Ein praktischer Leitfaden zur Signalintegrität beim Entwurf hochgeschwindigkeitsfähiger starrer Leiterplatten

Wir verwenden den Begriff Signalintegrität oft – was ist das eigentlich genau? Hängt es mit Signalparametern oder Systemparametern zusammen? Ganz einfach: Wenn ein Signal durch einen Draht oder eine Übertragungsleitung läuft, verändern sich einige Parameter zwischen Sender und Empfänger. Bei Hochgeschwindigkeitssignalen ist der Verlust noch größer, was zu Datenverlust und Signalverfälschung führen kann. Welche Art von Signal wird gestört und wie verändert es sich? Wir haben die 4 Hauptursachen erklärt, warum sich ein Signal während der Übertragung verändert.

Zur zweiten Frage: Welche Art von Signal? Bei hohen Frequenzen sind es im Grunde Nullen und Einsen, die sehr schnell umschalten. Wird eine 0 zur 1 oder umgekehrt, entsteht Datenverlust. Ja, es gibt Fehlerkorrekturverfahren, aber das ist ein anderes Thema. Um dieses Problem zu lösen, müssen wir Stackup-Design und Impedanzkontrolle berücksichtigen. Design-Teams können die Integrität verbessern, indem sie immer kleinere Bauformen anstreben, was auch parasitäre Effekte im Signal reduziert. In diesem Artikel behandeln wir die Grundlagen der Signalintegrität, Layout-Strategien und Lösungsansätze.

Grundlagen der Signalintegrität:

Leitungen wirken bei niedrigen Frequenzen als einfache Verbindungen. Bei hohen Frequenzen jedoch fungieren sie als Übertragungsleitungen und verursachen Schwingungen, Reflexionen, Übersprechen und andere unerwünschte Effekte. Für zuverlässige Kommunikation zwischen Hochgeschwindigkeits-ICs muss die Signalintegrität gewährleistet sein.

Verschiedene Faktoren können die Signalqualität auf einer Leiterplatte beeinträchtigen. Diese vier Hauptbereiche sollten Sie kennen:

1) Elektromagnetische Störung (EMI):

EMI entsteht durch unerwünschte elektrische Impulse. Werden Hochgeschwindigkeitsübertragungen nicht kontrolliert, entsteht EMI und Signalverlust. Es handelt sich um einen Antenneneffekt: Die elektromagnetische Störung eines Chips beeinflusst einen anderen. Fehlende Rückleitungen sind eine häufige Ursache. Lesen Sie dazu unseren ausführlichen EMI-Artikel.

2) Ungewollte elektromagnetische Kopplung (Übersprechen):

Ungewollte Wechselwirkungen zwischen eng geführten Leitungen führen zu Übersprechen: Ein Signal stört ein anderes. Stellen Sie sich zwei Gespräche nebeneinander vor – wenn die Sprecher zu nah sind, hören sie sich gegenseitig. Gleiches passiert bei Leiterbahnen, die zu dicht beieinander liegen.

3) Simultanes Schaltgeräusch (Ground Bounce):

Schalten viele Bauelemente gleichzeitig zwischen High und Low, kann der Low-Pegel nicht mehr korrekt auf Masse zurückkehren. Liegt der Low-Pegel zu hoch, wird er fälschlich als High erkannt. Tritt das gleichzeitig häufig auf, funktioniert die Schaltung fehlerhaft.

4) Impedanzfehlanpassung:

Eine Impedanzfehlanpassung entsteht, wenn sich der elektrische Widerstand (Impedanz) entlang einer Leitung ändert – besonders kritisch bei Hochgeschwindigkeitssignalen. Die Diskrepanz verursacht Reflexionen und Signalverzerrungen. Details finden Sie in unserem ausführlichen Artikel zur Impedanzfehlanpassung.

Wann sollte man sich um Signalintegrität sorgen?

Prinzipiell treten in jedem Design Signalintegritätsprobleme auf, doch bei niedrigen Geschwindigkeiten beeinträchtigen sie selten die Funktion. Nicht jede Leiterplatte erfordert Hochgeschwindigkeits-Methoden. Prüfen Sie anhand dieser Schritte, ob Ihr Design dazugehört:

• Maximale Frequenz (Fm) über 50 MHz
• Kürzeste Anstiegs-/Abfallzeit (Tr) unter 10 ns
• Datenrate größer als 20 Mbps
• Näherung: Fm ≈ 0,5/Tr

Signalintegrität testen:

Zwei wichtige Tests sind S-Parameter-Messungen mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) und Eye-Diagramm-Tests mit einem Standard-Bitstrom. Oszilloskope werden für Bit-Fehlerraten und Eye-Diagramme verwendet, einige VNAs können ebenfalls Eye-Diagramme erzeugen.

Eye-Diagramm-Messungen und daraus abgeleitete Bit-Fehlerraten sind essenziell, um Verluste, ISI durch Reflexionen, Jitter und Equalisierungsbedarf zu quantifizieren.

Eye-Diagramm-Analyse:

Diese Methode zeigt Signalintegrität in realen Systemen: Das empfangene Signal wird mit dem Sendesignal verglichen und als Augen-Diagramm dargestellt. Wie misst man daraus die Signalintegrität? Antworten finden Sie in unserem aktuellen Blog über Eye-Diagramme.

Mehr Verzerrung führt zu einem geschlosseneren Auge, ein ideales Signal ergibt ein vollständig geöffnetes Auge. Das obige Diagramm zeigt beide Zustände.

Signalintegritätsprobleme lösen:

Klar definierte Masse und Masseflächen nahe kritischen Leitungen sind entscheidend. Die meisten EMI- und SI-Probleme lassen sich durch ein durchdachtes Stackup, korrekte Ebene für Versorgung und Masse sowie definierte Signallagen lösen. Ein gutes Stackup verbessert auch die Power-Integrität.

Eine typische Anordnung wechselt Masse-, Versorgungs- und Signallagen. Niedrig-impedante Rückwege, definierte Leitungsimpedanz und Masse nahe der Signale verhindern Reflexionen, senken EMI und bieten Abschirmung. Kurze Hinweise zur Problemlösung:

• Kurze, direkte Leitungen für Hochgeschwindigkeitssignale.
• Spitze Winkel vermeiden, um Impedanzsprünge zu minimieren.
• Masseflächen unter Signallagen für stabile Rückwege.
• Differentielle Paare gleich lang halten, um Skew zu reduzieren.
• Ebenenübergänge minimieren, Micro-Vias verwenden.

Fazit:

Signalintegrität bleibt ein Schlüsselfaktor für Leiterplatten-Leistung, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsdesigns. Durch kontrollierte Impedanz, reduzierte Reflexionen, begrenztes Übersprechen und richtige Materialien erreichen Entwickler zuverlässige, schnelle Verbindungen.

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Frühe SI-Analyse im Designprozess verbessert Leistung, Zuverlässigkeit und Time-to-Market moderner Elektronik. Datenverlust, hohe Bit-Fehlerraten oder EMV-Probleme zeigen schlechte Signalintegrität an.