Impedanzkontrolliertes Routing für Platinen, erstellt in Altium Designer

Die Anforderungen an das Computing und die Anwendungen erfordern, dass Daten schneller verarbeitet werden als je zuvor. Da die Kommunikationsbänder an ihre Grenzen stoßen und neue Komponenten auf den Markt kommen, müssen PCBs mit höheren Datenraten und Frequenzen arbeiten. Netzwerk- und Rechenzentrumsanwendungen wie 100G und schnellere Ethernet-Verbindungen sowie fortschrittliche drahtlose Protokolle wie 5G und 6G werden weiterhin gut in den mmWave-Bereich und darüber hinaus operieren.

Diese Tatsachen bedeuten, dass Probleme der Signalintegrität wie Übersprechen, EMI, Klingeln und Impedanzkontrolle in fortgeschrittenen PCB-Designs immer kritischer werden. Analysewerkzeuge müssen in der Lage sein, Signalintegritätsprobleme in PCBs während der Designphase zu identifizieren und einige Einblicke in die Kompensation dieser Probleme zu bieten. Niemand möchte sein fertiges Board vom Hersteller erhalten, nur um es zu testen und festzustellen, dass die Bitfehlerraten extrem hoch sind. Hier werden Simulationstools entscheidend, indem sie Ihnen ermöglichen, die Quellen von Signalintegritätsproblemen zu finden, bevor Ihr Produkt auf den Markt kommt.

Die Designumgebung in Altium Designer^® umfasst jetzt einen fortschrittlichen 3D-Feldlöser, der sich in Ihren Layer Stack Manager integriert, um genaue Impedanzkontrolle, parasitäre Extraktion und Berechnungen der Ausbreitungsverzögerung zu ermöglichen. Wenn Sie nicht vertraut sind mit der Verwendung von Impedanzformeln in fortgeschrittenen Optimierungsmethoden, können Sie mit diesem integrierten Designtool die Leiterbahnbreite bestimmen, die Sie für eine impedanzkontrollierte Verdrahtung benötigen. Hier erfahren Sie, wie dies im regelbasierten Design-Workflow von Altium Designer funktioniert und wie Sie das integrierte 3D-Feldlöser-Tool am besten nutzen können.

Impedanzberechnungen: Formeln vs. Feldlöser

Bei fortschrittlichen Designs mit Breitbandsignalen, wie z.B. Hochgeschwindigkeitsdatenkanälen auf verlustarmen Laminaten, stellt die Dispersion im Dielektrikum eine Schwierigkeit bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs dar. Impedanzformeln für Standardgeometrien können einen großartigen Ausgangspunkt bieten, um die Leiterbahnbreite zu bestimmen, die Sie für impedanzkontrollierte Verdrahtung benötigen. Die genauesten Gleichungen werden mit konformaler Abbildung abgeleitet und erfordern eine numerische Technik, um die Leiterbahnbreite für eine gegebene Impedanz zu extrahieren.

Das Problem bei der Verwendung dieser Gleichungen besteht darin, dass sie es schwierig machen, die beste Leiterbahnbreite für die Verlegung von Breitbandsignalen zu bestimmen. Man kann die Dispersion in eine Impedanzgleichung einbeziehen, aber die daraus abgeleitete Leiterbahnbreite wird dann eine Funktion der Frequenz sein, was ein komplexes Optimierungsproblem darstellt, um die beste Leiterbahn zu ermitteln, die Abweichungen von der Zielimpedanz minimiert. Aus diesem Grund zwingen die meisten PCB-Design-Tools dazu, eine repräsentative Frequenz für die Berechnung der Leiterbahnbreite auszuwählen (normalerweise die Nyquist-Frequenz). Diese anderen Design-Tools und Online-Rechner berücksichtigen möglicherweise nicht den Verlustfaktor, Skin-Effekt-Verluste und Lastkapazität, wenn die Impedanz berechnet wird.

Hinzu kommen andere Probleme, die beim Entwurf von Übertragungsleitungen für Hochgeschwindigkeitssignale auftreten, wie Kupferrauheit. Eine bessere Methode zur Bestimmung der perfekten Leiterbahnbreite, die einer Zielimpedanz entspricht, besteht darin, einen integrierten Feldlöser zu verwenden, der Breitbanddispersion, Kupferrauheit und Skin-Effekt-Verluste umfasst. Ihr interaktiver Router wird dann Leiterbahnen mit der geeigneten Breite platzieren, sodass Ihre Leiterbahnen den definierten Impedanzwert haben, den Sie benötigen.

Einrichten von Impedanzberechnungen

Impedanzgesteuertes Routing in Altium Designer verwendet einen integrierten Feldlöser von Simberian. Dies beginnt, nachdem Ihre Schaltpläne fertiggestellt sind, aber bevor Sie mit dem Layout Ihrer Platine beginnen. Sie sollten diese Funktion einrichten, wenn Sie Ihren PCB-Stackup entwerfen. Nachdem Sie eine leere PcbDoc-Datei erstellt haben, können Sie im Menü „Design“ auf „Layer Stack Manager“ klicken. Nachdem Sie Ihren Stackup erstellt haben, können Sie mit der Berechnung der Impedanz für verschiedene Lagenpaare beginnen. Um den Impedanzwert, den Sie für verschiedene Lagenpaare benötigen, zu erhalten, müssen Sie auf den Impedanz-Tab am unteren Rand des Layer Stack Manager-Fensters klicken.

Erstellen von Impedanzprofilen

Von hier aus können Sie einseitige Impedanz- und differentielle Impedanzprofile für verschiedene Lagenpaare in Ihrem Stackup erstellen. Ein Impedanzprofil ermöglicht es Ihnen, eine spezifizierte Impedanz festzulegen, und das Tool gibt die Leiterbahnbreite zurück, die die Impedanz auf den gewünschten Wert setzt. Für differentielle Signale können Sie ein differentielles Profil erstellen und den Leiterbahnabstand zwischen differentiellen Paaren angeben, und der Impedanzprofiler gibt die benötigte Leiterbahnbreite zurück. Sie können auch den Abstand auf den Wert einstellen, den Sie möchten, und der Impedanzprofiler passt die Leiterbahnbreite entsprechend an.

Verwendung des Impedanzprofilers für eine 10-Lagen-PCB in Altium Designer.

Kombinierte einseitige und differentielle Impedanz

Bei Hochgeschwindigkeits-Differenzsignalstandards müssen Sie oft die differentielle Impedanz auf einen bestimmten Wert einstellen, während Sie gleichzeitig die einseitige Impedanz jedes Leiterbahnpaares auf seinen eigenen Wert einstellen (Ethernet ist ein Beispiel). Um dies zu tun, können Sie zwei Impedanzprofile für die relevanten Signale erstellen; ein einseitiges Profil und ein differentielles Profil. Dies erfolgt durch den folgenden Prozess:

1. Erstellen Sie ein einseitiges Impedanzprofil, um die für die Impedanzkontrolle in einseitigen Netzen erforderliche Breite zu bestimmen.
2. Erstellen Sie ein differentielles Impedanzprofil und setzen Sie die gewünschten Impedanz- und Toleranzwerte fest.
3. Kopieren Sie die Breite, die Sie aus dem einseitigen Profil ermittelt haben, in das differentielle Profil auf derselben Schicht.
4. Passen Sie den Abstand manuell an, bis die differentielle Impedanz den gewünschten Wert erreicht.

Das Bild unten zeigt diese Art der Impedanzkontrolle, bei der die differentielle Impedanz und die einseitige Impedanz für das differentielle Profil auf 85 Ohm bzw. 50 Ohm abgestimmt sind.

Definition von einseitigen und differentiellen impedanzkontrollierten Routingprofilen in Altium Designer.

Nachdem die relevanten Impedanzprofile definiert wurden, ist es an der Zeit, sie als Designregeln für die impedanzkontrollierte Verlegung zu aktivieren.

Verwendung von Designregeln für Impedanzkontrolle

Einzelne Netze

Die Designregeln, die Sie als Nächstes definieren, legen die Breite fest, die erforderlich ist, um Ihre benötigte Impedanz aufrechtzuerhalten. Um mit der Konfiguration Ihrer Designregeln zu beginnen, öffnen Sie den „PCB Rules and Constraints Editor“. Klicken Sie im Menü „Design“ und dann auf die Option „Regeln“. Wenn Sie sich die Liste auf der linken Seite des Editors ansehen, sehen Sie einen Eintrag für „Routing“. Klicken Sie auf Routing -> Breite. Im Bild unten ist das Profil für die einseitige Impedanz aktiviert (das Profil mit dem Namen S50), was den Router zwingt, Leiterbahnen mit der in Ihrem Impedanzprofil definierten Breite zu platzieren.

Das Einrichten von impedanzgesteuertem Routing in Altium Designer.

Es gibt zwei wichtige Punkte in diesem Dialog. Erstens können Sie wählen, ob die Impedanzkontrolle auf Leiterbahnen in spezifischen Signallagen oder mit spezifischen Signalleitungen angewendet werden soll. Hier wurde dies auf "NetR_BIAS_1" angewendet, das ein einzelnes Netz ist (nahe am oberen Rand des Dialogs ausgewählt). Zweitens könnten Sie das Impedanzprofil auch als allgemeine Designregel für alle Netze auf allen Lagen anwenden, indem Sie die Option "Alle Netze" auswählen. Sie können diese Option auch auf eine Netzklassifizierung anwenden, was automatisch die Regel auf mehrere Netze in einer einzigen Klasse anwendet.

Beachten Sie, dass Sie in der Tabelle unten im Dialog sehen können, welche Schichten im Impedanzprofil aktiviert sind. Hier wird die Regel nur auf TopLayer und BottomLayer während des Routings angewendet. Um andere Signallagen zu aktivieren, gehen Sie zurück in den Layer Stack Manager und öffnen Sie den Impedanz-Tab. Von hier aus können Sie andere Schichten aktivieren, auf denen Sie diese Designregel durchsetzen möchten.

Differentielle Paare

Um das differentielle Impedanzprofil anzuwenden, gehen Sie zur Option Routing -> Differentielle Paare Routing im PCB Rules and Constraints Editor. Von hier aus können Sie das differentielle Impedanzprofil aktivieren, das Sie im Layer Stack Manager konfiguriert haben. In diesem Fall wird der interaktive Router für differentielle Paare, wenn Sie ihn verwenden, die erforderliche Leiterbahnbreite und den Abstand durchsetzen, den Sie im Impedanzprofil definiert haben.

Ein Bild aus dem PCB Rules and Constraints Editor wird unten gezeigt, wo ein differentielles Impedanzprofil angewendet wurde, um die Impedanz aller Paare in einer Differentiellen Paar Klasse auf 90 Ohm festzulegen.

Genau wie die Regel für spezifische einzelne Netze oder Netzklassen durchgesetzt werden kann, kann die kontrollierte Impedanzführung für spezifische differentielle Paare oder Differentielle Paarklassen, wie oben gezeigt, durchgesetzt werden. Sie können die spezifischen Netze oder Klassen auswählen, auf die diese Regel oben im Dialog "PCB-Regeln und Einschränkungen" angewendet wird. Sie können auch spezifische Schichten aktivieren, auf denen die Regel zur Impedanzkontrolle durchgesetzt wird, genau wie es für einzelne Netze gemacht wurde.

Zeit, mit dem Routing zu beginnen

Jetzt, da der Schichtenaufbau abgeschlossen ist und die Impedanzkontrolle durch Ihre Designregeln aktiviert ist, können Sie mit dem Routing im PCB-Layout beginnen. Wenn Sie den interaktiven Router verwenden, werden Sie bemerken, dass "[Breite von: Regel bevorzugt]" in der Statusleiste am unteren Bildschirmrand erscheint, während Sie routen. Ihre Leiterbahnen werden auf Ihrer Platine mit vordefinierter Breite (und definiertem Abstand für differentielle Paare) erscheinen.

Impedanzkontrolle definiert automatisch Ihre Leiterbahnbreite, während Sie routen

Beim Verwenden der Routing-Tools für impedanzkontrollierte Netze (sowohl einseitig als auch differentiell) wird das Routing-Tool automatisch die von Ihnen in den Designregeln festgelegte Breite priorisieren. Es ist nicht notwendig, die Breite manuell anzupassen. Wenn Sie jedoch eine andere Breite anwenden möchten, gibt es mehrere Optionen, wie das Definieren von alternativen Prioritätsbeschränkungen pro Schicht oder das Definieren von raumbasierten Beschränkungen für spezifische Netze. Dies würde es Ihnen ermöglichen, die Breitenbeschränkung in verschiedenen Bereichen der Leiterplatte zu ändern, die automatisch vom interaktiven Router angewendet wird.

Schließlich ist die impedanzkontrollierte Verlegung in Ihrer Leiterplatte nicht genau, es sei denn, Sie führen Signalintegritätssimulationen durch, um die geeignete Breite für Ihre Leiterbahnen zu bestimmen. Einige dieser Aspekte können in Altium Designer untersucht werden, während andere eine externe Softwareanwendung erfordern. Einige der wichtigen Signalintegritätsmetriken, die Sie berücksichtigen können, sind:

• TDR-Reflexionswellenform
• Einzelbit-Antwortwellenform
• S-Parameter (S11 und S21)
• Augendiagramme für hohe serielle Datenraten
• Modusumwandlung (für differentielle Paare)

In Altium Designer ist es möglich, große Impedanzunterschiede am Empfangsende einer Verbindung zu untersuchen, indem man die Reflexionswelle betrachtet. Dies wäre die oben erwähnte Einzelbit-Antwortwelle. Dies ermöglicht die Identifizierung von Schwingungen und das Potenzial, die oberen/unteren Grenzen der Spannungsschwellenbereiche für den HIGH-Logikzustand zu überschreiten. Dies korrekt durchzuführen erfordert eine genaue Beschreibung der Schnittstelle für Ihre Signalkontakte, was Kenntnisse über die Logikfamilie des Pins oder die Verwendung eines IBIS-Modells voraussetzt. Einige Hersteller stellen IBIS-Modelle zum Download und zur Verwendung in Zeitbereichs-Signalintegritätsanalysatoren zur Verfügung, wie die Signal Integrity Analysis-Funktion in Altium Designer.

Der regelbasierte Designmotor in Altium Designer erleichtert die Implementierung eines impedanzkontrollierten Routing-Schemas. Wenn Sie ein bestehendes Design haben, das Probleme mit der Signalintegrität aufweist, kann der Signalintegritätssimulator durch mögliche Abschlussschemata iterieren und Ihnen die Ergebnisse zeigen, sodass Sie das richtige Schema zur Beendigung Ihrer Leiterbahnen auswählen können.

Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr über die Routing- und Signalintegritätswerkzeuge in Altium Designer zu erfahren.