5 Tipps für ein besseres High

Kerry Chayka | 25. Mai 2023

Das Design von Hochgeschwindigkeitsschaltungen ist einer der grundlegendsten und gleichzeitig anspruchsvollsten Bereiche des Elektronikdesigns. Heutzutage werden häufig Hochgeschwindigkeitsschaltungen verwendet, da Standards wie USB, HDMI und PCIe von den meisten professionellen Elektroingenieuren verlangen, in die Welt der Hochgeschwindigkeit einzutauchen. Mit Blick auf die Zukunft sehen wir einen allgemeinen Trend zu steigenden Taktfrequenzen, was bedeutet, dass Hochgeschwindigkeitssignale noch häufiger vorkommen werden. Wenn Sie heute Elektronikdesigner sind, kommen Sie an hoher Geschwindigkeit einfach nicht vorbei.

Hochgeschwindigkeitssignale bringen zusätzliche Komplexität und einzigartige technische Herausforderungen mit sich, die das Design von Hardware weniger einfach machen. Eine dieser technischen Überlegungen ist die Impedanzanpassung – ein einzigartiger und weniger bekannter Bereich des Schaltungsdesigns. In diesem Beitrag werde ich die Grundlagen der Impedanzanpassung behandeln und fünf Tipps geben, um sicherzustellen, dass jedes Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesign wie vorgesehen funktioniert.

Um zu verstehen, wie Hochgeschwindigkeitsschaltungen entworfen werden, müssen wir uns zunächst mit der Übertragungsleitungstheorie befassen.

Alle Leiter in einem Stromkreis haben aufgrund der aggregierten Beiträge von parasitärer Kapazität, Induktivität und Widerstand eine charakteristische Impedanz. In den meisten langsameren Systemen sind die Auswirkungen dieser Parasiten vernachlässigbar, da die Auswirkungen von Induktivität und Kapazität mit der Frequenz skalieren. Sobald die Frequenzen jedoch hoch genug ansteigen, sind diese Parasiten nicht mehr vernachlässigbar und Übertragungsleitungseffekte kommen ins Spiel.

Dies geschieht insbesondere dann, wenn die Wellenlänge eines Signals mit der physikalischen Länge des Leiters vergleichbar wird. Wenn alternativ die Länge der Verbindung in Zoll länger als das Doppelte der Anstiegszeit des Signals in Nanosekunden ist, sind Übertragungsleitungseffekte relevant.

Ein Stromkreis, der Übertragungsleitungseffekten ausgesetzt ist, wird durch seine charakteristische Impedanz charakterisiert, die üblicherweise mit Z0 bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine mathematische Abstraktion des Verhaltens der Übertragungsleitung, das durch die Geometrie der Leitung bestimmt wird. In Hochgeschwindigkeitsschaltungen ist die charakteristische Impedanz relevant, da es bei einer Nichtübereinstimmung zwischen der Lastimpedanz (oder Quellenimpedanz) und der charakteristischen Impedanz der Leitung zu Signalreflexionen im Schaltkreis kommt. Mit anderen Worten: Wenn die Impedanz der Last (oder Quelle) nicht genau der charakteristischen Impedanz der Leitung entspricht, wird ein Teil der Signalenergie entlang der Leitung zurückreflektiert. Der Anteil der Signalreflexion wird durch die Gleichung (Zl-Z0/Zl+Z0) definiert.

Reflexionen wirken sich äußerst nachteilig auf die Leistung der Schaltung aus, da sie zu Signalverzerrungen und Stehwellenmustern entlang der Übertragungsleitung führen. Wenn das Signal verzerrt wird, wird seine Integrität beeinträchtigt, die Signalqualität verschlechtert sich und die Daten auf dem Bus können beschädigt werden. Wenn die Auswirkungen von Übertragungsleitungen nicht sorgfältig berücksichtigt werden, können Hochgeschwindigkeitsschaltungen vollständig ausfallen.

Um die Auswirkungen von Signalreflexionen in Hochgeschwindigkeitsschaltungen abzuschwächen, müssen wir die Impedanzen kontrollieren, denen das Signal während unseres gesamten Designs ausgesetzt ist.

Impedanzanpassung oder Impedanzkontrolle ist eine Technik im Leiterplattendesign (PCB), bei der Sie Ihre Leiterplattenbahnen gezielt so gestalten, dass Signalreflexionen auf ein Minimum beschränkt werden.

In den meisten Fällen wird die Zielimpedanz für Ihr Signal durch das Protokoll und die Teile, die dieses Protokoll implementieren, definiert. Beispielsweise erfordert USB im Allgemeinen eine Zieldifferenzimpedanz von 90 Ohm, während viele Standard-Single-Ended-Protokolle 50 Ohm als Ziel vorgeben.

Ein Designer kann die Impedanz seiner Leiterbahnen steuern, indem er die Geometrie der Leiterbahn sorgfältig wählt und diese Abmessungen an die Eigenschaften des Substratmaterials anpasst. Die wichtigsten geometrischen Variablen sind hier die Leiterbahnbreite, -dicke und der Abstand zu Masseebenen, die sich alle direkt auf die Impedanz eines Signals auswirken. Weitere materialbasierte Variablen sind Substrateigenschaften wie die Dielektrizitätskonstante. In der Praxis werden diese Werte mithilfe eines PCB-Rechners ermittelt, der häufig außerhalb des PCB-Designtools installiert ist.

Die Durchführung der Impedanzanpassung hängt auch von der Art des vorhandenen Signals und der Art seiner Weiterleitung ab. Wenn Sie beispielsweise mit Differenzsignalen arbeiten, müssen Sie die Kopplung zwischen Signalen bei Impedanzberechnungen berücksichtigen. Auch hier ist der Abstand zwischen den Leiterbahnen eine wichtige Variable zur Steuerung der Impedanz. In vielen Fällen werden Hochgeschwindigkeitssignale als Differenzpaare weitergeleitet.

Mit einem tieferen Verständnis des Verhaltens und der Impedanzanpassung von Hochgeschwindigkeitsschaltungen werden wir nun einige wichtige Überlegungen für das Design von Hochgeschwindigkeitsschaltungen untersuchen. Die folgenden 5 Tipps habe ich im Laufe meiner Karriere als Hardware-Designer gelernt. Wenn Sie diese fünf Überlegungen in Ihre Hochgeschwindigkeitsdesigns integrieren, können Sie sicher sein, dass Ihre Schaltung die erwartete Leistung erbringt.

Wie bereits erwähnt, ist es beim Betrieb mit hohen Signalgeschwindigkeiten notwendig, kontrollierte und angepasste Impedanzen in Ihrem Design zu haben. Ihre Zielimpedanz wird durch den Bustyp definiert, mit dem Sie arbeiten (z. B. USB 90 Ohm), und Sie müssen die richtige Leiterbahnbreite und den richtigen Abstand verwenden, um Ihre Zielimpedanz zu erreichen und sicherzustellen, dass die Impedanz über den gesamten Pfad konsistent ist.

Hochgeschwindigkeitssignale sind anfällig für Rauschen und erzeugen auch Rauschen, das sich auf Signale in der Nähe auswirkt. Um die Auswirkungen dieses Rauschens in Ihrer Schaltung zu minimieren, ist es ratsam, auf beiden Seiten des Signals Erdungsabschirmungen (GND) zu verwenden. Wenn sich Ihr Signal beispielsweise auf PCB-Schicht 2 befindet, stellen Sie sicher, dass Schicht 1 und Schicht 3 das Signal mit einer festen Erdung umgeben. Denken Sie daran, dass der Abstand Ihres Signals zum GND seine Impedanz bestimmt. Ändern Sie daher die GND-Position nicht, ohne zu berücksichtigen, wie sich dies auf die Impedanz auswirkt. Inkonsistente Erdungsbezüge führen ebenfalls zu Impedanzdiskontinuitäten.

Im Allgemeinen wird davon abgeraten, bei der Weiterleitung von Hochgeschwindigkeitssignalen Vias zu verwenden. Dies ist jedoch nicht immer möglich. Wenn die Verwendung von Durchkontaktierungen unvermeidlich ist, denken Sie daran, dass bei einem Signalpaarwechsel die Lage auch die Massereferenz wechseln muss. Die charakteristische Impedanz des Signals wird durch das Signal und seinen Rückweg definiert. Um die Impedanz konstant zu halten und Reflexionen zu vermeiden, müssen Sie daher sicherstellen, dass Ihr GND-Rückstrom einen ebenso sauberen Pfad hat wie das Signal selbst. Das heißt, wenn Ihr Signalpaar auf eine bestimmte GND-Schicht verweist und das Signalpaar auf eine andere Schicht verschoben wird, muss die ursprünglich referenzierte GND-Schicht entsprechend verschoben werden. Andernfalls sind die Rückwege diskontinuierlich und Ihre charakteristische Impedanz liegt außerhalb der Spezifikation.

Neben der Impedanzanpassung ist die Längenanpassung ein weiteres wichtiges Konzept beim Design von Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Signale haben Ausbreitungsverzögerungen, die bestimmen, wie lange es dauert, bis ein Signal vom Sender zum Empfänger gelangt. Damit die Signale zum richtigen Zeitpunkt eintreffen, muss die Länge der Signalspuren entsprechend angepasst werden. Eine allgemeine Faustregel besagt, dass ein Signal auf einer Leiterplatte etwa 6 mil/Pikosekunde zurücklegt. Der Längenabgleich kann zwei Formen annehmen: P/N-Abgleich und Busabgleich. P/N-Abgleich bedeutet, dass Sie sicherstellen müssen, dass die Leiterbahnen für beide P und N Signale in einem Differenzpaar sind auf die gleiche Länge abgestimmt. Ist dies nicht der Fall, werden die Signale anfällig für Rauschen und Strahlung, die sich negativ auf die Rekonstruktion des Signals auf Bitebene auswirken.

Busanpassung bedeutet, dass bei Signalen, die sich auf einen Takt beziehen, die Datensignale gleichzeitig mit dem Taktsignal oder so nah wie möglich am Empfänger ankommen müssen. Dazu müssen die Bussignalspuren die gleiche Länge wie das Taktsignal haben.

Ein weniger bekannter Tipp ist das Abmildern von Impedanzdiskontinuitäten in einer Hochgeschwindigkeitsschaltung. Wenn Ihre Leiterbahn nicht so breit ist wie das Pad, mit dem sie verbunden ist, stellt der Punkt, an dem sich Leiterbahn und Pad treffen, eine Impedanzdiskontinuität dar (unterschiedliche Breiten = unterschiedliche Impedanzen!). Diese Diskontinuität abzumildern, ist ein Trick des Handwerks besteht darin, die GND-Ebene unter dem Pad (die eine größere Breite als die Leiterbahn hat) zu entleeren und das Pad stattdessen auf eine GND-Ebene eine Schicht tiefer zu verweisen. Dadurch vergrößern Sie den Abstand zwischen dem Pad und GND und gleichen die Auswirkungen der größeren Breite auf die Impedanz effektiv aus. Durch diese Kompensation werden Impedanzfehlanpassungen begrenzt.

Weitere Informationen zu Textformaten