Signalintegrität bei Hochgeschwindigkeits-Rigid-PCB-Designs

Wir verwenden den Begriff Signalintegrität häufig – was bedeutet er eigentlich? Bezieht er sich auf Signal- oder auf Systemparameter? 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 führt. Welche Art von Signal wird gestört und wie verändert es sich? Wir haben die vier Hauptursachen dafür erläutert, warum sich Signaleigenschaften während der Übertragung verändern.

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

1.    Grundlagen der Signalintegrität:

Bei niedrigen Frequenzen wirken Leiterbahnen wie einfache Verbindungen. Bei hohen Frequenzen hingegen verhalten sie sich als Übertragungsleitungen und verursachen Schwingungen, Reflexionen, Übersprechen und andere unerwünschte Effekte. Verlässliche Kommunikation zwischen Hochgeschwindigkeit-ICs erfordert daher eine angemessene Signalintegrität.

Die Signalqualität auf einer Leiterplatte kann durch viele Faktoren beeinträchtigt werden. Diese lassen sich in vier Hauptbereiche einteilen, die in weiteren Artikeln detailliert erklärt werden:

1) Elektromagnetische Störung (EMI):

EMI ist eine Störung durch unerwünschte elektrische Impulse. Werden Hochgeschwindigkeitsübertragungen nicht korrekt kontrolliert, entsteht EMI und Signalverlust. Es handelt sich im Wesentlichen um einen Antenneneffekt, bei dem das EM-Feld eines Chips einen anderen beeinflusst. Fehlende Rückleiterwege sind eine häufige Ursache. Ein ausführlicher EMI-Artikel bietet weitere Details.

2) Ungewollte elektromagnetische Kopplung (Crosstalk):

Unbeabsichtigte Wechselwirkungen zwischen eng nebeneinander verlaufenen Leiterbahnen führen zu Übersprechen: Ein Signal stört ein anderes. Stellen Sie sich zwei Gespräche vor, die zu nah beieinander stattfinden – die Gesprächspartner hören sich gegenseitig und werden abgelenkt. Gleiches passiert, wenn Leiterbahnen zu dicht beieinander liegen.

3) Simultanes Schaltgeräusch (Ground Bounce):

Schalten viele Bauelemente gleichzeitig zwischen High- und Low-Pegel, kann der Low-Pegel nicht mehr korrekt auf Massepotential zurückkehren. Springt er zu hoch, wird er möglicherweise fälschlich als High interpretiert. Tritt das bei vielen Leitungen gleichzeitig auf, kann die Schaltung fehlerhaft oder doppelt schalten.

4) Impedanzfehlanpassung:

Eine Impedanzfehlanpassung entsteht, wenn sich der elektrische Widerstand (Impedanz) entlang einer Leiterbahn ändert – besonders kritisch bei Hochgeschwindigkeitssignalen, die ein IC betreten oder verlassen. Die daraus resultierenden Reflexionen verzerren das Signal. Ein detaillierter Artikel erklärt diesen Effekt weiter.

2.    Wann sollte man sich um Signalintegrität sorgen?

Jedes Design hat technisch gesehen Signalintegritätsprobleme, doch nur bei Hochgeschwindigkeitssignalen beeinflussen diese den Betrieb oder verursachen übermäßige Störstrahlung. Nicht jede Leiterplatte erfordert Hochgeschwindigkeits-Methoden. Prüfen Sie anhand folgender Kriterien, ob Ihr Design dazugehört:

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

3.    Signalintegrität testen:

S-Parameter-Messungen mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) und Eye-Diagramm-Tests mit einem Standard-Bitstrom sind zwei der wichtigsten Prüfungen für digitale Systeme. Oszilloskope dienen häufig zur Eye-Diagramm-Erstellung und Bitfehlerberechnung, einige VNAs können ebenfalls Eye-Diagramme erzeugen.

Eye-Diagramm-Messungen und daraus abgeleitete Bitfehlerraten sind essenziell für digitale Kanäle. Sie erlauben eine quantitative Bewertung von Verlusten, ISI durch Reflexionen, Jitter und dem Bedarf an Equalizer-Einstellungen.

4.    Eye-Diagramm-Analyse:

Diese Methode zeigt Signalintegrität in realen Systemen. Das Sendesignal dient als Referenz und wird mit dem Empfangssignal verglichen. Die Übereinstimmung wird als Augen-Diagramm dargestellt. Was für ein Auge ist das? Wie misst und berechnet man daraus die Signalintegrität? Diese Fragen beantwortet ein aktueller Blog-Beitrag zu Eye-Diagrammen.

Kurz gesagt: Je stärker das Signal verzerrt ist, desto geschlossener erscheint das Auge. Bei idealer Übereinstimmung öffnet sich das Auge vollständig. Das obige Diagramm zeigt beide Zustände.

5.    Signalintegritätsprobleme lösen:

Ein klar definiertes Massekonzept und Masseflächen nahe bei 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 zwischen Masse, Versorgung und Signallagen. Eine niederohmige Rückleitung mit definierter Leiterbahnimpedanz und Masse nahe bei den Signalen reduziert Reflexionen, EMI-Emission und -Empfang sowie Übersprechen. Kurze Hinweise zur Problemlösung:

• ⦁ Kurze, direkte Leitungen für Hochgeschwindigkeitssignale verwenden.
• ⦁ Spitze Winkel in Leiterbahnen vermeiden, um Impedanzsprünge zu minimieren.
• ⦁ Massivflächen unter Signallagen für stabile Rückleiterwege nutzen.
• ⦁ Differentielle Paare längenangepasst führen, um Skew zu verringern.
• ⦁ Lagenwechsel minimieren, Mikrovias verwenden, wo möglich.

Fazit:

Signalintegrität bleibt ein Schlüsselfaktor für die Leistung starrer Leiterplatten, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsdesigns. Durch kontrollierte Impedanz, reduzierte Reflexionen, begrenztes Übersprechen und geeignete Materialien sichern Ingenieure zuverlässige, schnelle Verbindungen. Frühe SI-Analysen im PCB-Design verbessern Leistung, Zuverlässigkeit und Time-to-Market moderner Geräte. Datenverlust, hohe Bitfehlerraten oder Verstöße gegen EMV-Richtlinien weisen auf schlechte SI hin.