Angesichts der massiv gestiegenen Komplexität und Integration von Systemdesigns arbeiten Elektroniksystementwickler heute mit Schaltungen, die mit Taktfrequenzen über 100 MHz arbeiten. Busfrequenzen haben 50 MHz erreicht oder überschritten, einige sogar 100 MHz. Aktuell weisen etwa 501.040 Designs Taktfrequenzen über 50 MHz auf, und fast 201.040 Designs arbeiten mit Hauptfrequenzen über 120 MHz.
Bei Systemen mit 50 MHz treten Übertragungsleitungseffekte und Probleme mit der Signalintegrität auf. Bei Taktraten von 120 MHz versagen Leiterplatten, die mit herkömmlichen Methoden entworfen wurden, sofern keine Expertise im Bereich Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesign zum Einsatz kommt.
Daher sind Hochgeschwindigkeits-Schaltungsdesignverfahren zu unverzichtbaren Werkzeugen für Entwickler elektronischer Systeme geworden. Nur durch die Anwendung von Hochgeschwindigkeits-Designmethoden lässt sich der Designprozess effektiv steuern.
Was ist ein Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenschaltung?
Es gilt allgemein als anerkannt, dass digitale Logikschaltungen, die mit Frequenzen von 45 MHz bis 50 MHz oder höher arbeiten, wobei Schaltungen, die mit diesen Frequenzen arbeiten, einen signifikanten Anteil (z. B. ein Drittel) des gesamten elektronischen Systems ausmachen, als Hochgeschwindigkeitsschaltungen klassifiziert werden.
Tatsächlich übersteigen die Oberwellenfrequenzen von Signalflanken die Grundfrequenz des Signals. Schnelle Übergänge während der Anstiegs- und Abfallflanken (oder Signalübergänge) können unerwünschte Auswirkungen auf die Signalausbreitung haben. Daher gilt allgemein, dass Signale, deren Laufzeitverzögerung mehr als die Hälfte der Anstiegszeit der Ansteuerflanke des digitalen Signals beträgt, als Hochgeschwindigkeitssignale gelten und Übertragungsleitungseffekte aufweisen.
Die Signalübertragung erfolgt unmittelbar während Zustandsübergängen, wie z. B. Anstiegs- oder Abfallzeiten. Signale breiten sich vom Treiber zum Empfänger in einer festen Zeitdauer aus. Ist die Laufzeit kürzer als die Hälfte der Anstiegs- oder Abfallzeit, erreicht das vom Empfänger reflektierte Signal den Treiber, bevor sich der Signalzustand ändert. Umgekehrt trifft das reflektierte Signal nach der Zustandsänderung ein. Ist das reflektierte Signal stark genug, kann die überlagerte Wellenform den Logikzustand verändern.
Bestimmung von Hochgeschwindigkeitssignalen
Oben haben wir die Voraussetzungen für Übertragungsleitungseffekte definiert. Doch wie lässt sich feststellen, ob die Leitungsverzögerung die Hälfte der Signalanstiegszeit am Treiberende überschreitet? Typischerweise ist die Anstiegszeit in den Gerätehandbüchern angegeben, während die Laufzeitverzögerung im Leiterplattendesign von der tatsächlichen Leiterbahnlänge abhängt. Die folgende Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Signalanstiegszeit und zulässiger Leiterbahnlänge (Verzögerung).
Die Verzögerung pro Zoll auf einer Leiterplatte beträgt 0,167 ns. Sie erhöht sich jedoch mit zunehmender Anzahl von Durchkontaktierungen, Geräteanschlüssen und Netzbeschränkungen. Hochgeschwindigkeitslogikbausteine weisen typischerweise eine Signalanstiegszeit von ca. 0,2 ns auf. Bei Leiterplatten mit GaAs-Chips beträgt die maximale Leiterbahnlänge 7,62 mm.
Sei Tr die Anstiegszeit des Signals und Tpd die Laufzeitverzögerung der Signalleitung. Liegt Tr ≥ 4Tpd, befindet sich das Signal im sicheren Bereich. Liegt 2Tpd ≥ Tr ≥ 4Tpd, befindet sich das Signal im unsicheren Bereich. Liegt Tr ≤ 2Tpd, befindet sich das Signal im problematischen Bereich. Für Signale im unsicheren oder problematischen Bereich sollten Hochgeschwindigkeits-Routing-Verfahren eingesetzt werden.
Was ist eine Übertragungsleitung?
Die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte lassen sich äquivalent als Reihen- und Parallelschaltungen von Kapazität, Widerstand und Induktivität modellieren, wie im folgenden Diagramm dargestellt. Der typische Wert für den Reihenwiderstand liegt bei 0,25–0,55 Ohm/Fuß.
Aufgrund der Isolierschicht ist der Parallelwiderstand üblicherweise sehr hoch. Nach Hinzurechnung von parasitären Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten zur Leiterbahn auf der Leiterplatte wird die resultierende Impedanz entlang der Leiterbahn als charakteristische Impedanz Zo bezeichnet. Zo sinkt mit zunehmender Leiterbahnbreite, Annäherung der Leiterbahn an die Versorgungs-/Masseebene oder steigender Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht.
Bei Fehlanpassungen der Impedanzen zwischen Übertragungsleitung und Empfangsende unterscheiden sich das Ausgangsstromsignal und der stationäre Endzustand des Signals. Dies führt zu Reflexionen am Empfangsende, wo das reflektierte Signal zur Signalquelle zurückgesendet und erneut reflektiert wird. Mit abnehmender Energie sinkt die Amplitude des reflektierten Signals, bis sich Spannung und Strom des Signals stabilisieren. Dieser Effekt wird als Oszillation bezeichnet, und Signaloszillationen sind häufig sowohl an den steigenden als auch an den fallenden Flanken des Signals sichtbar.
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Übertragungsleitungseffekte von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten