Signal Integrity Tutorial

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In diesem Tutorial zur Signalintegrität SI (engl. signal integrity) werden in einzelnen kurzen Filmen die Grundbegriffe der High-Speed Datenübertragung erklärt. Wenn digitale Signalleitungen im PCB Layout länger sind als die kritische Länge, dann sind es nicht mehr normale Leitungen, sondern Übertragungsstrecken (engl. Transmission Line). Das bedeutet, High-Speed Signale müssen spezielle Designregeln berücksichtigen. Solche Designregeln entnehmen Sie ihrem Datenblatt der Bauteile oder ermitteln diese selbst durch eine SI-Simulation der Signalintegrität.

Signalintegrität Tutorial

Kritische Länge (critical length)

Bei der Übertragung von digitalen Signalen ändert sich die Eigenschaft der Übertragungsstrecke. Bei kurzen Leitungslängen bleibt das Signal nahezu unverändert. Bei langen Leitungslängen kommt es zu Reflektionen und Verzögerungen. Die kritische Länge einer Leitung gibt an, ab wann die Verbindung als Übertragungsstrecke (Transmission Line) betrachtet werden muss. Die kritische Länge berechnet sich aus der Signalgeschwindigkeit und der Anstiegszeit.

 

Übertragungsgeschwindigkeit (Propagation Delay)

Bei Leitungen auf einer Leiterplatte (PCB) wird zwischen zwei Leitungsarten unterschieden. Die Microstripline ist auf Außenseiten und hat nur eine Bezugsebene (Reference Plane), während die Stripline auf Innenlagen zwischen zwei Bezugsebenen verläuft. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Signals bei einer Stripline berechnet sich einfach, da nur eine Dielektrizitätskonstante (εr) berücksichtigt werden muss und es kommt meist ein Wert um die 15 cm/ns raus. Bei einer Microstripline ist auf der einen Seite Luft bzw. Schutzlack und die Berechnung ist komplexer. Die Übertragungsgeschwindigkeit auf Microstriplines ist schneller als auf Innenlagen.

 

Incident Wave (einlaufende Welle / Anfangsamplitude)

Wenn ein Treiber an eine lange Leitung angeschlossen ist, "sieht" er zu Beginn nur eine Transmission Line. Die Amplitude des Treibersignals ist abhängig von der Impedanz und dem Innenwiderstand des Treibers. Je stärker der Treiber ist, desto kleiner ist sein Innenwiderstand. Aus der gemessenen ersten Amplitude kann der Innenwiderstand eines Treibers berechnet werden.

 

Reflektionen

Immer wenn ein übertragenes Signal auf eine Diskontinuität der Impedanz trifft kommt es zu Reflektionen. Ursachen für Diskontinuitäten sind: Impedanzwechsel (Lagenaufbau), Durchkontaktierungen oder Impedanz-Lasten. Die Amplitude und die Polarität der reflektierten Welle ist das Produkt aus der Incident Wave und dem Reflektionskoeffizienten. Die Signalspannung ist die Summe der Incident Wave und der (positiven bzw. negativen) reflektierten Welle. Auch reflektierte Signale werden wieder am Treiber reflektiert, nachdem sie komplett vom Empfänger zum Treiber zurückgelaufen sind.

 

Übertragungsstrecke (Transmission Line)

Früher konnten Verbindeungen auf Leiterplatten als ideal angenommen werden, da das angelegte Signal quasi gleichzeitig am Empfänger ankam. Bei heutigen hohen Frequenzen und damit schnellen Anstiegszeiten kommt es zu unterschiedlichen Signalen am Sender und Empfänger. Die Verbindungen auf der Leiterplatte müssen als Ersatzschaltbild aus kaskadierten RLGC Elementen angenommen werden. Somit ändert sich das Wechselstromverhalten insbesondere für hohe Frequenzen.

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