang und Ende der Leiterbahnen sowie bei benachbarten Routen auf derselben Lage und zwischen Lagen. Das Übersprechen an Pads ähnelt dem zwischen den Pins eines Bauteils. Bei Leiterbahnen ist die Störung typischerweise auf Signalpfade ähnlicher Länge mit unzureichender Trennung im gleichen Winkel, oder auf eine einzelne Leiterbahn mit einer spitzen Winkelbiegung zurückzuführen. Wenn die Signallagen in Ihrem Lagenaufbau durch Dielektrika nicht ausreichend isoliert sind, kann es auch zu einem Übersprechen zwischen den Leiterbahnen auf verschiedenen Lagen kommen.

Techniken zur Beseitigung von Crosstalk in Altium Designer 

Es scheint, als wäre Crosstalk ein unüberwindbares Hindernis für eine gute Signalintegrität beim PCB-Design, insbesondere bei kleinen, dicht gepackten, komplexen Platinen. Sicherlich ist es eine bedeutende Herausforderung für das Design, aber es gibt Techniken, mit denen die Auswirkungen von Crosstalk auf den Betrieb Ihrer Schaltung verringert werden können. Um diese optimal nutzen zu können, müssen wir zunächst das Signal unserer Platine analysieren, um festzustellen, welche Übersprechung gegebenenfalls beseitigt werden muss. Altium Designer bietet genau dieses Tool zur Durchführung der Signalintegritätsanalyse (siehe unten).

Beispiel für eine Signalintegritätsanalyse zum Erkennen von Crosstalk
Beispiel für eine Signalintegritätsanalyse

Die Signalintegritätsanalyse in Altium umfasst die Möglichkeit, Signalanstiegszeiten, Abfallzeiten, Terminierung und Crosstalk zu überprüfen. Zusätzlich können Sie Modelle definieren und Regeln und Einschränkungen sowie andere Einstellungen für die Analysen festlegen. Sobald ein Übersprechproblem bestätigt wurde, sollte es behoben werden, indem Sie Ihr Leiterbahnen-Routing für dieselbe Lage oder benachbarte Lagen wie unten beschrieben ändern.

Garantieren Sie einen angemessenen Abstand zwischen den Leiterbahnen 

In den meisten Fällen ist die Ursache für Crosstalk ein unzureichender Abstand zwischen den gekoppelten Leitern. Folglich besteht die beste Lösung oder Technik zur Reduzierung darin, den Abstand zu vergrößern. In Altium Designer können Sie dies ganz einfach mithilfe von Highlights tun, sodass Sie einzelne Elemente und Leiterbahnen oder Gruppen gleichzeitig verschieben können. Befolgen Sie bei Änderungen an Ihren Leiterbahnen unbedingt die guten Tipps zum Routing von PCB-Layouts.

Screenshot von dem Altium Design zur Abstandsmessung von PCB
Legen Sie den Abstand zwischen Leiterbahnen mit Netzklassen fest

Minimieren Sie die Längen paralleler Leiterbahnen

Manchmal, beispielsweise bei Differentialpaaren, sollten Ihre Signalpfade idealerweise übereinstimmen. In diesen Fällen ist es das Designziel, dass Kupfergewichte, Leiterbahnenbreiten und -längen für beide Signale identisch sind. Im Gegensatz dazu besteht das Ziel bei parallelen Leiterbahnen für unterschiedliche Signale darin, deren Wechselwirkung oder Kopplung zu minimieren. Wenn ein ausreichender Abstand nicht möglich ist, können Sie eine Leiterbahn länger als die andere oder eine Leiterbahn senkrecht zur anderen ausführen, um Crosstalk zu verringern.

Verwenden Sie Masseebenen zum Trennen von Signallagen

Auch wenn es weniger häufig der Fall ist, als Crosstalk auf derselben Lage, kann eine Störung auch zwischen benachbarten Lagen im PCB-Lagenaufbau auftreten. Die Hauptursache für diese Art der Kopplung ist ein Mangel an Isolation der Signale aufgrund einer unzureichenden Isolierung zwischen den Lagen. Die Isolationsquelle zwischen benachbarten Lagen ist das dielektrische Material, auf das Kupferschichten geätzt werden. In Altium Designer können Sie Ihren Lagenaufbau ganz einfach mithilfe des in der folgenden Abbildung gezeigten Layer Stack Manager entwerfen. Hier können Sie den Materialtyp auswählen, die Dicke festlegen und die Dielektrizitätskonstante definieren.

Screenshot vom PCB-Lagenaufbau mit Altium
Definieren Sie Ihren PCB-Lagenaufbau mit dem Layer Stack Manager

Alternativ zur Verwendung unterschiedlicher Materialien für den Lagenaufbau können Sie auch Masseebenen zwischen Signallagen einfügen und somit die Isolation erhöhen. 

Crosstalk ist ein Problem der Signalintegrität, das sich auf Ihr PCB-Layout an fast jedem Punkt auswirken kann, an dem zwei Leiter nahe beieinander liegen. Die besten Techniken zur Beseitigung von Übersprechen sind solche, die entweder Platz oder Barrieren einfügen, um die Kopplung zu verringern. Bevor eine Technik angewendet werden kann, muss zuerst das Übersprechen identifiziert werden. Altium Designer bietet ein multifunktionales Signalanalysetool, mit dem Sie die Signale Ihrer Platine diagnostizieren und die besten Eliminierungstechniken ermitteln können. Wenn Sie Altium Designer testen möchten, können Sie hier eine kostenlose Testversion erhalten.

Weitere Informationen zu Techniken zur Beseitigung von Crosstalk, die Sie in Ihr PCB-Design integrieren können, erhalten Sie von einem Altium PCB-Design-Experten.

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PCB Design Tools für Electronics Design und DFM. Informationen für EDA-Führungskräfte.

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