Hochgeschwindigkeits-PCB:Ein umfassender Leitfaden

Zweifellos verwenden die meisten regulären Engineering-Projekte das Standard-PCB-Design. Außerdem können herkömmliche Leiterplatten nicht für alles funktionieren. Wenn Sie es also mit einer fortgeschrittenen Anwendung zu tun haben, benötigen Sie eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte.

Das Entwerfen von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten kann jedoch schwierig sein. Sie müssen auf Details wie Signalintegrität, Reflexionen und Übersprechen achten. Wenn Sie mit diesen Begriffen nicht vertraut sind, ist dieser Artikel genau das Richtige für Sie.

In diesem Artikel erfahren Sie alles über Hochgeschwindigkeits-PCBs und die Regeln für deren Design. Wir werden es auch mit einer Hochfrequenz-Leiterplatte vergleichen.

Fangen wir also an.

Was ist eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte?

Hochgeschwindigkeitssystem

Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten sind Geräte, die Hochgeschwindigkeitssignale verwenden, um Daten zwischen Komponenten zu übertragen. Die Signale wandern entlang der Kupferleiterbahnen der Platine, bis sie ihre Ziele erreichen. Außerdem kann das Signal analog oder digital sein.

Allerdings gibt es nur einen kleinen Unterschied zwischen Hochgeschwindigkeits- und Standard-Boards. Aber zuerst müssen Sie Folgendes wissen:Was wir verwenden, um ein System als „Hochgeschwindigkeit“ zu klassifizieren, sind die Signalflankenraten des Systems. Wenn es also schnell ist, ist es eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte. Die Signalflankenrate des Systems trennt also Hochgeschwindigkeits-PCBs von Standard-PCBs.

Wir betrachten auch jede Leiterplatte mit hoher Signalintegrität als Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte. Andere Indikatoren, die Ihnen helfen können, ein Hochgeschwindigkeitsdesign von einem normalen zu unterscheiden, sind, dass Hochgeschwindigkeits-PCBs HF-Frontends für drahtlose Netzwerke haben.

Außerdem konzentrieren sich die meisten Hochgeschwindigkeitsdesigns auf miteinander verbundene Designs, PCB-Stack-up-Designs und Routing. Der dritte Bereich wird also kein Problem sein, wenn Sie in den ersten beiden Bereichen alles richtig machen.

Hochgeschwindigkeits-PCB-Anwendungen

Mehrere Leiterplatten

Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten funktionieren in fast jeder Anwendung. Hier sind einige der Anwendungen, die die Verwendung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten unterstützen:

• Sie können Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten in Netzwerkkommunikationssystemen verwenden. Der Hauptzweck hier ist die Überprüfung der Signalintegrität.
• Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten können digitale Hochgeschwindigkeits-Testplatinen erstellen. Diese Boards können verschiedene Signale testen, einschließlich HF-Signal-Roll-Off.
• Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten können auch leistungsstarke Unterhaltungselektronik mit hohen Stückzahlen und kurzer Markteinführungszeit schaffen.
• Hochgeschwindigkeits-PCBs können auch Funkkreise mit hohen Anforderungen an die Impedanzkontrolle erstellen.
• Zusätzlich funktionieren diese Platinen auch in medizinischen Geräten, die einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfordern.

Zu den weiteren Produkten, die Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten verwenden, gehören:

• Router
• Hochgeschwindigkeits-Datenkanäle
• Server
• Leistungsverstärker
• Storage Area Networks
• Transceiver-Module

Regeln und Herausforderungen für das Hochgeschwindigkeits-PCB-Design

Leiterplatte

Wie jeder andere PCB-Designprozess haben Hochgeschwindigkeits-PCBs Regeln, die ihre Designmethode definieren. Während wir uns einige der Regeln im Detail ansehen, gehen wir auch auf mögliche Herausforderungen beim Design ein.

Impedanz

Beim Entwerfen eines Layouts mit vielen Leiterplatten müssen Sie zwei Impedanzwerte berücksichtigen. Diese Impedanzwerte umfassen die Single-Ended-Impedanz Zo und die differentielle Impedanz Zdiff.

Dies sind die üblichen Impedanzwerte für parallele und serielle Schnittstellen. Außerdem ist es wichtig, beim Entwerfen Ihrer Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten die richtige Impedanz einzuhalten. Andernfalls kommt es zu Signalreflexionen auf Ihren Leiterbahnen.

Das ist nicht alles. Die Verwendung der falschen Impedanz führt auch zu Signalqualitätsverlust, niedriger Arbeitsfrequenz und unerträglicher EMI.

Andere Impedanztypen, die Sie berücksichtigen müssen, auch wenn sie selten sind, sind:

• Gemeinsames ZCM
• Even-Modus Zoe
• Zoo im Odd-Modus

Erdung

Bei den meisten Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs ist es unmöglich, alle Schnittstellen auf einer Ebene zu verfolgen. Daher benötigen Sie die Hilfe von Durchkontaktierungen, um Leiterbahnen auf mehrere Ebenen zu übertragen. Es gibt jedoch bestimmte Regeln, die diesen Prozess regeln.

• Ihre Designs müssen auf allen Ebenen dasselbe GND-Polygonpotential haben, insbesondere in der Nähe der Signaldurchkontaktierungen. Wir nennen diese GND-Durchkontaktierungen Stitching-Durchkontaktierungen, und sie müssen so nah wie möglich am GND-Polygon sein. Wenn Sie sich an diese Regel halten, wird außerdem sichergestellt, dass alle Hochgeschwindigkeitsspuren dieselbe GND-Referenz haben.

• Seien Sie vorsichtig beim Entwerfen Ihrer Durchkontaktierungen. Ein schlechtes Design führt zu Impedanzproblemen auf Ihrem Board. Sie können dies jedoch vermeiden, indem Sie sicherstellen, dass alle Durchkontaktierungen die richtigen Durchmesser haben.

• Die Verwendung von Durchkontaktierungen für das Hochgeschwindigkeits-Signalrouting kann schwierig sein. Daher müssen Sie genügend Platz zwischen den Durchkontaktierungen lassen, um eine hohe Stromdichte und Überhitzung zu vermeiden.

Übersprechen

Übersprechen ist jeder unerwünschte Effekt, der beim Übertragen von Signalen über eine Kommunikationsspur entsteht. Diese unerwünschten Effekte treten normalerweise auf benachbarten Spuren auf und verursachen häufig Signalveränderungen.

Außerdem tritt Übersprechen normalerweise auf, wenn Spuren zu nahe beieinander verlaufen. In einem solchen Fall können Sie das Übersprechen reduzieren, indem Sie zwischen den Spuren mindestens 3 W Platz lassen.

Verwenden Sie für Differentialpaare die 5-W-Regel, um Ihre Spuren richtig zu verteilen. Wenn Ihr Board außerdem ein Differentialpaar benötigt, das periodische Signale überträgt, empfehlen wir, es mindestens 8 W von anderen Differentialpaaren entfernt zu halten.

Außerdem sollte genügend Abstand zwischen Gleisen mit asynchronen Signalen und Hochgeschwindigkeitssignalgleisen vorhanden sein. Außerdem können Sie das Übersprechen auf mehrschichtigen Platinen minimieren, indem Sie Leiterbahnen senkrecht zu den Leiterbahnen der Nachbarplatine führen.

Position der Komponenten

PCB mit Komponenten

Die Position der Komponenten ist für Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs von entscheidender Bedeutung. Bevor Sie mit dem Design beginnen, planen Sie, wo Sie Ihre Komponenten platzieren werden.

Idealerweise sollten Sie für analoge Komponenten (falls vorhanden) ein separates GND-Polygon platzieren und diese von digitalen Leiterbahnen und Komponenten fernhalten. Auf diese Weise können Sie EMI-Probleme vermeiden.

Außerdem benötigen Hochgeschwindigkeitskomponenten keine sehr langen Leiterbahnen. Stellen Sie daher sicher, dass Sie genügend Platz für die Längenanpassung lassen, damit sie nicht in der Nähe von Störquellen bleiben.

Darüber hinaus müssen Sie vermeiden, Hochgeschwindigkeitskomponenten in der Nähe der Platinenkante zu positionieren. Es wird negative Auswirkungen auf Ihre Signalqualität haben. Stattdessen können Sie solche Komponenten zur Mitte hin platzieren.

Spurform

Verschiedene Spurformen

Hochgeschwindigkeitsstrecken müssen abgerundete und glatte Ecken haben. Außerdem sollten Sie scharfe Kurven vermeiden. Es kann jedoch eine angemessene Zeit dauern, bis die beste Spurform erreicht ist.

Der beste Weg, um die optimale Spurform zu erhalten und Impedanzänderungen zu vermeiden, besteht darin, sie in einem Winkel von 45 Grad zu biegen.

Die drei großen Probleme bei Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs

Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten haben viele Probleme, die eine Schaltung unbrauchbar machen könnten, wenn Sie sie nicht lösen. Und von all den verschiedenen Problemen haben wir drei Hauptprobleme aufgelistet, die Sie vermeiden müssen. Schauen wir uns diese drei also genauer an.

Zeitpunkt

Ihr Board hat Timing-Probleme, wenn Ihre Signale nicht korrekt übertragen werden, insbesondere im Vergleich zu anderen Zeichen. Eine Uhr steuert all diese Signale. Wenn Ihr Timing also schlecht ist, erhalten Sie nur beschädigte Daten.

Lösung:Sie können dieses Problem lösen, indem Sie zwei gekoppelte Leiterbahnlängen aufeinander abstimmen. Es synchronisiert die Spuren mit Ihren Taktraten und lässt sie gleichzeitig übertragen.

Rauschen

Rauschen ist jede Form von Interferenz, die Ihre Signale während der Übertragung beeinträchtigt. Auf jeder Leiterplatte gibt es ein gewisses Rauschen, aber ein hoher Rauschpegel kann zu Datenbeschädigungen führen. Daher ist es ein Problem, das Sie in Ihren Designs vermeiden müssen.

Lösung:Halten Sie genügend Abstand zwischen Ihren Leitern, um sie weniger anfällig für Rauschen zu machen. Der richtige Abstand verringert auch den Geräuschpegel Ihrer Leiterplatte.

Integrität

Wenn Ihre Signale nach der Übertragung nicht so aussehen, wie sie sollten, ist die Integrität beeinträchtigt. Solche Situationen sind normalerweise das Ergebnis von Interferenzen, die die Integrität eines Signals während der Übertragung beeinträchtigen können.

Lösung:Die Verwendung einer geeigneten Impedanz zwischen Empfänger und Sender kann die Integrität und Qualität Ihres Signals verbessern. Es wird auch die Rauschempfindlichkeit Ihres Signals reduzieren.

Hochgeschwindigkeits-PCB-Designfähigkeiten

PCB-Design

Hier sind einige Fähigkeiten, die Sie benötigen, bevor Sie eine Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte entwerfen.

So routen Sie Spuren mit Impedanzsteuerung

PCB mit blauen Spuren

Sie müssen verstehen, wie Schichtstapel und Spurbreite berechnet werden. Die Ergebnisse dieser Berechnungen liefern Ihnen die wesentlichen Impedanzwerte. Falsche Impedanzwerte beeinträchtigen Ihr Signal und führen zu Datenkorruption.

Schleifenbereichsminimierung

Hochgeschwindigkeitssignale sind ziemlich anfällig für EMI/EMV-Probleme. Sie können die Auswirkungen dieser Probleme jedoch verringern, indem Sie einfache Grundregeln befolgen. Zu diesen Regeln gehören die Reduzierung von Schleifenbereichen, die Verwendung von durchgehenden Masseebenen und vielen Stitching-Durchkontaktierungen sowie die Optimierung von Leiterbahn-Rückpfaden.

Hochgeschwindigkeits-Routing-Fähigkeiten

Beim Routing von High-Speed-Traces sind viele Dinge zu beachten. Zunächst müssen Sie wissen, wie man Masseflächen schneidet und Leiterbahnen kurz hält. Außerdem müssen Sie Ihre Leiterbahnen vor Interferenzen abschirmen und digitale Leitungen freilegen, um Übersprechen zu vermeiden.

Verwenden Sie fortschrittliche Designsoftware

Das Entwerfen von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten erfordert viele komplexe Funktionen Ihrer CAD-Software. Und Sie brauchen das nötige Geschick, um mit diesen Funktionen umzugehen. Auf diese Weise können Sie das Entwerfen schrecklicher Hochgeschwindigkeitsschaltpläne vermeiden.

Hochgeschwindigkeits-Leiterplatte vs. Hochfrequenz-Leiterplatte

Leiterplatte

Obwohl Hochgeschwindigkeit und Hochfrequenz unterschiedliche Definitionen haben, sind ihre Boards im Wesentlichen gleich. Beide verwenden die Sinuswelle als Träger modulierter Signale.

Es gibt jedoch leichte Unterschiede. Zum Beispiel verwenden wir Hochgeschwindigkeitsschaltungen, wenn die Spannung in kurzen Perioden ansteigt und abfällt. Gleichzeitig verwenden wir Hochfrequenzplatinen mit Kurzschlusszyklen.

Die Unterschiede sind nicht so ausgeprägt, um sie als separate Boards festzulegen. Sie verwenden sogar die gleichen Grundmaterialien. Sie müssen sich darauf konzentrieren, die Signalintegrität oder Ihre Schaltung aufrechtzuerhalten.

Aufrundung

Hightech-PCB

Viele Dinge können schief gehen, wenn Sie beim Design von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten nicht aufpassen. Im Gegensatz zu normalen Leiterplatten benötigen Sie viel Zeit und Aufmerksamkeit, wenn Sie einen richtigen Hochgeschwindigkeits-Schaltplan entwickeln.

Außerdem benötigen Sie bestimmte Fähigkeiten, bevor Sie Designs erstellen, z. B. wissen, wie Sie Ihre Leiterbahnen richtig verlegen und die Impedanz messen. Sie müssen auch auf Ihre Komponentenplatzierung achten, um die Dinge für die Hersteller nicht kompliziert zu machen.

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