Mit der massiven Zunahme der Komplexität des Systemdesigns und der Integration arbeiten die Entwickler elektronischer Systeme jetzt an Schaltungen, die mit mehr als 100 MHz arbeiten. Die Betriebsfrequenzen von Bussen haben 50 MHz erreicht oder überschritten, einige übertreffen sogar 100 MHz. Derzeit weisen etwa 50% der Designs Taktfrequenzen von über 50MHz auf, und fast 20% haben Hauptfrequenzen von über 120MHz.
Wenn Systeme mit 50 MHz arbeiten, treten Übertragungsleitungseffekte und Probleme mit der Signalintegrität auf. Bei Taktfrequenzen von 120 MHz versagen Leiterplatten, die mit herkömmlichen Methoden entworfen wurden, wenn nicht Fachwissen über Hochgeschwindigkeitsschaltungen zum Einsatz kommt.
Folglich sind Techniken für den Entwurf von Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu wichtigen Werkzeugen für die Entwickler elektronischer Systeme geworden. Nur durch die Anwendung von Hochgeschwindigkeits-Entwurfsmethoden kann der Entwurfsprozess effektiv gesteuert werden.
Was ist ein Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenschaltung?
Es ist allgemein anerkannt, dass digitale Logikschaltungen, die mit Frequenzen von 45 MHz bis 50 MHz oder höher arbeiten, als Hochgeschwindigkeitsschaltungen eingestuft werden, wenn die bei diesen Frequenzen arbeitenden Schaltungen einen erheblichen Teil (z. B. ein Drittel) des gesamten elektronischen Systems ausmachen.
In der Realität übersteigen die Oberschwingungsfrequenzen der Signalflanken die Grundfrequenz des Signals. Schnelle Übergänge während der Signalanstiegs- und -abfallflanken (oder Signalübergänge) lösen unbeabsichtigte Folgen bei der Signalausbreitung aus. Daher wird allgemein davon ausgegangen, dass solche Signale als Hochgeschwindigkeitssignale gelten und Übertragungsleitungseffekte aufweisen, wenn die Leitungsverzögerung die Hälfte der Anstiegszeit der treibenden Flanke des digitalen Signals überschreitet.
Die Signalübertragung erfolgt bei Zustandsübergängen, wie z. B. bei Anstiegs- oder Abfallzeiten, sofort. Die Signale werden vom Treiber zum Empfänger über eine feste Dauer übertragen. Wenn die Laufzeit weniger als die Hälfte der Anstiegs- oder Abfallzeit beträgt, kommt das vom Empfänger reflektierte Signal beim Treiber an, bevor sich der Signalzustand ändert. Umgekehrt kommt das reflektierte Signal nach der Zustandsänderung an. Wenn das reflektierte Signal stark genug ist, kann die überlagerte Wellenform den logischen Zustand ändern.
Bestimmung von High-Speed-Signalen
Oben haben wir die Voraussetzungen für Übertragungsleitungseffekte definiert. Doch wie lässt sich feststellen, ob die Leitungsverzögerung die Hälfte der Signalanstiegszeit auf der Treiberseite überschreitet? Normalerweise wird die Anstiegszeit in den Handbüchern der Geräte angegeben, während die Ausbreitungsverzögerung beim Leiterplattendesign von der tatsächlichen Routinglänge abhängt. Die folgende Abbildung zeigt die Beziehung zwischen Signalanstiegszeit und zulässiger Leitungslänge (Verzögerung).
Die Verzögerung pro Zoll auf einer Leiterplatte beträgt 0,167 ns. Die Verzögerung erhöht sich jedoch mit zahlreichen Durchkontaktierungen, Gerätepins und Netzbeschränkungen. Hochgeschwindigkeits-Logikgeräte haben in der Regel eine Signalanstiegszeit von etwa 0,2 ns. Wenn die Leiterplatte GaAs-Chips enthält, beträgt die maximale Routinglänge 7,62 mm.
Tr bezeichnet die Signalanstiegszeit und Tpd die Laufzeit der Signalleitung. Wenn Tr ≥ 4Tpd ist, fällt das Signal in den sicheren Bereich. Wenn 2Tpd ≥ Tr ≥ 4Tpd, fällt das Signal in den unsicheren Bereich. Wenn Tr ≤ 2Tpd, fällt das Signal in den problematischen Bereich. Für Signale, die in den unsicheren oder problematischen Bereich fallen, sollten Hochgeschwindigkeits-Routing-Techniken eingesetzt werden.
Was ist eine Übertragungsleitung?
Die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte können äquivalent als Reihen- und Parallelkapazitäts-, Widerstands- und Induktivitätsstrukturen modelliert werden, wie im folgenden Diagramm dargestellt. Der typische Wert für den Serienwiderstand beträgt 0,25-0,55 Ohm/Fuß.
Aufgrund der Isolierschicht ist der Parallelwiderstandswert in der Regel sehr hoch. Nach der Addition von parasitärem Widerstand, Kapazität und Induktivität zur eigentlichen Leiterbahn wird die resultierende Impedanz entlang der Leiterbahn als charakteristische Impedanz Zo bezeichnet. Zo sinkt mit zunehmender Leiterbahnbreite, der Annäherung der Leiterbahn an die Stromversorgungs-/Erdungsebene oder der Erhöhung der Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht.
Wenn die Impedanz der Übertragungsleitung und der Empfangsseite nicht übereinstimmen, unterscheiden sich das Ausgangsstromsignal und der endgültige stationäre Zustand des Signals. Dies führt zu Reflexionen auf der Empfängerseite, wo das reflektierte Signal zurück zur Signalquelle wandert und erneut reflektiert wird. Mit abnehmender Energie nimmt die Amplitude des reflektierten Signals ab, bis sich Spannung und Strom des Signals stabilisieren. Dieser Effekt wird als Oszillation bezeichnet, und Signaloszillationen sind oft sowohl an der steigenden als auch an der fallenden Flanke des Signals sichtbar.
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Übertragungsleitungseffekte von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten
