Tipps und Richtlinien für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs

In diesem Artikel werden wir uns einige Tipps und Richtlinien für Hochgeschwindigkeits-Leiterplattendesigns ansehen.

Bei Hochgeschwindigkeitsdesigns sind typischerweise zwei Bereiche von Bedeutung. Der erste betrifft die Signalintegrität (SI) und Probleme im Zusammenhang mit Übersprechen aufgrund von Leiterbahnabständen, Reflexionen aufgrund von Impedanzfehlanpassungen, Dämpfung des Signals und Problemen wie Ringing. Natürlich möchten wir diese Probleme nach Möglichkeit minimieren. Zweitens beschäftigen wir uns mit elektromagnetischer Interferenz (EMI).

Bevor wir beginnen, muss ich ein fantastisches Video auf Altiums YouTube-Kanal von Rick Hartley über ordnungsgemäßes PCB-Design und wie man eine ordnungsgemäße Erdung erreicht empfehlen. Die in diesem Video ausführlich behandelten Themen sind besonders wichtig für Hochgeschwindigkeits-Digital- und Hochgeschwindigkeits-Analogdesigns. Stellen Sie sicher, dass Sie sich das Video hier ansehen.

Was ist ein "Hochgeschwindigkeits"-PCB-Design?

Bevor wir auf diese Hochgeschwindigkeits-PCB-Design- und Layout-Tipps eingehen, schauen wir uns an, wann wir uns überhaupt darum kümmern müssen!

Nehmen wir zum Beispiel an, dass wir in unserem Design ein 100 MHz Taktsignal haben und naiverweise annehmen, dass dies die höchste Frequenz in unserem System ist. Es stellt sich heraus, dass das Problem nicht eigentlich darin besteht, dass das Taktsignal eine Grundfrequenz von 100 MHz hat, sondern dass unsere Designprobleme von den Anstiegs- und Abfallzeiten dieses nahezu rechteckigen Taktsignals kommen.

Diese scharfen Übergänge von digital niedrig zu digital hoch (oder umgekehrt) enthalten weit höhere Frequenzinhalte als die Grundfrequenz. Gegeben die Anstiegs- und Abfallzeiten des Signals (je nachdem, welche von beiden schneller ist), können wir die maximale Frequenz innerhalb des Signals (oder eher die Bandbreite) ungefähr mit der folgenden Formel berechnen:

Zum Beispiel, für ein 100 MHz Taktsignal mit einer Anstiegszeit von 1 ns, beträgt die Bandbreite dieses Signals 500 MHz – ein ganz erheblicher Unterschied!

Wenn eine PCB-Leiterbahnlänge 1/12 der Wellenlänge im Dielektrikum überschreitet, müssen wir anfangen, unser PCB-Design viel detaillierter zu betrachten. Dies ist der Punkt, an dem unsere Leiterbahnen anfangen, wie verteilte Längen-Übertragungsleitungen auszusehen, und nicht mehr wie gebündelte Elemente. Wir nennen diese Länge die „kritische Länge.“

Tipp #1: Referenzebenen

Wir möchten immer eine Masse- oder relevante Stromversorgungsebene direkt unter (oder über) einer Ebene haben, die eine Leiterbahn trägt. In bestimmten Fällen können Sie anstelle einer Masseebene eine relevante Stromversorgungsebene als Referenz verwenden. Relevant bedeutet hier, dass die Spannung der Referenzebene dieselbe Spannung ist, von der das Signal abgeleitet wird. Referenzebenen sind nicht nur wichtig, um ordnungsgemäße Rückwege zu gewährleisten und die Ausbreitung elektromagnetischer Felder zu minimieren, sondern auch, wenn kontrollierte Impedanzleiterbahnen erforderlich sind. 

Für Wechselstromsignale, alles über ein paar kHz, befindet sich der Rückweg tatsächlich direkt unter der Signalleiterbahn in der darunterliegenden Referenzebene. Eine sehr wichtige Regel ist, dass es keine Unterbrechungen in der Referenzebene unter den Leiterbahnen geben sollte.

Tipp #2: Leiterplatten-Stack-Up

Wir möchten nicht nur eine Masseebene neben einer Signalebene, sondern auch neben einer Stromversorgungsebene haben. Es ist auch eine gute Idee, ein dünnes Dielektrikum zwischen den Ebenen zu haben, was uns eine enge Kopplung ermöglicht und es uns auch erlaubt, dünnere Leiterbahnen für dichtere Designs zu verwenden.

Dünnere Leiterbahnen geben uns zusätzlich mehr Platz zum Arbeiten und mehr Abstand zwischen den Leiterbahnen. Beachten Sie jedoch, dass die Herstellung dünner Leiterbahnen schwieriger sein kann.

Tipp #3: Kontrollierte Impedanz von Leiterbahnen

Sobald die Länge unserer Leiterbahn die kritische Länge überschreitet, die in der Einleitung dieses Artikels besprochen wurde, müssen wir die Impedanz unserer Leiterbahnen kontrollieren. Das bedeutet, wir müssen die Breite unserer Leiterbahn anpassen – abhängig von unserem gewählten PCB-Stackup und Aufbau – um uns eine bestimmte Übertragungsleitungs-Impedanz zu geben. Typischerweise wird dies 50 Ohm für einseitige Signale sein. Altium Designer verfügt über einen leistungsfähigen 2D-Feldsolver, der die erforderlichen Leiterbahnbreiten abhängig von Ihrem Stackup und Aufbau in Sekunden für Sie berechnen kann!

Tipp #4: Leiterbahnlänge, Abstand und die 3h-Regel

Wir müssen hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen so kurz wie möglich halten – das hilft bei EMI und SI. Zusätzlich wollen wir verschiedene Hochgeschwindigkeits-Leiterbahnen so weit wie möglich voneinander entfernt halten, um Nebensprechen zu minimieren.

Zusätzlich sollten Sie darauf achten, Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen von Komponenten wie Induktoren oder Leistungsteilen einer Schaltung fernzuhalten. Eine typische Faustregel ist die 3h-Regel, was bedeutet, dass die Leiterbahnen mindestens das Dreifache der Höhe des Dielektrikums zwischen der Signallage und der nächsten Masse- oder Referenzlage voneinander getrennt sein sollten.

Für leistungsstarke, hochgeschwindigkeitsorientierte Designs benötigen wir oft Simulationstools, um zu überprüfen, ob wir die erforderlichen Signalintegritäts- und EMI-Leistungen erfüllen.

Altium Designer auf Altium 365 bietet eine bisher in der Elektronikindustrie unerreichte Integration, die bisher der Welt der Softwareentwicklung vorbehalten war, und ermöglicht es Designern, von zu Hause aus zu arbeiten und nie dagewesene Effizienzniveaus zu erreichen. Es gibt auch zahlreiche Tutorials zum Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs, die mit zusätzlichen Richtlinien für das Design und Layout von Hochgeschwindigkeits-PCBs für Sie zum Nutzen bereitstehen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Sie können die Produktseite für eine detailliertere Beschreibung der Funktionen oder eines der On-Demand Webinare für weitere Informationen zu Hochgeschwindigkeits-PCB-Design und Layout-Techniken überprüfen.