Differenzialpaar-Routing für Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten zur Erhaltung der Signalintegrität

July 25, 2017 Altium Designer

Sound wave on oscilloscope

 

Ich hatte einmal ein Blind Date mit einer Frau, die (was ich damals nicht wusste) immer zu spät kam. Ich kam rechtzeitig zum Restaurant und wartete 20 Minuten, bevor es mir in den Sinn kam, dass ich wohl versetzt worden war. Als ich gerade gehen wollte, traf meine Verabredung ein. Wäre sie fünf Minuten später gekommen, hätten wir uns verpasst. Das Gleiche kann auf Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten passieren, wenn Differenzialpaare nicht korrekt geroutet werden. Das eine Signal kommt korrekt an, trifft jedoch seinen Partner nicht an und kehrt zurück. Auf Leiterplatten hat ein verpasstes Treffen natürlich keine verletzten Gefühle zur Folge. Es bedeutet aber, dass sich die Signalintegrität der Schaltung verschlechtert oder sie im schlechtesten Fall gar nicht funktioniert. Seien Sie deshalb ein guter „Kuppler“ für Ihre Hochgeschwindigkeits-Signale und leiten Sie sie so, dass sie beide rechtzeitig ankommen.

 

Differential-Routing - Tipps und Tricks

 

Bei anschließenden Verabredungen habe ich mit ein paar Tricks versucht, meine Partnerin zur Pünktlichkeit zu bewegen. Man kann sicher darüber streiten, ob Tricks zum Erreichen von Pünktlichkeit bei Verabredungen gerechtfertigt sind. Wenn es aber um die Pünktlichkeit von Differentialpaar-Signalen geht, gewährleisten Tricks die Signalintegrität. Nutzen Sie diese Tipps und gewährleisten Sie, dass Differenzialpaare mit Blick auf ein optimales Timing geroutet werden.

 

Anpassung der Leiterbahnlängen:

Die Anpassung der Leiterbahnlängen sollte beim Routing von Differenzialpaaren oberste Priorität haben. Zwingen Sie nicht das eine Signal über die ganze Leiterplatte zu laufen, während das andere nur nach nebenan muss. Wenn die Leiterbahnlängen für Differenzialpaare nicht übereinstimmen, führt der Zeitunterschied zu einer schädlichen Interferenz und verschlechtert somit die Signalintegrität. Ähnlich wie meine Vorlieben in puncto Körpergröße bei einer Verabredung von den Ihrigen abweichen können, sind verschiedene Schaltungen unterschiedlich tolerant gegenüber ungleichen Leiterbahnlängen. Vergewissern Sie sich, dass Ihre Differenzialpaare übereinstimmen und überprüfen Sie noch vor dem Beginn des Designs deren Toleranzen in Bezug auf Diskrepanzen.

 

Paralleles Routing:

Versuchen Sie beim Routing eines Differenzialpaars seine Bahnen möglichst parallel zu halten. Das parallele Routing eines Differenzialpaars trägt dazu bei, dass sich abgestrahlte Störgrößen gegenseitig aufheben, und hilft bei der Anpassung der Leiterbahnlängen.

 

Luft- und Kriechstrecken:

Genau wie ehemalige und aktuelle Freundinnen sollten verschiedene Differenzialpaare immer so weit wie möglich voneinander entfernt gehalten werden. Wenn mehrere Differenzialpaare in unmittelbarer Nähe geroutet werden, interagieren sie immer negativ. Beschränken Sie Dominanzkämpfe und elektromagnetische Störungen durch viel Abstand auf ein Minimum.

 

Differenzialpaare müssen auch weit weg von Komponenten geroutet werden, die anfällig für elektromagnetische Störungen sind. Dieser Abstand sollte bei den Luft- und Kriechstrecken beachtet werden. Es gibt viele verschiedene Ansätze für die Erfüllung der  Anforderungen in Bezug auf Luft- und Kriechstrecken für Ihre Schaltungen.

circuit board in shape of brain

So sollten Differentialpaare nicht geroutet werden.

 

Keine scharfen Biegungen:

Ein Differentialpaar gerade und ohne jegliche Biegungen zu routen ist die beste Lösung. Ihr PCB-Layout kann jedoch Biegungen erforderlich machen. Frauen lieben manchmal sanfte Männer, Differentialpaare mögen immer weiche Kurven. Scharfe Ecken bei Biegungen strahlen viel mehr elektromagnetische Störungen ab als eine weich verlaufende Biegung. Jede Richtungsänderung bei einem Differentialpaar sollte nicht mehr als 45 Grad betragen. Das ist sowohl am Innen- als auch am Außenrand wichtig, da beide elektromagnetische Störungen abstrahlen können.

 

Durchkontaktierungen:

Ebenso wie es keine gute Idee ist, viele Freundinnen zu haben, ist es nicht ratsam, viele Durchkontaktierungen zu verwenden. Aufgrund der Geometrie von Durchkontaktierungen tritt unweigerlich zumindest eine geringe Signalverschlechterung ein. Bei zu häufigem Einsatz können Durchkontaktierungen außerdem die Signalintegrität erheblich beeinträchtigen und störende Reflexionen im Differenzialpaar verursachen.

 

Wenn Sie aber dennoch Durchkontaktierungen auf Ihrer Leiterplatte verwenden müssen, stellen Sie sicher, dass Sie entweder die Stichleitungslänge verkürzen oder die Stichleitung rückbohren (Backdrilling). Eine Stichleitung wird wie eine offene Übertragungsleitung wirken, was zu starken Signalreflexionen führt. Abhängig von der Länge der Stichleitung kann das Signal sogar um 180 Grad wieder in das Differenzialpaar zurück reflektiert werden und das ursprüngliche Signal auslöschen. Der beste Weg, die negativen Auswirkungen einer Stichleitung einzudämmen, ist es, ihre Länge zu minimieren. Die Stichleitungslänge kann durch die Verwendung von blinden oder vergrabenen Durchkontaktierungen oder durch Rückbohren der Stichleitungen minimiert werden. Alle diese Optionen können die Herstellungskosten erhöhen. Bei knappem Budget können Sie die Durchkontaktierungen auch einfach auf entfernte Leiterplattenlagen legen. In einer 8-lagigen Platine wird eine 1-7-Verbindung eine kürzere unbenutzte Stichleitung haben als eine 1-2-Verbindung.

 

Es ist auch wichtig, jeder Signalverzögerung zu begegnen, die durch eine Durchkontaktierung verursacht wird. Das kann entweder durch die Verwendung der gleichen Anzahl von Durchkontaktierungen auf beiden Leiterbahnen des Differenzialpaares oder durch Hinzufügen einer Serpentine im Routing der Leiterbahn ohne Durchkontaktierung erfolgen. Keiner ist gern der überflüssige Dritte bei einem Date, also stellen Sie sicher, dass alles gut abgestimmt ist.

 

Close-up of PCB tracks

Parallel verlaufende Leiterbahnen ideal ausgelegt.

 

Wie Sie Ihren Computer dazu bringen, die Arbeit für Sie zu machen

 

Zum Optimieren Ihrer Leistung sollten Sie Ihren Computer einen Teil der Arbeit machen lassen. Ihre  PCB-Designsoftware sollte in der Lage sein, automatisch einige dieser Regeln zu überprüfen (z. B. die Luftstrecke). Fortschrittlichere Software hilft Ihnen auch bei der eigentlichen Leiterbahnführung von Differenzialpaaren. Altium Designer hat vielleicht keine Lösungen für Ihr Liebesleben, aber es bietet zahlreiche Funktionen, um Benutzern bei der Leiterbahnführung von Differenzialpaaren zu helfen.

 

Trotz unserer zeitlichen Differenzen bin ich weiter mit meinem Blind Date ausgegangen. Die Pünktlichkeitsprobleme sind immer noch da, aber unsere Beziehung funktioniert. Wenn Sie Probleme mit der Leiterbahnführung von Differenzialpaaren auf Ihrer Leiterplatte haben, hat diese vielleicht nicht so viel Glück. Achten Sie darauf, die oben genannten Richtlinien zu befolgen, um die Signalintegrität auf Ihrer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte zu gewährleisten.

 

Wollen Sie mehr Ratschläge für das Differentialpaar-Routing? Sprechen Sie mit einem Experten von Altium.

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PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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