Analyse von High-Speed-PCB-Designs: Simulationen und Prüfung der Signalintegrität

Immer wenn der Sommer zu Ende geht, fahre ich mit meiner ganzen Familie voll kindlicher Aufregung zum State Fair, dem alljährlichen großen Jahrmarkt. Während des übrigen Jahres ist auf dem Jahrmarktsplatz nicht los, nur kleine Staubwirbel ziehen über die leere Fläche. Aber sobald der Jahrmarkt beginnt, brennt förmlich die Luft. Es gibt Stände mit Essen, Gebäude mit Tieren und Vorführungen und kleine Achterbahnen oder Karussells voll kreischender Kinder. Es ist ein ziemliches Kunststück, all diese beweglichen Teile am Laufen zu halten.

Ein PCB mit High-Speed-Signalen ist ebenfalls eine Jonglierübung aus Design, Bauteilen und High-Speed-Signalen. Diese High-Speed-Signale führen häufig dazu, dass ungewollte Wellenleitungen auf Ihrer Leiterplatte Unheil anrichten. Ein Großteil dieses Chaos hat seinen Ursprung im PCB-Layout selbst.

Wenn man weiß, welche Teile des Layouts zu diesem Problem beitragen, kann man schon bei der Planung der Leiterplatte Gegenmaßnahmen ergreifen. Ob die angewendeten Layouttechniken im Hinblick auf die Signalintegrität (engl. Signal integrity) die beste Vorgehensweise sind, kann man entweder mit langwierigen manuellen Analysen oder durch den Einsatz von Signal Integrity Simulationen herausfinden. Welche der hier vorgestellten Vorgehensweisen die beste für Ihre Leiterplatte ist bleibt natürlich Ihnen überlassen.

Unzulängliche Signalintegritäts-Simulationstools

Bei unzureichenden Signalintegritäts-Simulationstools entwickelt sich der Zauber schnell zum reinen Chaos. Der Impedanzrechner rechnet falsch. Die Berechnungen widersprechen dem Lagenaufbau und der Dielektrizitätskonstante des definierten Materials im Rahmen der PCB-Designregeln. Der Simulator setzt eine Rückleitung für die Modellierung an. Wenn also die Massefläche Unstetigkeiten aufweist, werden diese nicht in die Berechnung einbezogen. Der 3D Field Solver gibt völlig falsche berechnete Impedanzen für differentielle Paare aus.

Das Tool ist einfach und unterstützt keine der üblichen Optionen für das PCB-Layout unter Berücksichtigung der Designregeln. Dies schließt auch Regeln und Simulationen für Rigid Flex ein. Die Simulationsumgebung gibt schwer verständliche Wellenformen aus. Taucht man weiter ein, ist die manuelle Eingabe schwieriger Befehle erforderlich, um selbst einfache Abläufe zu beurteilen. Gleiches gilt für den 3D-Field Solver. Mit einer Benutzeroberfläche ohne die gewohnten Optionen zur Analyse elektrisch langer Leiterbahnen fehlt beim Layout der Leiterplatte jegliche Sicherheit in Sachen High-Speed-Signalintegrität.

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Die Ergebnisinterpretation ist ein Zeitgrab

Für die Durchsicht der Ergebnisse des Simulationstools gehen Stunden drauf, nur um die augenfälligsten Fehler zu analysieren. Sich in den Menüs zurechtzufinden, erfordert penibelste Arbeit. Zeit geht auch verloren, während man den Impedanzrechner durchgeht, nur um dann festzustellen, dass für die Berechnung der Leiterbahnimpedanz falsche Parameter angesetzt wurden. Noch mehr Zeit wird verschwendet, bis man bemerkt, dass die vom Simulator genutzten Parameter nicht den für das PCB-Layout vorgegebenen Netzregeln entsprechen. Wer hätte das gedacht?

Ohne die korrekten Parameter für die Eigenkapazität und Dielektrizitätskonstante des Materials kann man nicht sicher sein, ob die berechneten Impedanzen bei High-Speed-Signalen tatsächlich die Reflexionen und Oszillationen eindämmen.

Bei obskuren Umgebungs-Anomalien wie etwa einer fehlenden Bohrdatei versagt der Simulator. Bei der Vielzahl an PCB-Editoren und Einstellungen, die zum Einrichten der Simulation nötig sind, stört eine fehlende Bohrdatei den Einrichtungsprozess . Da ist es unvermeidlich, dass die Parameter, die in Editoren und Einstellungsmenüs festgelegt wurden, immer wieder in Frage gestellt werden.

Noch mehr Stunden werden vergeudet, während man Hilfeseiten und Anwenderhandbücher durchblättert, um Analysewerkzeuge zu verstehen, die High-Speed-Signale bezüglich ihrer Signalintegrität simulieren sollen. Wenn man dann endlich bei der Wellenform angelangt ist, die die Ergebnisse der Simulation darstellen soll, wird häufig Unsinn angezeigt. Es ist frustrierend, wirkungsvolle Werkzeuge zu besitzen, bei denen das Fehlen eleganter Benutzeroberflächen verhindert, dass man sie für seine Leiterplatten einsetzen kann. Schlussendlich hat man immer noch keine Integrität.

Wirkungsvolle Werkzeuge zum Identifizieren und Auflösen der Integrität

Wäre es nicht eine feine Sache, wenn der Impedanzrechner des Tools die in den PCB-Designregeln hinterlegten Materialparameter nutzen würde? Wenn ein Werkzeug Informationen, die in den allgemeingültigen Designregeln festgelegt sind, zur Berechnung der Impedanz verwendet, kann man sich viel sicherer sein, dass die Leiterplatte mit den richtigen Bauteilen und dem korrekten Layout als Ergänzung des Schaltkreisdesigns vom Hersteller zurückkommt.

Sobald die Simulation Parameter aus den PCB-Designregeln nutzt, wächst das Vertrauen in die Ergebnisse. Die Anzeige von Wellenformen, die die Ergebnisse der Simulation während der Schaltplanerfassung und des PCB-Layouts wiedergeben, hilft bei der konstruktiven Weiterentwicklung des Designs, wenn Entwickler und Layout-Designer sich um Signalintegritäts-Probleme und ihre Lösungen kümmern. Folglich ist Schluss mit den Unklarheiten, denn die Signalintegrität kann endlich vor der PCB-Herstellung validiert werden.

Altium Designer bietet präzise Wellenform-Analysen

Altium Designer enthält einen Impedanzformel-Editor im PCB Layer Stack Manager. Der Layer Stack Manager ist über das Pull-down-Menü in der PCB-Layoutumgebung einfach zugänglich. Der Impedanzformel-Editor enthält die korrekten Routing-Impedanzen für alle Topologien, von Microstrip bis Stripline, einschließlich eingebetteter, dualer und differentieller Netze. Die Standardformel ist im Editor für jede Topologie leicht zugänglich. So kann sie für jede Topologie-Formel mühelos innerhalb des Werkzeugs modifiziert werden. Alternativ kann die Impedanzformel auch bequem über den Query Helper aufgerufen und bearbeitet werden.

_{Der Impedanzformel-Editor ist über den Layer Stack Manager leicht zugänglich}

Sobald Impedanzen für Reflexionen und Oszillationen fester Bestandteil des PCB-Layouts sind, kann der Signalintegritäts-Simulator für die Analyse des Verhaltens von High-Speed-Signalen vorbereitet werden. Der Simulator akzeptiert die vom Designer definierten Signal-Stimuli. Der PCB-Designer schließt auch parametrische Eigenschaften von High-Speed-Signalnetzen ein wie zum Beispiel Überschwinger und Unterschwinger, Laufzeiten und Beschränkungen des Versorgungsnetzes.

Der Simulator nutzt diese Werte zur Anzeige von Ergebnissen im Wellenformanalyse-Fenster. Die resultierende Wellenform zeigt Signalintegritätsprobleme wie Oszillationen, Reflexionen, Übersprechen und Spannungsabfälle auf den High-Speed-Leitungen, die auf die Eigenschaften des PCB-Layouts oder der Filterbauteile zurückzuführen sind. Der PCB-Designer kann Impedanzen zur Maximierung der Signalintegrität anpassen und weitere Wellenformanalysen durchführen, bis das Design rauschfrei ist.

Altium Designer ist ein wirkungsvolles, einfach zu benutzendes Schaltplanerfassungs- und PCB-Layout-Werkzeug, bei dem Sie die Impedanzen von High-Speed-Leiterbahnen bei der Arbeit festlegen können. Die durchgängige Umgebung erleichtert die Handhabung und liefert die Ergebnisse, die Sie brauchen, um die Signalintegrität Ihrer Designs sicherzustellen, bevor Sie sie in die Produktion geben.
Wenn Sie auf der Suche nach einem EDA-Tool sind, das einfach zu handhabende Werkzeuge für ein PCB-Layout mit maximaler Signalintegrität bereitstellt, sollten Sie unbedingt mit einem Experten bei Altium sprechen.