Die ultimative Einführung in die Signalintegrität bei hohen Geschwindigkeiten für PCB-Designer

Grundlagen der Signalintegrität

Signalintegrität bezieht sich auf die Qualität und Zuverlässigkeit elektrischer Signale, während sie durch eine PCB (Printed Circuit Board, gedruckte Schaltkarte) reisen. Bei der Hochgeschwindigkeits-PCB-Entwicklung ist die Aufrechterhaltung der Signalintegrität kritisch, da selbst geringfügige Signalverzerrungen zu Datenkorruption, Kommunikationsfehlern und einem Gesamtsystemausfall führen können. Faktoren wie Impedanzfehlanpassungen, Übersprechen, Signalreflexionen und Leistungsschwankungen können die Signalintegrität erheblich beeinflussen und erfordern daher eine sorgfältige Gestaltung und Analyse.

Verständnis von Impedanz in PCBs

Impedanz, im Kontext des PCB-Designs, ist der Widerstand, den ein Wechselstrom erfährt, während er durch einen Schaltkreis fließt. Diese Impedanz wird durch verschiedene Faktoren geformt, einschließlich der Breite und Dicke der Leiterbahnen, der Art des Dielektrikums, das zwischen diesen Bahnen verwendet wird, und der Gesamtkonfiguration der Schichten der PCB. Für Hochgeschwindigkeits-PCB-Anwendungen ist die Aufrechterhaltung einer einheitlichen Impedanz entscheidend, um Signalreflexionen zu vermeiden und eine zuverlässige Datenübertragung zu gewährleisten.

Um die Impedanzkonsistenz in Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs zu gewährleisten, werden mehrere strategische Techniken angewendet:

• Kontrollierte Impedanz-Leiterbahnen: Ingenieure entwerfen die Geometrien von Leiterbahnen – speziell ihre Breite und Abstände – um Zielimpedanzwerte zu erreichen. Fortgeschrittene Simulationswerkzeuge werden genutzt, um diese Impedanzniveaus vor der Produktion zu modellieren und zu validieren. Beispielsweise könnte eine Designanforderung das Festlegen einer 50-Ohm-Impedanz für bestimmte Signalleitungen sein. Durch Simulationen werden die Abmessungen der Leiterbahnen feinjustiert, um diese Spezifikation konsequent zu erfüllen.

• Differentielle Paare: Für robuste Hochgeschwindigkeits-Signalübertragungen werden Signale oft als differentielle Paare geroutet, was die gleichzeitige Übertragung von zwei komplementären Signalen beinhaltet. Diese Konfiguration stabilisiert nicht nur die Impedanz, sondern hilft auch, Störungen zu mindern. Eine gängige Anwendung findet sich in USB 3.0 Technologien, wo differentielle Paare die Signalintegrität verbessern und elektromagnetische Interferenzen reduzieren.

• Materialauswahl: Die Wahl des Substratmaterials kann die Impedanzstabilität erheblich beeinflussen. Die Auswahl von Materialien mit konsistenten dielektrischen Eigenschaften stellt sicher, dass die Impedanz über die gesamte PCB nicht variiert. Zum Beispiel wird oft das Standardmaterial FR4 aufgrund seiner stabilen dielektrischen Konstante gewählt, um die Impedanzuniformität über das gesamte Schaltbrett zu wahren (für Leiterbahnen, die nicht zu lang sind).

PCB-Stackup-Editor in Altium Designer mit integriertem elektromagnetischem Feldlöser

Reflexion und Signalabschluss

Signalreflexionen treten auf, wenn ein Signal auf seinem Weg auf eine Impedanzinkongruenz trifft, was dazu führt, dass ein Teil des Signals zurück zur Quelle reflektiert wird. Diese Reflexion kann das Signal verzerren, Datenfehler verursachen und die gesamte Signalintegrität verringern. Häufige Ursachen für Impedanzinkongruenzen sind abrupte Änderungen in der Leiterbahnbreite, Vias und Steckverbinder.

Abschlusstechniken werden verwendet, um die Impedanz der Übertragungsleitung mit der Last abzugleichen und somit Reflexionen zu minimieren:

• Serienabschluss: Dabei wird ein Widerstand in Serie mit dem Signal nahe der Quelle platziert. Es ist einfach und effektiv für kurze Leiterbahnen. Zum Beispiel könnte ein Serienwiderstand von 33 Ohm in einer Hochgeschwindigkeitsspeicherschnittstelle verwendet werden, um die Impedanz der Leiterbahn abzugleichen und Reflexionen zu verhindern.

• Parallelabschluss: Ein Widerstand wird am Ende der Leiterbahn platziert, um die Impedanz der Leitung abzugleichen. Diese Methode wird häufig für längere Leiterbahnen und Differenzialpaare verwendet. Beispielsweise könnte in langen Übertragungsleitungen innerhalb einer PCB ein 50-Ohm-Parallelwiderstand die Leiterbahn abschließen und Reflexionen eliminieren.

• AC-Terminierung: Diese Technik kombiniert resistive und kapazitive Elemente, um die Impedanz über verschiedene Frequenzen hinweg anzupassen. Zum Beispiel könnte eine AC-Terminierung einen 50-Ohm-Widerstand parallel zu einem Kondensator verwenden, um Hochgeschwindigkeitssignale zu terminieren, was eine breite Frequenzbereichsanpassung bietet (mit der Grenzfrequenz (fc), bei der die Impedanz des Terminierungsnetzwerks mit der Impedanz der Übertragungsleitung übereinstimmt, gegeben durch die folgende Formel: fc=1/2πRC)

Altium Designer Signal Integrity Tool ermöglicht es Designern, eine angemessene Leiterbahn-Terminierung festzulegen

PCB-Materialauswahl für Hochgeschwindigkeitsdesigns

Die dielektrische Konstante (Dk) und der Verlustwinkel (Df) von PCB-Materialien sind kritische Faktoren, um die Signalintegrität zu erhalten. Das Dk beeinflusst die Geschwindigkeit, mit der Signale sich ausbreiten, während der Df den Signalverlust über Distanz beeinflusst. Für Hochgeschwindigkeitsdesigns werden Materialien mit niedrigem Dk und niedrigem Df bevorzugt, um Signalverzerrung und -verlust zu minimieren.

Wichtige Materialeigenschaften, die die Signalintegrität beeinflussen, umfassen:

• Thermische Stabilität: Materialien mit hoher thermischer Stabilität gewährleisten eine konsistente Leistung unter variierenden Temperaturen. Zum Beispiel werden oft High-Tg FR4-Materialien in Hochgeschwindigkeitsdesigns verwendet, um eine stabile Leistung in Umgebungen mit schwankenden Temperaturen zu gewährleisten.

• Niedrige Feuchtigkeitsaufnahme: Materialien, die weniger Feuchtigkeit aufnehmen, behalten konsistente dielektrische Eigenschaften bei, was für Hochgeschwindigkeitssignale entscheidend ist. Materialien wie Rogers 3003, die eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen, werden in Hochgeschwindigkeitsdesigns verwendet, um sicherzustellen, dass die Signalintegrität auch in feuchten Umgebungen erhalten bleibt.

• Mechanische Stärke: Robuste Materialien widerstehen mechanischen Belastungen während der Herstellung und des Betriebs und bewahren die Signalwege. Polyimid ist ein Beispiel und wird oft für flexible PCBs aufgrund seiner ausgezeichneten mechanischen Stärke und Stabilität gewählt.

PCB-Materialauswahl im fortgeschrittenen Layer Stack Manager von Altium Designer

Leistungsintegrität und ihre Auswirkung auf die Signalintegrität

Leistungsintegrität bezieht sich auf die stabile Stromversorgung aller Komponenten auf einer PCB. Unzureichende Leistungsintegrität kann zu Spannungsschwankungen führen, die wiederum Probleme mit der Signalintegrität wie Jitter, Rauschen und Timing-Fehler verursachen. Die Aufrechterhaltung einer robusten Leistungsintegrität ist entscheidend, um die gesamte Signalintegrität in Hochgeschwindigkeitsdesigns zu gewährleisten.

Techniken zur Sicherstellung der Leistungsintegrität:

• Entkopplungskondensatoren: Diese Kondensatoren, die nahe an den Stromanschlüssen von ICs platziert werden, filtern Störungen heraus und sorgen für eine stabile Stromversorgung. Beispielsweise kann ein 0,1 µF Entkopplungskondensator, der in der Nähe des Stromanschlusses eines Hochgeschwindigkeits-FPGA platziert wird, hochfrequente Störungen herausfiltern und eine stabile Spannungsversorgung gewährleisten.

• Stromversorgungsebenen: Dedizierte Stromversorgungsebenen verringern die Impedanz und bieten eine stabile Spannungsreferenz für Hochgeschwindigkeitssignale. Zum Beispiel könnte eine mehrschichtige Leiterplatte separate Strom- und Masseebenen enthalten, um die Impedanz zu verringern und eine konsistente Stromversorgung für Hochgeschwindigkeitskomponenten zu gewährleisten.

• Sachgemäße Erdung: Eine niedrige Impedanz für Rückströme zu gewährleisten, reduziert Störungen und verbessert die Signalintegrität. Eine durchgehende Masseebene unter den Signallagen kann einen Weg mit niedriger Impedanz für den Rückstrom bieten, Störungen reduzieren und die Signalintegrität verbessern.

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Schlussfolgerung

Die Aufrechterhaltung der Signalintegrität bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs erfordert die Beherrschung von Impedanzkontrolle, Signalreflexion, Materialauswahl und Leistungsintegrität. Diese Techniken ermöglichen es Ingenieuren, zuverlässige Hochgeschwindigkeits-PCBs zu erstellen, die eine genaue Datenübertragung und robuste Systemleistung sicherstellen. Mit sorgfältiger Planung, Simulation und Zusammenarbeit mit Herstellern können Designer die Herausforderungen von Hochgeschwindigkeits-PCBs effektiv angehen.

Die kommende Signal Analyzer-Erweiterung von Keysight in Altium Designer bietet fortschrittliche Analysewerkzeuge, um Probleme mit der Signalintegrität zu lösen und wertvolle Einblicke für das Design von Hochgeschwindigkeits-PCBs mit Vertrauen und Präzision zu liefern. Wenn Sie mehr über diese Funktion erfahren möchten, schauen Sie sich unser Einführungsvideo hier an.