Einführung in das High-Speed PCB-Design: Methoden zur Beseitigung von Übersprechen

Vor kurzem bei einer Hochzeitsfeier versuchte ich mich mit einem Herrn zu unterhalten, der mit mir am selben Tisch saß. Leider saß eine Frau zwischen uns und führte ein Gespräch mit jemandem, der auf meiner anderen Seite saß. Bei all dem Getöse der Hochzeitsfeier im Hintergrund war das Gespräch ohnehin schon schwierig. Aber das parallel stattfindende Gespräch unserer Sitznachbarn machte unsere Unterhaltung unmöglich. Dies war ein Fall von Übersprechen!

Übersprechen während eines Gesprächs ist mitunter sehr ärgerlich, aber Übersprechen in Ihrem PCB-Layout kann verheerend sein. Wenn das Übersprechen nicht korrigiert wird, kann es dazu führen, dass Ihre fertige Leiterplatte entweder überhaupt nicht funktioniert oder von periodisch auftretenden Problemen geplagt wird. Werfen wir also einen Blick darauf, was Übersprechen ist und was Sie tun können, um es zu beseitigen.

Was ist Übersprechen im High-Speed PCB-Design?

Übersprechen im High-Speed PCB-Design ist die unbeabsichtigte elektromagnetische Kopplung zwischen Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Diese Kopplung kann dazu führen, dass die Signalimpulse einer Leiterbahn das Signal der anderen Leiterbahn überlagern, obwohl sie sich nicht physisch berühren. Dies kann passieren, wenn der Abstand zwischen parallelen Leiterbahnen gering ist. Selbst wenn die Leiterbahnen den Mindestabstand für Fertigungszwecke einhalten, reicht dieser für elektromagnetische Zwecke möglicherweise nicht aus.

Denken Sie an zwei parallel zueinander verlaufende Leiterbahnen. Wenn das Signal in der einen Leiterbahn mehr Amplitude hat als das Signal in der anderen, kann es dieses aggressiv beeinflussen. Das Signal in der "Opfer"-Leiterbahn beginnt dann, die Eigenschaften der "Aggressor"-Leiterbahn nachzuahmen, anstatt das eigene Signal zu leiten. Wenn dies geschieht, haben wir einen Fall von Übersprechen. 

Beim Übersprechen geht man in der Regel von einem Phänomen aus, das zwischen zwei parallelen Leiterbahnen auftritt, die nebeneinander auf derselben Lage verlaufen. Noch größer ist jedoch die Möglichkeit, dass es zu einem Übersprechen zwischen zwei parallelen Leiterbahnen kommt, die auf benachbarten Lagen nebeneinander verlaufen. Dieses Ereignis nennt man Breitseitenkopplung und es tritt mit größerer Wahrscheinlichkeit auf, da die beiden benachbarten Signallagen durch eine sehr geringe Kerndicke getrennt sind. Diese Dicke kann 4 mils (0,1 Millimeter) betragen, was manchmal kleiner ist als der Abstand zwischen zwei Leiterbahnen auf derselben Lage.

Beseitigung des Potentials für Übersprechen aus Ihrem Design

Glücklicherweise sind Sie dem Übersprechen nicht hilflos ausgeliefert. Indem Sie Ihre Leiterplatte so gestalten, dass das Potential von Übersprechungsituationen minimiert wird, können Sie diese Probleme vermeiden. Wir zeigen Ihnen nun einige Designtechniken die Ihnen helfen, die Möglichkeit des Übersprechens auf Ihrer Leiterplatte zu vermeiden und zu beseitigen:

1. Halten Sie einen möglichst großen Abstand zwischen differentiellen Paaren und anderem Signal-Routing ein. Es gilt die Faustregel: Abstand = 3-fache Leiterbahnbreite.

2. Halten Sie einen möglichst großen Abstand zwischen Clock-Routing und anderem Signal-Routing. Es gilt auch hier die Faustregel: Abstand = 3-fache Leiterbahnbreite.

3. Halten Sie einen möglichst großen Abstand zwischen verschiedenen Sätzen von differentiellen Paaren ein. Hier sieht die Faustregel einen etwas größeren Abstand vor, nämlich die 5-fache Leiterbahnbreite.

4. Asynchrone Signale (wie RESET, INTERRUPT usw.) sollten weg von Bussen und Hochgeschwindigkeitssignalen geroutet werden. Sie können jedoch neben Ein- und Ausschalt- oder Power-Up-Signalen geroutet werden, da diese Signale während des normalen Betriebs der Leiterplatte selten verwendet werden.

5. Stellen Sie sicher, dass zwei Signallagen die im Lagenaufbau nebeneinander liegen, abwechselnd horizontale und vertikale Routing-Richtungen aufweisen. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Breitseitenkopplung, da die Leiterbahnen nicht parallel übereinander verlaufen.

6. Eine bessere Möglichkeit potentielles Übersprechen zwischen zwei benachbarten Signallagen zu reduzieren, besteht darin die Lagen mit einer dazwischenliegenden Massefläche in einer Mikrostreifenkonfiguration zu trennen. Die Massefläche vergrößert nicht nur den Abstand zwischen den beiden Signallagen, sondern bietet auch den erforderlichen Rückweg für die Signallagen.

^{Ihre PCB-Design-Tools und Anwendungen von Drittanbietern können Ihnen helfen, Übersprechen zu vermeiden.}

Wie Ihre Designsoftware Ihnen hilft, Übersprechen beim High-Speed PCB-Design zu vermeiden

PCB-Design-Tools verfügen über eine Vielzahl von Funktionen, die Ihnen helfen Übersprechen in Ihren Designs zu vermeiden. Leiterplattenlagen-Regeln helfen Ihnen, Breitseitenkopplung zu vermeiden, indem Sie Routing-Richtungen festlegen und einen Microstreifenaufbau erstellen. Mit Netzklassenregeln können Sie Gruppen von Netzen, die anfälliger für Übersprechen sind, einen größeren Leiterbahnabstand zuweisen. Differentialpaar-Router routen Ihre Differentialpaare als eigentliches Paar zusammen, anstatt sie einzeln zu routen. Hierdurch wird der erforderliche Abstand der Differentialpaarlagen zueinander und zu anderen Netzen eingehalten, um ein Übersprechen zu vermeiden.

Zusätzlich zu den eingebauten Funktionen Ihrer PCB-Design-Software gibt es andere Tools, die Ihnen helfen können, Übersprechen auch bei der Entwicklung von High-Speed-Leiterplatten zu vermeiden. Es stehen verschiedene Übersprechrechner zur Verfügung, die Ihnen helfen die richtige Leiterbahnbreite und den richtigen Abstand für Ihr Routing zu bestimmen. Es gibt auch Signalintegritätssimulatoren, mit denen Sie Ihr Design auf mögliche Übersprechprobleme analysieren können.

Übersprechen kann ein großes Problem für eine Leiterplatte darstellen, wenn es nicht unterbunden wird. Nachdem Sie jetzt mit der Problematik vertraut sind, werden Sie in der Lage sein Übersprechen zu verhindern. Die hier besprochenen Designtipps sowie die Funktionalität Ihrer PCB-Design-Software werden Ihnen helfen, ein übersprechfreies Design zu erstellen. 

Bei PCB-Design-Software wie Altium Designer ist die erweiterte Funktionalität, die wir hier besprochen haben bereits integriert. Würden Sie gerne mehr darüber erfahren, wie Altium Ihnen helfen kann Übersprechen und andere Signalintegritätsprobleme in Ihrem PCB-Design zu umgehen? Sprechen Sie mit einem Experten von Altium.