Top 3 PCB-Routing-Techniken für Signalintegrität bei High-Speed

PCB-Design (Printed Circuit Board) ist Kernaufgabe von Elektroingenieuren – ein perfektes PCB zu entwerfen ist nicht trivial. Ein perfektes PCB resultiert nicht nur aus rationaler Bauteilauswahl und -verteilung, sondern auch aus hoher Signalübertragungsqualität. Dieses Papier stellt Routing-Techniken für High-Speed-Signal-Schaltungsdesign vor, um Ihre Engineering-Arbeit zu unterstützen.

PCB-Routing basierend auf Multilayer-Boards

Die meisten Ingenieure nutzen Multilayer-Boards für High-Signal-Routing. Neben der Kernfunktion im PCB verringert dieser Boardtyp Schaltungsstörungen – Hauptmethode für Ingenieure bei solchen Problemen. Beim High-Speed-Signal-Schaltungsdesign auf PCB mit Multilayer-Boards müssen Ingenieure: Boardgröße durch rationale Lagenzahl-Vergabe verkleinern, Mittellagen optimal für Schirmung/Massenachbarschaft nutzen – all dies reduziert parasitäre Induktivität, verkürzt Signalübertragungslänge, verringert Übersprechen. Alles fördert Zuverlässigkeit der High-Speed-Signalschaltung.

Zusätzlich zeigen Autoritätsdaten: Bei gleichem Material erzeugt 4-Lagen-Board 20 dB weniger Rauschen als 2-Lagen-Board. Bei Leiterbahn-Biegungen: Je weniger, desto besser. Ganz durchgehende Leitung ideal; bei Biegung: 45°-Linie oder Bogen – reduziert Außeneinstrahlung von High-Speed-Signal, gegenseitige Kopplung, Strahlung und Reflexion.

Leiterstifte zwischen Bauteilen in High-Speed-Schaltung so kurz wie möglich

Beim High-Speed-Signal-Schaltungsdesign und -Routing müssen Ingenieure Leiterstifte zwischen Bauteilen in High-Speed-Schaltungen so kurz wie möglich halten. Längere Leiter = größere verteilte Induktivität und Kapazität → Reflexion und Oszillation im High-Speed-Kreis.

Zusätzlich zur Verkürzung der Leiterstifte sollte der Lagenwechsel (Via-Wechsel) zwischen Leiterstiften der Bauteile auf jeder High-Speed-Schaltung minimiert werden – also so wenige Durchkontaktierungen (Vias) wie möglich bei Bauteilverbindung. Eine Via bringt ca. 0,5 pF verteilte Kapazität → offensichtliche Schaltungsverzögerungserhöhung. Beim High-Speed-Routing muss Übersprechen durch kurzparallel geführte Signalleitungen voll berücksichtigt werden. Wenn Parallelführung unvermeidbar: Großflächige Masse auf der Rückseite der parallelen Signalleitungen zur Störreduktion. In benachbarten Lagen: Routing-Richtung muss senkrecht sein.

Masse-Umrahmung (Ground Surrounding) bei besonders wichtigen Signalleitungen oder lokalen Bereichen

Beim PCB-Routing-Design wird Ground Surrounding bei besonders wichtigen Signalleitungen oder lokalen Bereichen empfohlen. Routing wird für störanfällige Signale (Taktsignal, High-Speed-Analogsignal) durchgeführt, wobei Schutz-Masseleitung an Peripherie hinzugefügt wird, Signalleitungen in der Mitte. Grund: Keine Signalleitung darf Schleifen bilden, auch Masseleitung nicht. Entstehen Schleifen, tritt massive Störung auf. Vorteil: Effektive Schleifenvermeidung beim Routing. Empfehlung: Je ein oder mehrere Hochfrequenz-Entkopplungskondensatoren nahe jedem IC-Block. Bei Anschluss von Analogmasse oder Digitalmasse an gemeinsame Masse: Hochfrequenz-Drosselglied nutzen. Manche High-Speed-Signalleitungen brauchen Spezialbehandlung. Beispiel: Differenzialsignal auf derselben Lage, so parallel wie möglich. Kein Signal zwischen Differenzialleitungen; beide gleiche Länge.

Zusätzlich zu obigen Methoden: Bei PCB-Signal-Routing sollten Ingenieure High-Speed-Signal-Verzweigungen (Stubs) vermeiden. Da hochfrequente Signalleitungen auf Oberflächenlage große elektromagnetische Strahlung erzeugen, sollten sie zwischen Strom- und Masseleitung gelegt werden – Strahlung wird durch elektromagnetische Absorption von Strom- und Bottom-Lage stark reduziert.

In der Praxis geht Theorie nie vor Praxis. Ich teile Erfahrung zum PCB-Routing-Design. Erstens: Wenn Sie nicht alleiniger Routing-Designer sind, planen Sie genug Zeit für Router-Design-Prüfung ein. Vorsorge ist besser als Nachbesserung. Router zu erwarten, Ihre Gedanken zu verstehen, ist illusorisch. Ihre Anweisungen sind im initialen Routing-Stadium entscheidend. Je mehr Infos Sie geben und je mehr Sie sich einbringen, desto bessere PCBs erhalten Sie. Gute Methode: Tentativen Fertigstellungspunkt für PCB-Design-Ingenieur setzen, damit Routing strikt nach Ihren Schritten verläuft. Wie geschlossener Schleife – Routing bleibt auf Kurs, Nacharbeit minimiert.

Anweisungen für Routing-Ingenieure umfassen: Kurze Schaltungsfunktionsbeschreibung; PCB-Skizze mit Ein-/Ausgangsmarkierungen; PCB-Lageninfo (Dicke, Lagenanzahl, Details jeder Signallage und Masseplatte); Signaltyp pro Lage; Platzierungsanforderungen wichtiger Bauteile; konkrete Positionen von Bypass-Bauteilen; Signifikanz gedruckter Leitungen; Signifikanz impedanzkontrollierter Leitungen; Schaltungen mit Längenanforderung; Bauteilgrößen; Leitungen/Schaltungen/Bauteile mit Abstands-/Näheanforderung; Bauteiltyp auf Top/Bottom.

Weiterführende Ressourcen
• High-Speed Layout Tipps
• High-Speed PCB Routing Techniken zur EMI-Reduktion
• Forschung zu High-Speed PCB Design in eingebetteten Anwendungssystemen
• High-Speed PCB Design Herausforderungen zur Signalintegrität und Lösungen
• Unterdrückungsmethode Signalreflexion im High-Speed PCB Layout
• Signalintegritätsanalyse und PCB-Design bei High-Speed Digital-Analog Mischschaltungen
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