Prinzipien der Signalintegrität basierend auf Altium Designer 24

Einführung in Hochgeschwindigkeitsdesign und Signalintegrität

Digitale Systeme sind eines der grundlegenden Gebiete der modernen Elektronik. Der Fortschritt bei hoch effizienten Prozessoren oder anderen digitalen Systemen, wie FPGAs oder breitbandigen Datenerfassungssystemen, die schnelle ADC-Wandler zusammen mit DSPs oder FPGAs verwenden, erfordert einen anderen Ansatz im elektronischen Design, insbesondere bei PCBs, die Verbindungen zwischen verschiedenen integrierten Schaltkreisen oder Modulen umfassen. Dieser Ansatz steht im Zusammenhang mit den Arten von Signalen, die in der modernen Hochgeschwindigkeitselektronik verwendet werden.

Grundlegende und bekannte Schnittstellen, wie RS232 oder I2C, sind in der Datenübertragungsrate auf Hunderte von Kilobits pro Sekunde begrenzt. Jedoch können Verbindungen zwischen Hochgeschwindigkeitssystemen oder -modulen über Schnittstellen wie PCIe oder USB3.0 Datenraten von über Gigabit pro Sekunde aufweisen (und daher der Begriff Hochgeschwindigkeitssysteme oder Hochgeschwindigkeitsdesign).

Darüber hinaus verwenden die meisten modernen Hochdatenratenverbindungen serielle Signalisierung mit nur wenigen Signalleitungen. Eine solche serielle Leitung ist in Abbildung 1 dargestellt. Einige Standards erfordern mehrere Leitungen und in den meisten Fällen werden diese Leitungen als differentielles Paar ausgeführt. Ein gutes Beispiel für solche Standards sind PCIe oder JESD204.

Abbildung 1: Serielle Hochdatenratenverbindung; bitte beachten Sie, dass die Impedanzanpassung des Senders, Empfängers und der Übertragungsleitung grundlegend für die Signalintegrität ist

Prinzipien von Hochgeschwindigkeitsdesigns ähneln denen von Radiofrequenzdesigns, da eine direkte Beziehung zwischen der Datenrate des Signals und der von diesem Signal belegten Bandbreite besteht - je höher die Datenrate, desto breiter die von einem solchen Signal belegte Bandbreite. Auch die Anstiegs- und Abfallzeiten der Hochgeschwindigkeitssignale liegen oft unter 1ns, oft mit Schaltfrequenzen über einigen GHz. Solche Signale breiten sich auf einer PCB anders aus als Signale, die in Standards für niedrige Geschwindigkeiten verwendet werden, wie SPI, I2C oder RS232. Es erfordert erhebliche Aufmerksamkeit, die PCB korrekt zu entwerfen, unter Berücksichtigung der Bandbreite des Signals, sodass die Integrität der Datenverbindung vom Sender (z.B. JESD204B-Schnittstelle eines ADC) zum Empfänger (z.B. FPGA-Eingangspins) erhalten bleibt. Am häufigsten wird der LVDS-Standard (Low-Voltage Differential Signaling) verwendet, um Module oder Systeme mit hoher Datenrate zu verbinden sowie eine standardisierte Spezifikation für Hochgeschwindigkeitssignale zu bieten (z.B. Spannungsschwankungen, Logikpegel, Impedanzen und mehr).

Die Natur der Hochgeschwindigkeitssignale erfordert unterschiedliche Entwurfswerkzeuge für die PCB- und Schaltpläne, um eine hohe Treue des Links und der auf der PCB übertragenen Signale zu gewährleisten (zusammen mit einer Reduzierung der für den Entwurf aufgewendeten Zeit). Die hohe Treue des Signals, bezogen auf Qualitätsmerkmale, wird als Signalintegrität bezeichnet, die aus einer Reihe von Parametern des übertragenen Signals besteht, die während der PCB/SCH-Entwicklung sowie im Labor durch Signalmessungen mit speziellen Werkzeugen überprüft werden können.

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Altium Designer unterstützt alle Aktivitäten, die mit Hochgeschwindigkeitsprojekten verbunden sind, und bietet Kontrollmöglichkeiten über die Signalintegrität, indem eine Reihe von Funktionen bereitgestellt werden, zum Beispiel:

• Möglichkeit zur Definition von differentiellen Paaren in den Schaltplänen und PCB;
• Verlegung der differentiellen Paare im PCB-Editor mit Längenabgleich;
• Definition von kontrollierten Impedanzbahnen für differentielle und einseitige Signalleitungen;
• Abstimmung der Signalleitungslängen innerhalb eines differentiellen Paares sowie innerhalb eines Busses;
• Simulationswerkzeuge und DRC-Prüfung für Signalintegrität und Hochgeschwindigkeit;
• Möglichkeit zur Definition des PCB-Stackups mit Impedanzprofilen, die den Dissipationsfaktor, die dielektrische Konstante und die Kupferrauheit umfassen;
• Möglichkeit zur Definition von Verzögerungszeiten für Komponenten

und mehr.

Diese Funktionen helfen dabei, Entwurfsfehler im Zusammenhang mit der Signalintegrität zu mindern, bieten Flexibilität in der Entwurfsphase, reduzieren die Prototypenkosten und beschleunigen die Markteinführung des Produkts.

Signalintegrität

Die im ersten Absatz erwähnte Signaldegradation kann verschiedene Formen annehmen und sich auf zeitbezogene Werte des Signals (wie Anstiegszeit oder Jitter) oder auf mit dem Signalpegel verbundene Parameter (z. B. Überschwingen, Spannungshub) beziehen. Die grundlegenden Parameter, die mit der Signalqualität zusammenhängen, umfassen die folgenden Phänomene:

• Signalreflexionen zwischen dem Signalgeber und der Übertragungsleitung (oder Empfänger und der Übertragungsleitung) sowie Signalreflexionen, die durch Steckverbinder, Durchkontaktierungen, Stubs oder andere Komponenten des Systems verursacht werden, die die Impedanzkontinuität entlang des Signalwegs verzerren;
• Nebensprechen zwischen Signalleitungen;
• Über- und Unterschwingen des Signals;
• Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses (verursacht durch das gekoppelte Rauschen), was dem Empfänger die Erkennung der korrekten Logikpegel erschwert;
• Signalabschwächung entlang des Signalwegs - Unfähigkeit, die erforderlichen Logikpegel zu erreichen;
• Jitter auf dem Taktsignal, das den Betrieb der ADC/DAC-Wandler sowie den Jitter der Signalleitungen festlegt;
• erhöhte Ebenen der abgestrahlten Emission von der PCB (oder dem System), die verschiedene Gegenmaßnahmen (z. B. Abschirmung) erfordern können, um die EMC-Zertifizierung zu bestehen

und mehr.

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Jedes der oben aufgeführten Phänomene kann zu einer erhöhten Datenfehlerrate oder zum vollständigen Verlust der Kommunikation führen. Auch eine Verschlechterung der Systemparameter (z. B. die Qualität der Signalverarbeitung durch hochauflösende ADC-Wandler) kann auftreten. Beispiele für Signalstörungen, die mit schlechtem Design zusammenhängen, werden in Oszillogrammen und Simulationen gezeigt, die in AD24 durchgeführt wurden - siehe Abbildungen 2 bis 5.

Abbildung 2: Runt-Impulse verursacht durch unsachgemäße Signalabschluss entlang des Signalwegs

Abbildung 3: Übersprechen-Beispiel - lila Spur - Aggressor, gelbe Spur - Opfer

Abbildung 4: Über- und Unterschwingen der digitalen Wellenform

Abbildung 5: Beispiel für Signalschwingungen. Simulationsergebnis der Signalintegrität durchgeführt in AD24

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Abbildung 6: Optimierung bei Signalschwingungen - Durchlauf des Serienabschlusswiderstands

Einzelendige und differentielle Signale

Niedriggeschwindigkeitssignale wie SPI, I2C oder RS232, bei denen Informationen als Spannungsunterschied zwischen der Signalleitung und dem Erdungspunkt übertragen werden, nennt man einzelendige Signale. Hochgeschwindigkeitssignale, mit Datenraten, die mehrere hundert Mbit/s überschreiten, werden üblicherweise durch ein differentielles Paar übertragen - ein eng gekoppeltes Paar von Signalleiterbahnen auf der PCB - die Informationen werden in diesem Fall durch den Spannungsunterschied zwischen diesen beiden Leitungen (oft als P und N bezeichnet) übertragen - siehe Abbildung 7 und 8.

Abbildung 7: Differentielle Paare des Ethernet-Controllers definiert in AD24

Abbildung 8: Differentielles Paar dargestellt auf der PCB

Differentielle Signale sind weniger anfällig für Störungen und Schwankungen im Erdpotenzial auf der Leiterplatte, da eine Störung in beiden Leitungen, die ein differentielles Paar bilden, induziert wird. Dadurch wird das differentielle Signal (Unterschied zwischen einer Leitung und der anderen) nicht verzerrt. Diese Art der Signalübertragung hilft, Probleme im Zusammenhang mit Ground Bounce im System zu minimieren und verbessert die Qualitätsparameter von Hochgeschwindigkeitssignalen. Beispiele für differentielle und einseitige Signale sind in Abbildung 9 dargestellt.

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Abbildung 9: Einseitige und differentielle Signale

Schlussfolgerungen

Die korrekte Implementierung von Hochgeschwindigkeitsprinzipien im Projekt, um die Integrität der Signale auf der Leiterplatte zu gewährleisten, erfordert von Beginn der Entwurfsphase an Aufmerksamkeit - beginnend mit dem PCB-Stackup, der Definition der differentiellen oder einseitigen Paare mit korrekten Impedanzen, Routing-Strategien sowie der Anordnung der Komponenten auf der Leiterplatte, z. B. der Position des DDR-Speichers in Bezug auf MCU oder FPGA.

Darüber hinaus gehören wichtige Aspekte im Zusammenhang mit der Qualität von Hochgeschwindigkeitssignalen der Typ und die Anzahl von Vias entlang der Signalwege, Signalstubs, Steckverbinder und die Methode des Verbindens von Signalleitungen mit ihnen.

Die Überprüfung einer hergestellten PCB mit Hochgeschwindigkeitssignalen kann durch Simulation durchgeführt werden, die es Ihnen ermöglicht, potenzielle Probleme zu erkennen, bevor Sie sie bestellen. Signalintegritätskriterien wie Überschwingen, Unterschwingen, Reflexionen oder Übersprechen können in Altium Designer in den Entwurfsregeln definiert werden. Dies hilft, die Signalintegrität unter Kontrolle zu halten.

Unsere kommende Erweiterung, Signal Analyzer von Keysight, wird das Potenzial Ihres Entwurfsprozesses weiter erhöhen, insbesondere wenn es um die Analyse der Signalintegrität geht. Die Premiere dieser Erweiterung ist für Mitte Oktober 2024 geplant.