Die Grundlagen zu High-Speed Designs
Mit zunehmender Miniaturisierung und Anforderungen an mehr Leistung und höhere Geschwindigkeiten der Produkte, werden immer mehr Elektronik Entwickler gezwungen Regeln für sogenannte High-Speed Designs auf Leiterplatten (PCBs) anzuwenden. Was bedeutet eigentlich High-Speed? Werden da etwa die Elektronen auf den Leiterbahnen schneller? Nein, natürlich nicht. Die Elektronen auf Leiterplatten bewegen sich auf Leiterbahnen mit der gleichen Geschwindigkeit von ca. der halben bis 2/3 der Lichtgeschwindigkeit. (Lichtgeschwindigkeit = rund 300.000 Kilometer pro Sekunde). Aber einige parasitäre Effekte kommen mit schnelleren Designs immer mehr zu tragen. Diese parasitären Eigenschaften kann man mit High-Speed Regeln, auch Constraints genannt, kontrollieren.
Sobald eine Entwicklung als High-Speed bezeichnet wird, müssen Regeln beachtet werden, die zuvor bei ‘normalen’ digitalen Entwicklungen vernachlässigt werden konnten. Somit ist es für digitale Entwickler wichtig, diese für sie neuen Regeln auf die im Sprachgebrauch genannten ‘heißen Leitungen’ anzuwenden. Diese Leitungen, bei denen die Regeln angewendet werden müssen nennt man auch Übertragungsstrecken oder im englischen ‚Transmission Lines’.
Fourier Transformation
Die Effekte, die bei High-Speed-Designs auftreten, sind nichts neues, da sich bereits 1822 der Mathematiker Jean-Baptiste-Joseph Fourier mit diesem Phänomen theoretisch vertraut gemacht hat und dazu eine Methode entwickelt hat Signale mathematisch zu beschreiben:
Jedes Signal lässt sich als Gemisch (Summe) aus einzelnen Sinussignalen unterschiedlicher Frequenz, Amplitude und Phasenlage darstellen. Mit welcher Intensität die einzelnen Anteile in Abhängigkeit von der Frequenz im Signal enthalten sind zeigt das Frequenzspektrum.
Für digitale Signale gilt: Ein beliebiges periodisches Signal f(t) lässt sich zerlegen in einen Gleichanteil, in eine harmonische Schwingung mit einer Grundfrequenz ?0 und den Oberschwingungen, deren Frequenzen ganzzahlige vielfache der Grundfrequenz sind.
Im Bild zu den Fourier Reihen erkennt man wie aus verschiedenen Sinus-kurven mit der Frequenz ?0 und der 3- und 5-fachen Frequenz von ?0 sich ein digitales Signal zusammenbauen lässt. Hier ist schön zu erkennen, daß das digitale Signal die gleiche Taktfrequenz ?0 hat, wie die Grundschwingung.
Umgekehrt läßt sich daraus der Schluß: Wenn ein digitales Signal z.B. 50 MHz beträgt, so müssen für die parasitären Effekte auch die 3- , 5- und evtl die 7-fache Frequenz berücksichtigt werden. Bei der 7-fachen Frequenz kann diese theoretisch endlose Reihe abgebrochen werden, da die Spannungsanteile der Oberschwingungen mit steigender Frequenz glücklicherweise auch abnehmen. In unserem Beispiel hätten wir also Frequenzen von 350MHz für die 7-fache Oberschwingung zu berücksichtigen.
Anstiegszeit als wahre Ursache?
Wie im Bild zu den Fourier-Reihen zu sehen, kann aus einer Grundfrequenz und deren Oberschwingungen ein digitales Signal „gebaut“ werden. Um so mehr Oberschwingungen betrachtet werden, desto steiler wird auch die Anstiegszeit (rise time tr) des Signals. Dies wiederum bedeutet, das eine langsamme Taktfrquenz normalerweise mit einer dazugehörigen Anstiegszeit zusammengehört. Da in einer Schaltung die Signale aber von einem realen Bauteil abgesendet werden, sind beide Werte zu betrachten; Frequenz und Anstiegszeit auf der Leitung. Im Bild ist die Anstiegszeit tr beschrieben. Als Anstiegszeit wird die Dauer bezeichnet, die ein Signal braucht um von 10% bis auf 90% des Wertes anzusteigen. (In einigen besonders gekennzeichneten Fällen ist es auch 20% bis 80%).
Digitale Signale
Wie viele Leser bereits wissen, ist die Idee bei einer digitalen Schaltung eine Information mit bestehend aus 1 und 0 durch verschiedene Spannungen darzustellen. Dazu werden trapezförmige Signale (siehe Bild 2) gesendet und empfangen, wobei die höhere Spannung die 1 darstellt und die niedrigere Spannung die 0 repräsentiert. Die elektrischen Verbindungen übermitteln die Information von einem Silizium Chip (IC) zum empfangenden Chip. Die gesamte Strecke zwischen den beiden Chips hat physikalische Eigenschaften, wie zum Beispiel das Gehäuse, Anschlüsse, Stecker, Durchkontaktierungen und die zuletzt auch die Leiterplatte mit Kupferbahnen und Isolierung. Auch externe Einflüsse können das Signal, oder zumindest dessen Qualität beeinflussen. Bei Signalbussen sind dies zum Beispiel die benachbarten Leitungen oder allgemein Elektromagnetische Felder, die auf die Leitungen wirken.
Um das Signal sicher empfangen zu können, ist ein Schaltbereich (threshold area) festgelegt. Erst wenn das Signal eine größere Spannung aufweist als dieser Schwellenwert, dann wird es sicher als 1 erkannt. Gleiches gilt für die 0, bei der ein bestimmter Schwellenwert unterschritten sein muss. Zwischen diesen Schwellwerten ist der Zustand undefiniert und das Ergebnis beim Empfänger zufällig. Diese Schwellwerte sind keine klar definierten Werte, da sie abhängig von der Temperatur, Versorgungsspannung Silizium Prozess und anderen Variablen sind. Die Aufgabe eines digitalen Entwicklers lässt sich einfach definieren: Es muss sicher gestellt sein, das ein Signal zu jeder Zeit und in jedem Betriebszustand des Systems sicher erkannt wird. Es muss sichergestellt sein, das die Signalqualität (Signal Integrity) ausreicht.
Um höhere Geschwindigkeiten von Signalen zu erreichen, muss die Zeit in der sich das Signal zwischen diesen beiden Schwellwerten befindet kurz gehalten werden. Daraus resultiert, das die Anstiegs- und Abfallzeiten so kurz wie möglich sind. Heutzutage sind bereits Anstiegszeiten von bis zu einigen hundert Piko Sekunden zu finden. Wie aus den Fourier Reihen zu ersehen ist, müssen dann Frequenzen der Oberschwingungen für die frequenzabhängigen Störeffekte berücksichtigt werden um diese schnellen Werte erzielen zu können.
Die Leiterbahn als Übertragerstrecke
Jeder elektrische Leiter hat eine Kapazität, eine Induktivität und einen frequenzabhängigen ohmschen Widerstand. Mit steigenden Frequenzen können diese elektrischen Eigenschaften nicht mehr vernachlässigt werden, da sie anfangen das Signal sichtbar zu beeinflussen. Eine Leiterbahn ist dann nicht mehr einfach eine ideale Verbindung, sondern sie wird zu einem elektrischen Bauteil das beschrieben und berücksichtigt werden muß. Diese parasitären Eigenschaften erzeugen zusätzlich eine Verzögerung der Signale und durch die Impedanz dieser Leitung kommt es zu Veränderungen in der Form des Signals und somit zu einem anderen Schaltverhalten.
Diese Leitung wird nun durch die Umgebung beeinflusst. Die Strom- und Spannungsversorgung hat einen Einfluss, sowie alle anderen benachbarten Signale, die durch übersprechen (Cross-talk) das Signal manipulieren. Das Signal ist nicht nur auf der Leiterbahn selbst zu finden, sondern erzeugt auch ein elektromagnetisches Feld, das in Wechselwirkung mit anderen Feldern in der näheren Umgebung der Leiterbahn ist. Bei noch höheren Frequenzen, müssen Effekte, die auf der Leiterbahn selbst stattfinden berücksichtigt werden – hierzu zählen Gehäuseformen, Anschlüsse, Durchkontaktierungen und die Form der Leiterbahn an sich. All diese High-Speed Effekte haben einen Einfluss auf die Signalqualität und verändern die Form des Signals, was zu einer anderen Betrachtungsweise für den Entwickler bei High-Speed Leitungen, oder Übertragungsstrecken führt.
Weiterhin haben diese parasitären Effekte Einfluss darauf, wie viel Energie an die Aussenwelt abgestrahlt wird und damit andere Geräte stört. Hierzu sind besondere Abstrahlungsnormen und gesetzlich Grenzwerte aus verschiedenen Ländern einzuhalten.
Verspätung der Information ist längenabhängig
Wenn ein Leiter als eine Aneinanderreihung von Induktivitäten und Kapazitäten betrachtet werden muß, wird er auch Übertragungsstrecke genannt. Im allgemeinen muß dies getan werden, wenn die physikalische Länge des Leiters die gleiche Länge hat, wie die Wellenlänge des schnellsten zu berücksichtigenden Signals. In der digitalen Welt bestimmt die Anstiegszeit quasi die maximal zu berücksichtigende Frequenz des Signals. Bei einer Anstiegszeit von 1 ns ist die Strecke auf er Leiterkarte, die dieser Signalwechsel beträgt ca. 15 cm lang (vergl. Elektronengeschwindigkeit auf Leiterbahnen).
Mit der Verzögerungszeit (propagation delay) ist die Zeit gemeint, die das Signal braucht, um beim Empfänger anzukommen. Abhängig von der Anstiegszeit und der Leitungslänge kann folgende Aussage getroffen werden. Leitungslängen die länger sind als ein zehntel der Verzögerungslänge müssen als Übertragungsleitung betrachtet werden. In unserem Beispiel mit 1 ns sind das also alle Leitungslängen größer als 1,5 cm. Hieraus ist zu ersehen, daß in Topologien mit einem Sender und mehreren Empfängern die Länge der Leitungsstücke zu den einzelnen Empfängern eine Rolle spielt und kontrolliert werden muß. Dies kann manuell durch einzelnes messen oder unterstützt von Layout Programmen wie Allegro erfolgen. Diese Effekte kennt jeder durch die Verzögerungen beim Telefonieren mit Überseekabeln. Dort ist das Verhältnis der Sprachfrequenz und der Verzögerungslänge zu berücksichtigen. Beim verlustlosen Transport der Signale via Satelit kommt es dagegen zu keiner spürbaren Verzögerung.
Vorhersagen bei High-Speed-Designs
Der Übergang von einer "normalen", langsamen digitalen Schaltung zu einer High-Speed Schaltung ist fließend. Somit läßt sich auch die Frage ab wann diese Regeln beachtet werden müssen nicht eindeutig beantworten. Die eindeutige Antwort ist, wenn die Schaltung am Ende nicht funktioniert, da die Signalqualität nicht immer sicherzustellen ist, liegt ein High-Speed Problem vor. Diese Art von Aussage ist natürlich keine Lösung, da diese Art von Fehler nicht im Labor repariert werden kann, d.h. Signalqualität muß von vornherein in die Schaltung eindesigned werden. Die Methode „Try and Error“ ist wohl die kostspieligste Entwicklungsmethode. Heutzutage werden Simulationstools verwenden, mit denen sich sehr gute Vorhersagen treffen lassen.
Mit Modellen (z.B. IBIS) werden die Strom- und Spannungsverläufe der einzelnen Bauteile am Ein- und Ausgang beschrieben. Somit läßt sich aus diesen Modellen und den elektrischen Eigenschaften der Leiterplatte der Signalverlauf am Empfänger vorhersagen. Bei einfachen Topologien mit einem Sender und einem Empfänger lassen sich solche Effekte noch von Hand oder mit einem analogen Simulationstool wie z.B. PSpice berechnen. Werden die Topologien aber komplexer, so wird auch das Signalverhalten auf der Leitung komplex. Solche Effekte werden z.B. mit einem Tool wie SPECCTRAQuest Signal Explorer vorhergesagt, die sogar Durchkontaktierungen und den Lagenaufbau aus dem Layout extrahieren können. Wenn das Verhalten von mehreren Signalen und deren EMV Einflüsse untereinander, wie Übersprechen, vorhergesagt werden sollen, dann verwendet man Tools wie SPECCTRAQuest SI Expert, die über einen Field-Solver verfügen. Die genannten Tools sind Produkte vom Hersteller Cadence.
Faustregeln
Ist eine Taktfrequenz größer als 50MHz, sind bereits High-Speed Regeln zu beachten.
Bei Netzen, wo ein Bauteil eine Anstiegszeit kleiner als 1 ns (Nanosekunde) hat, sind bereits High-Speed Regeln zu beachten.
Moore’sches Gesetz: Die Frequenzen auf Ihren jeweils neusten Schaltungen verdoppeln sich alle 18 Monate.
In einer Nanosekunde (1ns) bewegen sich die Elektronen 15-20 cm auf der Leiterkarte.
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