Was ist Signalintegrität?

Viele der heutzutage weit verbreiteten PCB-Layout- und Routing-Richtlinien – selbst die Richtlinien für mäßige Geschwindigkeitssignale und -geräte – sind dafür gedacht, die Signalintegrität zu gewährleisten. Wenn Sie neu in der Welt des PCB-Designs sind und noch keine Probleme mit der Signalintegrität hatten, kommt Ihnen das gesamte Konzept zur Gewährleistung der Signalintegrität vielleicht etwas abwegig vor. Bei modernen PCBs können jedoch eine Reihe von Problemen auftreten, die dank einfacher Layout-Praktiken gelöst oder sogar verhindert werden können. Signalintegritäts-Praktiken konzentrieren sich darauf, diese Probleme im PCB-Layout zu identifizieren und zu beheben. So wird bspw. darauf geachtet, dass die digitalen oder analogen Signale während des Ausbreitungsprozesses nicht verzerrt werden und dass sie auch bei der Ausbreitung über Verbindungen wiederhergestellt werden können.

In diesem Leitfaden geben wir Ihnen eine kurze Übersicht über mögliche Probleme mit der PCB-Signalintegrität in PCB-Layouts und stellen Ihnen einige einfache Lösungen für diese Probleme vor. Wenn Sie diese grundlegenden Praktiken schon früh in der Designphase implementieren, ist es einfacher, die Signalintegrität in der gerouteten Platine zu gewährleisten.

• Die Grundlagen der Signalintegrität
• Die Bedeutung von Widerstand und Routing
• Signalintegritätsprobleme identifizieren

Die Grundlagen der PCB-Signalintegrität

In einfachen Worten: Das Ziel von Signalintegritäts-Praktiken im PCB-Layout und Routing besteht darin, sicherzustellen, dass sich die Qualität eines Signals bei der Übertragung von einer Treiber-Komponente zu einem Empfänger nicht verschlechtert. Anders ausgedrückt: Wir möchten dafür sorgen, dass das Signal, das am Ende einer Verbindung erscheint, mit dem Signal übereinstimmt, das am Anfang der Verbindung eingespeist wurde. Auch wenn es bei Signalen immer zu einem gewissen Grad an Verzerrung kommt, können einige grundlegende Praktiken dabei helfen, potenzielle Signalverzerrungen zu minimieren, sodass die Empfänger-Komponente stets das richtige Signal registriert.

Es gibt einige Standard-Designpraktiken, die zu dieser Minimierung beitragen und die bereits während der Schaltplanerfassung und des Lagenaufbaus zum Einsatz kommen. In der Tat lassen sich viele Probleme in den Bereichen Signalintegrität, Power-Integrität und EMI/EMV mit einem geeigneten Lagenaufbau und einer geeigneten Lagenzuweisung für Stromversorgung, Masse und Routing lösen. Andere einfache Lösungen sind die Auswahl geeigneter Kondensatoren, Impedanzkalkulationen sowie das Verständnis der Grenzen von differentiellen Leiterbahnen und solchen mit einzelnen Endpunkten.

In welchen Fällen sollten Sie sich Gedanken um die Signalintegrität machen?

Technisch gesehen kann es bei jedem Design zu Problemen mit der Signalintegrität kommen, die jedoch im Allgemeinen weder die Funktionalität eines Produkts beeinträchtigen noch übermäßiges Rauschen verursachen. Bei der Arbeit mit digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen oder analogen Hochfrequenzdesigns trifft dies jedoch nicht zu. In diesen Fällen gibt es mehrere Probleme zu berücksichtigen:

• Genaue Impedanzkalkulationen zur Vermeidung von Signalreflexionen
• Verluste und Streuung bei der Ausbreitung auf langen Verbindungen
• Übersprechen aufgrund von schnell schaltenden digitalen Signalen
• Übermäßige Strahlungsverluste, die bei EMV-Tests als starkes Rauschen auftreten können
• Über- und Unterschwingungen in digitalen Signalen aufgrund von übermäßiger Induktivität („Ground Bounce“)
• Kopplung von Hochfrequenzsignalen durch Störelemente
• Versatz- und Resonanzsignalverluste aufgrund von Fasergeweben
• Schwankungen, entweder aufgrund von zufälligen Fluktuationen bei den Edge-Übergängen oder aufgrund von SI/PI/EMI-Problemen
• Zusätzliche Verluste aufgrund von Kupferrauheit entlang einer Verbindung

Bei hohen Frequenzen oder schnellen Schaltgeschwindigkeiten, wie sie in digitalen Hochgeschwindigkeitskomponenten verwendet werden, sind diese Probleme schwieriger zu lösen. Um jedoch sicherzustellen, dass Ihr Design nicht an diesen Problemen scheitert, gibt es einige einfache Designschritte, die Sie zur Gewährleistung der Signalintegrität durchführen können.

Beginnen Sie zuerst mit Ihrem Lagenaufbau

Bei der Gewährleistung der Signalintegrität besteht ein wichtiger Aspekt darin, die Masse klar zu definieren und sie während des Routings in der Nähe wichtiger Leiterbahnen zu positionieren. Ein ordnungsgemäß gestalteter Lagenaufbau, eine Auswahl an Versorgungs- und Masseflächen sowie die Zuweisung von Signallagen können dabei helfen, die meisten EMI- und Signalidentitätsprobleme zu beheben. Der ordnungsgemäß gestaltete Lagenaufbau hat außerdem einen wichtigen positiven Effekt auf die Power-Integrität.

Der unten dargestellte Lagenaufbau zeigt eine typische Anordnung mit alternierenden Signal-, Stromversorgungs- und Masselagen. In diesem Beispiel werden Masselagen neben Signallagen verwendet, um eine Abschirmung zu gewährleisten. Zudem wird ein Rückpfad mit geringem Widerstand bereitgestellt und die Fähigkeit eingesetzt, Leitungen mit kontrolliertem Widerstand (Streifen oder Mikrostreifen) zu definieren. Die Bereitstellung eines Rückpfads mit niedrigem Widerstand, sorgfältig definierte Widerstandswerte bei Leiterbahnen sowie die Masse in der Nähe der Signale – all das trägt dazu bei, Reflexionen zu verhindern, die Strahlung und den Empfang von EMI zu reduzieren und eine Abschirmung vor Signalen auf anderen Lagen zu bieten.

Es ist allseits bekannt, dass die Dicke der Lagen für Mikrostreifen, Streifenleitungen oder komplanare Konstruktionen die Verluste der digitalen oder analogen Signale beeinflusst. Dank einer sorgfältigen Auswahl der dielektrischen Dicke für die Signallagen, die Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzsignale unterstützen müssen, können Sie einen Aspekt der oben genannten Verluste direkt angehen. Darüber hinaus kann die Auswahl geeigneter Materialien und Beschichtungen für freiliegende Leiterbahnen zu geringeren Verlusten bei hohen Frequenzen führen, z. B. bei mmWave-Designs, die eine präzise Signalintegrität erfordern. Zusammengenommen tragen all diese Schritte dazu bei, dass Signale bei der Weiterleitung zum Ende einer Verbindung nur geringe Verluste aufweisen.

• Weitere Informationen zum Design von Leiterbahnen für impedanzgesteuertes Routing
• Weitere Informationen zu Hochfrequenzmaterialien für moderne HF-PCBs

Die Bedeutung von Widerstand und Routing

Sobald ein Lagenaufbau festgelegt und die wichtigen Komponenten platziert wurden, wird das Layout durch das Routing der Leiterbahnen vervollständigt. Die in digitalen Schnittstellen und hochfrequenten, analogen Signalen verwendeten Signalstandards legen Widerstandsanforderungen fest, die eingehalten werden sollten, um die Signalintegrität sicherzustellen und Probleme in Hochgeschwindigkeitskanälen zu verhindern. Während des Routingprozesses müssen einige wichtige geometrische Eigenschaften der Leiterbahnen auf der Leiterplatte beachtet werden:

• Widerstand an einzelnen und an differentiellen Endpunkten
• Einheitliche Toleranzen für die Mindestabstände und Längen der differentiellen Paare
• Sicherstellung eines dichten Rückpfads über die gesamte Strecke mit geerdeten Vias und einheitlichen Ebenen
• Minimierung von Via-Übergängen und übermäßigen Biegungen bei hohen Frequenzen (mehrere 10 GHz)
• Beseitigung von Stichleitungen auf den Strecken mit der höchsten Geschwindigkeit/Frequenz

Die ersten beiden Punkte sollen sicherstellen, dass der Widerstand entlang einer Leiterbahn nicht von dem im jeweiligen Signalisierungsstandard angegebenen Designwert abweicht. Der dritte Punkt befasst sich mit EMI und Rauschkupplung und stellt sicher, dass der durch Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzsignale generierte Rückstrom eine geringe Induktivität aufweist. Die letzten beiden Punkte befassen sich mit der Notwendigkeit, Verluste und Reflexionen an jeder Impedanzdiskontinuität entlang einer Leiterbahn zu eliminieren. Bauteile wie Steckverbinder und Vias können einen Eingangswiderstand aufweisen, der vom erforderlichen Widerstandswert abweicht. Aus diesem Grund werden Designregeln angewendet, die gewährleisten, dass alle Bedingungen für das Design erfüllt werden.

Mit den Routing-Tools in Ihrer PCB-Design-Software können Sie Ihre Routing-Anforderungen als Designregeln kodieren, um sicherzustellen, dass Sie Ihre Ziele in Bezug auf Impedanz, Abstände, Anzahl der Vias und Rückpfade erreichen. Die Anwendung von Backdrilling stellt einen Kostenkompromiss gegenüber der Signalintegrität dar, daher sollte diese Option nur auf die schnellsten digitalen Signale angewendet werden und auch nur dann, wenn kein alternatives Routing-Schema implementiert werden kann, um das Backdrilling zu vermeiden. Insgesamt können mit diesen Maßnahmen Probleme angegangen werden, die durch Reflexionen entstehen, z. B. Intersymbolinterferenzen in einem Augendiagramm und stehende Wellen auf Übertragungsleitungen, die nicht übereinstimmen.

Signalintegritätsprobleme identifizieren

Signalintegritätsprobleme müssen anhand von Simulationen oder Messungen identifiziert werden. Idealerweise werden diese Simulationen bereits während der Design-Phase durchgeführt, um mögliche Probleme vor der Erstellung der Prototypen zu erkennen. Eine gängige Vorgehensweise besteht darin, Testplatinen für ein Design zu erstellen, damit Messungen vorgenommen werden können, bevor die Massenproduktion des Designs beginnt. Aber unabhängig davon, für welche Methode zur Identifizierung von Signalintegritätsproblemen Sie sich entscheiden: Es ist wichtig, dass Sie diese Aufgaben erledigen, bevor das Produkt in die Massenproduktion geht.

Simulationen während des Routings

Während der Designphase können Sie einige der fortgeschrittenen ECAD-Pakete nutzen, um Signalintegritätsprobleme in einfachen Simulationen zu erkennen. Zwei Standardsimulationen, die gleichzeitig ausgeführt werden können, sind die Berechnungen zu den Wellenformen beim Übersprechen sowie die Wellenformen bei Schwingungen/Reflexionen. Beide Simulationen erfordern die Definition der Logikfamilie für die entscheidende Komponente im PCB-Layout, die in den Datenblättern zu finden ist. Diese Simulationen bieten Ihnen eine klare Übersicht über die Wirksamkeit der Abschlussmethode sowie die Abstände zwischen den Verbindungen, was im Einschwingverhalten der Verbindung zu sehen ist (siehe unten).

Weitere Punkte, die während des Routings überprüft werden müssen:

• Über- und Unterschwingungen
• Anstiegs-/Abfallzeit beim Schalten
• Versatz in parallelen Bussen und differentiellen Paaren
• Kontinuität des Rückwegs

Diese Punkte können Sie mit Ihren Online-Simulationstools in fortgeschrittenen ECAD-Paketen für PCB-Designs überprüfen. Sobald das Design geroutet ist, können Sie diese Punkte mithilfe des Simulationstools in der Anwendung berechnen und somit sicherstellen, dass die Signale auf jeder Verbindung den jeweiligen Noise-Margins entsprechen und die Reaktionen aufweisen, die an der empfangenden Komponente erforderlich sind. Durch die frühzeitige Identifizierung dieser Probleme in der Designphase lassen sich viele Signalintegritätsprobleme frühzeitig lösen, sodass komplexe und zeitaufwändige Neugestaltung idealerweise nicht nötig sind.

Prüfung der Signalintegrität

Es gibt verschiedene Tests, die zur Bewertung der Signalintegrität durchgeführt werden können. Zwei der wichtigsten für digitale Designs sind jedoch die S-Parameter-Messungen mit einem Vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) und Augendiagramm-Tests mit einem Standard-Test-Bitstream. Das Gegenstück zu einer S-Parameter-Messung im Zeitbereich ist eine Reflektometrie-Messung im Zeitbereich, für die ein spezielles Gerät erforderlich ist, das einen Impuls an eine zu prüfende Verbindung oder ein Gerät liefert. Auch wenn Augendiagramme und Bitfehlerratenberechnungen normalerweise mit einem Oszilloskop durchgeführt werden, können manche VNAs auch Augendiagramme erstellen.

Die Messungen von Augendiagrammen und extrahierten Bitfehlerraten sind besonders wichtig für die Bewertung digitaler Kanäle. Sie bieten eine summative Messung, wodurch Schwankungen, Intersymbolinterferenzen aufgrund von Signalreflexionen, Verluste sowie die Notwendigkeit einer Kompensierung durch eine Entzerrung quantifiziert werden können. Anhand dieser Messungen lassen sich einige einfache Änderungen an einem Design erkennen und die extrahierten Signalintegritätskennzahlen können mit anderen Simulationen oder Berechnungen verglichen werden.

S-Parameter sowie andere Simulationen oder Messungen von Netzparametern finden im Frequenzbereich statt. Sie ermöglichen die Qualifizierung eines Designs in Bezug auf seine maximale Datenrate, Übertragungsfrequenz, Verluste oder Reflexionen aufgrund von Widerstandsfehlern. Bei langen Verbindungen ist die wichtigere Größe S21 (auch Einfügeverlust genannt), da diese Kanäle von dielektrischen, Kupfer- und Strahlungsverlusten dominiert werden. Bei kurzen Kanälen ist die wichtigere Größe S11 (auch Rückflussdämpfung genannt), da es in kurzen bis mäßig langen Kanälen zu starken Reflexionen und Resonanzen kommen kann.

• Weitere Informationen zu den grundlegenden Aufgaben in der Signalintegritätsanalyse

Komplexe Simulationen für SI, PI und EMI/EMV

Sobald ein Layout fertiggestellt und zur Freigabe bereit ist, sollte das Design zunächst mit einem fortschrittlichen Simulationstool überprüft werden, welches das gesamte System und nicht nur die einzelnen Verbindungen betrachtet. Diese Simulationspakete übernehmen die Daten des fertigen PCB-Layouts und berechnen das elektromagnetische Feld direkt mithilfe der Maxwell-Gleichungen. Die Standardformate für mechanische Dateiformate (IDX) und spezielle Simulationsdatendateiformate können verwendet werden, um Designdaten in externe Simulationsprogramme zu importieren, sodass EMI/EMV-, PI- und System-Level-SI-Probleme vor der Herstellung des Prototypen und vor der Produktion identifiziert werden können.

• Weitere Informationen zur Verwendung von Simulationen zur Identifizierung von Nahfeld-EMI
• Weitere Informationen zum Teilen der Simulationsdaten über die Cloud

Das Routing von Leiterplatten ist deutlich einfacher, wenn Sie das vollständige PCB-Layout-Toolset in Altium Designer® verwenden. Die in Altium Designer integrierte regelgesteuerte Design-Engine überprüft Ihr Routing automatisch, während Sie die Leiterbahnen platzieren. Auf diese Weise können Sie Fehler sofort erkennen und beseitigen, bevor Sie die Leiterplatte fertigstellen. Alle Altium Designer-Benutzer erhalten außerdem Zugriff auf einen eigenen Arbeitsbereich auf der Altium 365™-Plattform, wo sie Projekte, Bauteildaten, Fertigungsdaten und sonstige Projektdokumentation speichern und mit Mitarbeitenden teilen können.

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