Grundlagen der Signalintegrität bei Datensignalen
Übersprechen (Crosstalk)
Übersprechen sind jegliche Einkoppelungen von einem Pfad in einen anderen. Das ist im Allgemeinen nicht gewollt, da sich Nutzsignale überlagern und verfälscht werden. Das kann überall sein, z.B. im Halbleiter selbst, über Leiterbahnen oder auch im Steckverbinder.
Pfade des Übersprechens
Übersprechen wird im Verhältnis der Spannungen in dB ausgedrückt, welches sich von einem Agressor (Im Bild „Disturber modem“) auf das Opfer (Im Bild „Victim modem“) zeigt. Unterschieden wird im „Near End Crosstalk“ (NEXT, Nahübersprechen) und „Far End Crosstalk“ (FEXT, Fernübersprechen). Beim NEXT wird am nahen Ende die Einkoppelung der Störung gemessen und beim FEXT am fernen Ende. Beim Vergleich von FEXT zu NEXT mag eine Dämpfung vorhanden sein, je nach Beschaffenheit und Länge des dazwischenliegenden Pfades. Im Allgemeinen gelten -30dB bis -40dB als typischerweise akzeptable Werte. Bei -40dB wären noch 1% (Faktor 0,01) des einkoppelnden Signals gemessen. Es gibt auch Systeme, die -70dB verlangen. In diesen Fällen kann man beim Steckverbinder mehr Massepins vorsehen und die signalführenden Pins weiter auseinandersetzen. Das geht allerdings zu Lasten der möglich nutzbaren Pindichte.
Ohne zusätzliche vias
Mit zusätzlichen vias
Im Beispiel links wird ein differentielles Signal im Gleichtakt gezeigt, welches durch Vias in die Platine geht. Das kann auch komplexer eine Break-Out-Region eines Steckverbinders sein. Deutlich sind die Koppelungen in Form einer elektromagnetischen Welle zu sehen, die dann in Folge an anderer Stelle einkoppeln können. Setzt man in unmittelbarer Nähe zusätzliche Vias (Bild rechts) wird die Koppelung kurzgeschlossen und mit Hilfe der Ableitung zur Masse minimiert. In der Praxis ist es somit hilfreich an die Vias mit Nutzsignalen Vias zu den Groundpins zu legen, um die Ausbreitung zu dämpfen.
Zusammenfassung
Als Faustregel ist Folgendes zu beachten:
- -5dB Einfügedämpfung ist bei Empfängern normalerweise kein Problem (einige Systeme auch mehr)
- Die Rückflussdämpfung sollte -10dB nicht überschreiten
- -30 bis -40dB Übersprechdämpfung sind ausreichende Werte
- Hilfreich ist es die Annahmen, die benötigt werden, zu dokumentieren
Hilfreich für eine Verbesserung der Einfügedämpfung:
- Verwendung eines besseren, weniger verlustbehafteteren PCB-Materials
- Das System anpassen für eine geringere Reflektion und bessere Einfügedämpfung
Hilfreich für eine ausreichende Rückflussdämpfung
- Auch hier: Anpassung
- Ggf. Einfügedämpfung hinzufügen
- Größerer Abstand des Verlaufs benachbarter Signale, Reduzierung der Kapazität (C)
- Einfügen von Pins/Vias zwischen Signalpaaren
- Asymmetrische zu symmetrischer Signalübertragung abwägen (single ended vs. differential pair)
Übersprechen & EMI
- Vermeidung aggressiver Signale bzw. auf Abstand achten
- Separierung Signale/Versorgungsleitungen mit hohen Strömen zu Datensignalen
- Bei Highspeed-Steckverbindern die Innenlagen nutzen, um ggf. Masse/Schirmung des Steckverbinders sowie Masselagen in der Platine zu nutzen
- Geschirmte Leitungen verwenden
- Sicherstellung einer ausreichenden Anzahl an Massepins in hochpoligen Highspeed-Arrays
- Auch hier: Single ended vs. differential pair
Auf ein gutes Layout achten
- Auf korrekten & impedanz-angepassten Lagenaufbau achten
- Dogbone + Pad als Standard, ggf. "via-in-pad-Design" für extrem hohe Packungsdichten
- Eng aneinanderliegende Leiterbahnen bei symmetrischer Leiterführung
- Optimalerweise kurze Leiterbahnenlängen zum Halbleiter
