Leiterplatten-Routing: Routing-Richtlinien für einzelne und differentielle Endpunkte

Zachariah Peterson
|  Erstellt: October 30, 2020
Leiterplatten-Routingregeln für Signale mit geringer und hoher Geschwindigkeit

Manchmal erscheint die Unterscheidung zwischen einem „langsamen“ oder „schnellen“ Signal willkürlich und hängt oft davon ab, wen man fragt. Ein ähnliches Thema ist die Frage, ob eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte als elektrisch „kurz“ oder „lang“ angesehen wird. Auch zu diesem Thema gibt es oft Meinungsverschiedenheiten. Aber unabhängig davon, ob Sie es bei Ihrem PCB-Routing mit langsamen oder schnellen Signalen auf Ihrer Leiterplatte zu tun haben, müssen Sie dabei einige Regeln beachten, damit Ihre Leiterplatte wie vorgesehen funktioniert.

Wie viele andere Programme vereinfacht auch Altium Designer® diesen Prozess, geht dabei jedoch noch einen Schritt weiter und trennt PCB-Routing-Regeln für langsame und schnelle Signale in jeweils eigene Kategorien. Bevor Sie mit dem Routing von Signalen zwischen Komponenten beginnen, sollten Sie Ihre Designregeln überprüfen und an Ihre Signalstandards anpassen. Hier sind die wichtigen Leiterplatten-Routingregeln, die Sie festlegen sollten, bevor Sie mit dem Routing von Signalen auf Ihrer Leiterplatte beginnen.

PCB-Routing-Regeln für Signale mit einzelnen Endpunkten

Der vielleicht wichtigste Punkt in Bezug auf Leiterplatten-Routingregeln ist, dass Routing-Standards nicht notwendigerweise für „niedrige Geschwindigkeit“ oder „hohe Geschwindigkeit“ definiert sind. Diese Unterscheidung wurde vor allem von Leiterplattendesignern geschaffen und aufrechterhalten, und sie ist größtenteils aufgrund von Signalintegritätsproblemen entstanden, die auftreten, wenn die Signalanstiegszeiten sehr kurz werden (weniger als ~1 ns). Daher ist es wichtiger, die Einschränkungen in den Signalstandards zu verstehen, wenn Sie Ihre Designregeln aufstellen – unabhängig davon, ob Sie mit langsamen oder schnellen Signalgeschwindigkeiten arbeiten.

Die erforderlichen Designregeln finden Sie zunächst in der Dokumentation für Ihre Signalstandards. Die Dokumentation der meisten Standards ist online frei verfügbar. Je mehr Designs Sie erstellen, desto vertrauter werden Sie mit diesen Standards und wissen, welche Regeln Sie in Ihren Designs festlegen müssen. Einige der gängigsten Leiterplatten-Routingregeln, die für viele Standards für Signale mit einzelnen Endpunkten gelten, sind:

  • Längenabstimmung. Für Busstandards oder paralleles Datenrouting mit quellensynchroner Taktung müssen Sie die Längenabstimmung für alle Netze in einer Gruppe innerhalb einer bestimmten Toleranz erzwingen. Beim Routing erfolgt dies durch Hinzufügen von Längenabstimmungsstrukturen zu einem Netz. 
  • Via-Übergänge. Einige Standards empfehlen, die Anzahl der Vias zu begrenzen, um übermäßige Verluste, Reflexionen und andere Störeffekte zu verhindern. 
  • Maximale Länge.Die maximale Länge eines Netzes wird manchmal für einen gegebenen Verlusttangentialwert angegeben, um eine übermäßige Signaldämpfung zu verhindern. Wenn Sie ein verlustarmes Laminat verwenden, können Sie die Länge in Abhängigkeit von der Differenz der Verlusttangentialwerte verlängern. 
  • Abstände. Leiterbahnen müssen von anderen Objekten getrennt gehalten werden, die nicht Teil des Netzes sind (Pads, Komponenten, Ebenen usw.). Dadurch wird die Herstellbarkeit gewährleistet, unerwünschte Störeffekte reduziert und der ESD-Schutz im Hochspannungsdesign gesichert.
  • Breite und Widerstand. Diese beiden Größen sind miteinander verknüpft und werden für einen kontrollierten Widerstand im Hochgeschwindigkeitsdesign verwendet. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie Widerstand und Leiterbahnbreite als Routing-Regeln festlegen können. 

Auf all diese und viele weitere Design-Regeln können Sie im Leiterplattenregel- und Beschränkungs-Editor in Altium Designer zugreifen. Wenn Sie einer Gruppe von Netzen dieselben Routing-Regeln zuweisen müssen (das kommt bei Gruppen von Signalen mit einzelnen Enden sehr häufig vor), ist es am schnellsten, alle Netze in einer Gruppe einer Netzklasse zuzuweisen. Sie können diese Funktion über die Option „Design → Classes“ (siehe unten) im Leiterplatten-Editorfenster aufrufen. Nachdem Sie Netze zu Klassen zugewiesen haben, können Sie den Leiterplattenregeln- und Beschränkungs-Editor verwenden, um den einzelnen Netzen bzw. einer Netzklasse bestimmte Design-Regeln zuzuweisen.

Object Class Explorer in Altium Designer
Durch die Zuweisung von Netzen zu einer Netzklasse können Sie Gruppen von Netzen in Ihrem Design bestimmte Leiterplatten-Routingregeln zuweisen.

Andere Regeln für das Leiterplattenrouting, die möglicherweise nicht für bestimmte Signalstandards gelten, helfen Ihnen, Ihr Design zu organisieren. Zwei wichtige Beispiele dafür sind die Routing-Topologie und die Routing-Lagenbeschränkung. Für anspruchsvolle Designs wie Bauteile mit BGA-Footprint können Sie Ihre Fanout-Strategie mit Design-Regeln konfigurieren. Für die Arbeit mit Differentialpaaren sind eigene Entwurfsregeln erforderlich, auf die wir im nächsten Abschnitt eingehen.

Routing-Regeln für differentielle Paare

Differentielle Paare sind einzigartig, da sowohl langsame als auch schnelle Signale als differentielle Paare geroutet werden können. Unabhängig davon, ob die Signale schnell oder langsam sind, müssen Ihre differentiellen Paare immer noch bestimmte Design-Regeln befolgen, die Sie normalerweise für Signale mit einzelnen Endpunkten durchsetzen würden. Hierbei sind vier wichtige Designregeln zu berücksichtigen:

  • Widerstandstoleranz. Auch wenn Sie weniger als die kritische Länge routen, sollten Sie in den sauren Apfel beißen und ein Impedanzprofil für Ihre differentiellen Paare erstellen, sofern Ihr Signalstandard nichts anderes vorschreibt. Andere geometrische Beschränkungen hängen von der zulässigen Widerstandsschwankung entlang des differentiellen Paars ab. 
  • Maximale entkoppelte Länge. Dies gibt die längste Entfernung an, über die die beiden Seiten eines differentiellen Paars entkoppelt bleiben können (d. h. durch eine große Distanz getrennt). Das ist wichtig, da der entkoppelte Bereich wie eine Widerstandsdiskontinuität aussieht. Daher muss er ausreichend kurz sein. 
  • Längenabstimmung. Denken Sie daran, dass ein differentielles Signal ausgelesen wird, indem die Differenz zwischen den beiden Signalen gemessen wird. Die beiden Signale müssen also gleichzeitig am Empfänger ankommen. Schnellere Signale erfordern kleinere Längenabstimmungstoleranzen. 
  • Maximale Netzlänge. Genau wie Signale mit einzelnen Endpunkten können differenzielle Signalstandards eine Beschränkung der maximalen Länge vorschreiben. Nehmen wir als Beispiel den CAN-Bus. Obwohl es sich hierbei um einen langsamen Standard handelt, hängt die maximale Verbindungslänge (PCB-Leiterbahnen + Kabel) von der Datenrate ab, die Sie in Ihrem System verwenden. 

In Altium Designer können Sie Designregeln für die ersten beiden Punkte oben im Bereich „Routing → Differential Pairs Routing“ des Leiterplattenregel- und Beschränkungs-Editors festlegen. Die beiden anderen Punkte können im Bereich „High Speed“ (Hochgeschwindigkeit) bearbeitet werden. Im Bild unten ist das zu sehen:

Impedanzlänge befindet sich in Altium Designer unter Routing, maximale und minimale Netzlänge unter High Speed.
Einrichten von Leiterplatten-Routingregeln für differentielle Paare.

Wenn Sie mit differentiellen Hochgeschwindigkeitspaaren arbeiten, gelten dafür ebenso alle anderen oben beschriebenen Standardregeln für Hochgeschwindigkeitsdesigns. Beachten Sie, dass die einfachste Möglichkeit darin besteht, die relevanten differentiellen Paare einer Netzklasse zuzuweisen und dann diejenige Klasse auszuwählen, die der jeweiligen Designregel unterliegt.

Falls eine Designregel nicht für die Annahme einer Netzklasse für differentielle Paare im Dropdown-Menü „Where The Object Matches“ (Wo das Objekt passt) konfiguriert ist, können Sie mit dem Abfrage-Generator eine benutzerdefinierte Abfrage erstellen. Weiter unten sehen Sie dieses Verfahren für die Zuweisung einer maximalen Länge zu einer Netzklasse für differentielle Paare (zu finden im Bereich „High Speed“ des PCB-Regeln- und Beschränkungs-Editors).

Abfragegenerator-Fenster
Anwenden von Leiterplatten-Routingregeln für differentielle Paare mit dem Abfragegenerator.

Genau wie bei Netzen mit einzelnen Endpunkten sollten Sie die Dokumentation zu Ihrem Signalstandard lesen, bevor Sie PCB-Routing-Regeln festlegen. Hier finden Sie die relevanten Informationen zu Designregeln für differenzielle Signalstandards – normalerweise im Abschnitt „Physical Layer“ (Physische Lage) des Standards. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie ein Widerstandsprofil erstellen, Netze zu Netzklassen für differentielle Paare zuweisen und Designregeln für diese Klassen einrichten, bevor Sie mit dem Routing von differentiellen Paaren beginnen.

Wir haben uns die Signalintegritätsregeln für schnelle Signale noch nicht angesehen, und inzwischen haben Sie wahrscheinlich bemerkt, dass Altium Designer spezifische Designbeschränkungen enthält, um Signalintegritätsprobleme zu beheben. Sie können diese Leiterplatten-Routingregeln mit dem gleichen Prozess zuweisen, den Sie für das Hinzufügen von Designregeln zu Netzen mit einzelnen Endpunkten und differentiellen Paaren verwendet haben. Diese Funktionen in Altium Designer geben Ihnen die volle Kontrolle über Ihr Design und helfen Ihnen, das Routing korrekt durchzuführen.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

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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