Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen: 5 wichtige Beschränkungen

Zachariah Peterson
|  Created: April 29, 2020  |  Updated: November 25, 2020
Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen: 5 wichtige Beschränkungen

Ihre moderne Digitalplatine wird höchstwahrscheinlich als Hochgeschwindigkeitsplatine eingestuft, unabhängig davon, ob Sie sich die Datenblätter Ihrer Komponenten angesehen haben. Wenn Sie mit dem Design beginnen, müssen Sie daher einige wichtige Punkte beachten. Abgesehen von Floorplanning und Stackup-Design muss Ihre Routing-Strategie innerhalb einiger wichtiger Beschränkungen funktionieren.

Nachdem Sie Ihren Schaltplan als Anfangslayout erfasst und eine erste Komponentenanordnung erstellt haben, ist es an der Zeit, Ihre Routing-Beschränkungen zu definieren. Wenn Sie dies frühzeitig tun, kann Ihre DRC-Engine Regelverletzungen erkennen, bevor Sie Ihr Layout fertigstellen. Ebenso können Sie den Standardregelsatz so modifizieren, dass er Ihren Layout-Anforderungen entspricht. Hier sind die wichtigsten Routing-Beschränkungen, die Sie überprüfen sollten, bevor Sie loslegen. 

Beschränkungen beim Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen

Bei der Arbeit mit Hochgeschwindigkeitssignalen sind die Routing-Strategie und -Beschränkungen wichtige Determinanten der Signalintegrität. Wenn Sie die richtigen Design-Beschränkungen definieren, können Sie typische Signalintegritätsprobleme in den folgenden Bereichen vermeiden:

  • Übersprechen: Dies hängt mit dem Leiterbahnabstand und der Geometrie zusammen;
  • Reflexionen: Diese hängen mit den Impedanztoleranzen und der Terminierung zusammen;
  • EMI-Empfindlichkeit: Diese hängt mit der Schleifeninduktivität für Ihre Leiterbahnen zusammen;
  • Transientes Klingeln: Dieses wird oft austauschbar mit Reflexionen verwendet, da die beiden Signalintegritätsprobleme ähnlich aussehen, sie sind jedoch unterschiedlich. Das Klingeln hängt mit der Schleifeninduktivität und eventuellen Störelementen (“parasitics“) auf der Platine zusammen.

 

Hier sind die wichtigsten Beschränkungen für das Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen. Wie wir sehen werden, geht es bei vielen dieser Beschränkungen darum, ein genaues Impedanzprofil für Ihre Platine zu erstellen.

Beschränkungen für Impedanzabweichungen

Da die meisten Leiterbahnen auf Ihrer Hochgeschwindigkeitsplatine wahrscheinlich länger als die kritische Länge der Übertragungsleitung sind, müssen Sie eine Impedanzsteuerung verwenden, um sicherzustellen, dass die Signale ohne Reflexionen empfangen werden. Ich habe eine Reihe von Signalintegritätsproblemen erwähnt, die durch Impedanzfehlanpassungen entstehen, aber das wichtigste ist die Hin-und-Her-Reflexion, die bei elektrisch langen Leitungen auftritt, wenn die Impedanzen falsch angepasst sind.

Ihr Signalisierungsstandard definiert eine zulässige Impedanzfehlanpassung zwischen einer Quelle, einer Übertragungsleitung und einer Last, und diese sollte beim Aufbau Ihres Stackups definiert werden. Als Teil eines impedanzkontrollierten Designs können Sie die zulässige Toleranz einer Leitung als Designregel in Ihrem Layer Stack Manager definieren. Sobald Sie dieses kontrollierte Impedanzprofil definiert haben, sind die Beschränkungen in Ihrem Designregel-Manager und in Ihren Routing-Tools verfügbar.

High-speed routing and impedance profile design
 Impedanzprofil für das Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen

Beschränkungen für Leiterbahnabstände und -breiten

Die Leiterbahnabstände bestimmen die Stärke des induktiven und kapazitiven Übersprechens in Hochgeschwindigkeitsdesigns. Wenn die Leiterbahnen zu dicht beieinander liegen, ist das Übersprechen zu groß. Bei Differentialpaaren ist die differentielle Impedanz zu niedrig, wenn Sie die Enden zu weit voneinander entfernt platzieren. Wenn Sie das richtige Impedanzprofil mit einem elektromagnetischen Solver in Ihrem Stackup-Manager berechnet haben, können Sie dieses Impedanzprofil zur Definition von Abweichungen in der Leiterbahnbreite und im Leiterbahnabstand verwenden.

Ein wichtiger Punkt ist auch die Bestimmung der zulässigen Breitenabweichungen. Sie können diese Abweichungen manuell einstellen, wenn Sie selbst einige Berechnungen durchgeführt haben oder wenn Ihre Spuren kürzer als die kritische Länge sind. Andernfalls ist es am besten, dies mit dem Impedanzprofil für Ihre Leiterplatte zu verknüpfen, um sicherzustellen, dass Ihre Leiterbahnen ihre Impedanzziele erreichen.

Differential pair routing constraints for high-speed signal routing
 Definieren von Routing-Beschränkungen für Differentialpaare

Beschränkungen für den Rückpfad

Der Rückpfad in Ihrer Leiterplatte bestimmt die gesamte Schleifeninduktivität für eine Schaltung, und die Verfolgung des Rückpfades ist ein kritischer Aspekt Ihrer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte. Selbst wenn Sie Erfahrung mit der Verfolgung des Rückpfads in Ihrer Leiterplatte haben, hilft es immer noch, eine Beschränkung in Bezug auf die zulässige Abweichung zwischen einer Signalspur und ihrer Referenzebene zu definieren.

Da der Rückpfad in Ihrer Leiterplatte die Gesamtimpedanz bestimmt, die von einem sich ausbreitenden Signal gesehen wird, muss die entsprechende Rückpfad-Beschränkung anhand Ihres berechneten Impedanzprofils definiert werden. Die zulässige Abweichung von Ihrer Zielimpedanz bestimmt die zulässige Abstandsänderung von Ihrer Referenzebene. Im Allgemeinen erzeugt eine größere zulässige Impedanzabweichung eine größere zulässige Rückpfadabweichung in Ihrer Leiterplatte.

Return path check in high-speed signal routing
 Rückpfadprüfung und Beschränkungen für eine Single-Ended 50-Ohm-Leiterbahn

Beschränkungen für die Länge von Leiterbahnen und Längenfehlanpassungen

Längenanpassungsbeschränkungen werden formuliert, um zwei mögliche Signalisierungsprobleme zu vermeiden:

  • Übermäßiger Verlust: Aufgrund von Dämpfung und Widerstandsverlusten gegenüber Kupfer, kommt es bei jedem Signal zu Verlusten entlang der Leiterbahn. Die Gesamtdämpfung entlang einer Leiterbahn kann bei hohen Frequenzen (~1 GHz und darüber) und über lange Leiterbahnen mehrere dB erreichen. Ein typischer Richtwert ist die Verwendung der Einfügedämpfung am Rand des Hochfrequenzbands, um einen Grenzwert für die Gesamtlänge zu definieren.

 

  • Zulässiger Versatz zwischen Leiterbahnen: Daten werden zwischen Komponenten auf mehreren Leitungen oft parallel gesendet. Differentialpaare erfordern zudem eine strikte Längenanpassung, um die Gleichtakt-Rauschunterdrückung zu gewährleisten. Mehrere Differentialpaare können verwendet werden, um Daten parallel zu leiten (z. B. der Eingang einiger Serializer-Komponenten). In all diesen Fällen muss eine Längenfehlanpassungsbeschränkung durchgesetzt werden, um sicherzustellen, dass parallele Daten gleichzeitig am Ziel ankommen und dass die Differentialpaare die gewünschte Gleichtakt-Rauschunterdrückung bieten.
Length matching in high-speed signal routing
Längenanpassung zwischen zwei Differentialpaaren mit Akkordeon-Muster. Diese Leiterbahnenpaare haben die gleiche Länge und jedes Ende des Differentialpaares hat die gleiche Länge.

Wenn Sie einen Systemtakt haben, der mit einer Reihe von anderen digitalen Leitungen in Ihrem System synchronisiert werden muss, kann die Längenanpassung ziemlich kompliziert werden. Dazu muss die Gate-Ausbreitungsverzögerung und die Signalausbreitungszeit entlang einer Verbindung berücksichtigt und diese dann zwischen den Verbindungen verglichen werden. Welche Leiterbahnlänge wählen Sie als Maximalwert?

Wenn Sie mehrere digitale Signale haben, die sich zwischen den Komponenten auf der gesamten Platine bewegen, wird kein Systemtakt verwendet. Stattdessen wird eine eingebettete Taktung oder eine quellensynchrone Taktung eingesetzt. Dies sind die Standardmethoden zur Entfernung redundanter Taktsignale bei der Arbeit mit verschiedenen Computerschnittstellen (z. B. DDR, PCIe usw.).

Beschränkungen für das Signalverhalten

Diese letzte Kategorie ist recht breit gefächert, da es in jeder Leiterplatte viele Quellen für Signalverzerrungen gibt. Darüber hinaus können transientes Signalverhalten oder Übersprechen ein Über-/Unterschwingen erzeugen. Selbst wenn Sie ein genaues Impedanzprofil haben, können Störfelemente außerdem die Impedanz bestimmter Leiterbahnen verändern und ein starkes reflektierendes Klingeln erzeugen.

Die genaue Grenze des Über-/Unterschwingens hängt von Ihren Rauschabständen und der Größe des undefinierten Bereichs an Ihren Empfängerkomponenten ab. Im Allgemeinen haben Komponenten mit niedrigerem Signalpegel niedrigere Rauschmargen, was ein geringeres Über-/Unterschwingen erfordert. Wenn Sie diese wichtigen Beschränkungen des Signalverhaltens in Ihre Designregeln aufnehmen, können Sie Netze mit stark transientem Verhalten identifizieren, die zu Über-/Unterschwingungen führen. Sie können dann Maßnahmen ergreifen, um Terminierungsschemata anzuwenden oder bestimmte Leiterbahnen so umzugestalten, dass sie ein geringeres Klingeln aufweisen.

High-speed signal routing and signal integrity
 Mit Ihren Signalintegritäts-Tools können Sie bei der Definition und Über-/Unterschreitung der Beschränkung ein übermäßiges Klingeln markieren.

Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen in einer einheitlichen Umgebung

All diese Aktivitäten sind viel einfacher, wenn Sie mit einer Designplattform arbeiten, bei der alles in einer einzigen Designumgebung integriert ist. Ihre Routing-Tools kennzeichnen Verstöße dann bereits während der Erstellung Ihres Layouts, so dass Sie nicht wiederholt DRCs ausführen müssen.

Hier kommt Altium Designer® voll zur Geltung: Sie müssen keine separaten Design-Tools verwenden, um einen Schaltplan zu erstellen, ihn als Layout zu erfassen, Ihre Signale zu routen und wichtige Signalintegritätssimulationen durchzuführen. Stattdessen läuft alles, was Sie brauchen, über eine regelgesteuerte Design-Engine, in der Layout- und Routing-Beschränkungen in allen Ihren Design-Tools zugänglich sind.

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About Author

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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