Signalintegrität & PCB-Design in High-Speed Digital-Analog Mischschaltungen meistern

In elektronischen Systemen mit steigenden Taktfrequenzen treten Signalintegritätsprobleme zunehmend auf – fehlerhaftes Timing, fehlerhafte Reflexionen an Übertragungsleitungen – und beeinträchtigen den normalen Schaltkreisbetrieb erheblich. Zudem werden Leiterbahnen auf PCBs so kompakt, dass Übersprechrauschen entsteht und die Signalübertragungsqualität leidet. Für High-Speed Digital-Analog Mischschaltungen sollte das PCB-Design basierend auf der tatsächlichen Signalsituation sinnvoll umgesetzt werden, um Signalintegritätsprobleme zu lösen, die Signalübertragungsqualität stetig zu verbessern und wichtige Informationsquellen für die Entwicklung verschiedener Branchen bereitzustellen.

Signalintegrität von High-Speed Digital-Analog Mischschaltungen

Signalintegrität bezeichnet die Qualität von Signalen auf Signalleitungen. Zur Gewährleistung der Signalintegrität müssen bestimmte Anforderungen erfüllt sein – darunter räumliche Integrität und entsprechende Schaltkreisanforderungen. Beispielsweise muss die Low-Level-Anforderung für maximalen Eingang erfüllt sein. Zudem muss zeitliche Integrität erreicht und die minimale Haltezeit des Schaltkreises eingehalten werden.

Elemente, die die Signalintegrität beeinflussen

1. Verzögerung (Delay)
   Generell hängt Signalübertragung von Leiterbahnen auf dem PCB ab; Übertragungsverzögerung kann während der Übertragung auftreten. Tritt Verzögerung bei übertragenen Signalen auf, wird das Timing des Schaltkreissystems beeinflusst, was die Signalintegrität weiter beeinträchtigt. Übertragungsverzögerung resultiert aus Leitungslänge und Dielektrizitätskonstante des angrenzenden Mediums.
2. Reflexion und Übersprechrauschen
   Während des Schaltkreisbetriebs erzeugen Durchkontaktierungen (Vias) und Biegeprobleme in Signalnetzen Reflexionsrauschen. Treten elektromagnetische Kopplungen zwischen Schaltkreisnetzen und Stromverteilungssystemen auf, entsteht Übersprechrauschen, das Signale stört und die Signalübertragung beeinflusst.

Zu lösende Probleme für Schaltkreis-Signalintegrität

1. Stromverteilung (Power Distribution)
   Im High-Speed Digital-Analog Mischschaltungs-PCB-Design muss das Power Distribution Network (PDN) umfassend analysiert werden. Es muss der Schaltung notwendige Leistung mit niedrigem Rauschen bereitstellen – VCC und Ground. Zudem muss es dem entsprechenden Signalkreis die auf dem PCB erzeugten und empfangenen Signale als Hauptobjekt liefern.
2. Übersprechproblem und EMC-Anwendung
   Übersprechen bezeichnet redundante Signalkopplung zwischen Leiterbahnen mit kapazitiven und induktiven Eigenschaften. Kapazitives Übersprechen ist kapazitive Kopplung zwischen Signalleitungen – sobald sich verschiedene Leitungen annähern, entstehen Übersprechprobleme. Induktives Übersprechen ist Signalkopplung zwischen Spulen redundanter Transformatoren; Probleme entstehen durch Stromschleifeneffekt. Mit EMC (Elektromagnetische Verträglichkeit) können alle elektrischen Geräte und Systeme in elektromagnetischer Umgebung koexistieren. Aus bestimmten Perspektiven werden Schaltkreissignale durch EMC-Effekt nicht beeinflusst, verfügbare Leistung und Funktion nicht zerstört – was zu massiven elektromagnetischen Mengen in der Umgebung führt, die den Normalbetrieb benachbarter Geräte beeinflussen.

High-Speed Digital-Analog Mischschaltungs-PCB-Design

Basierend auf vollständigem EMC-Verständnis müssen Regeln befolgt werden. Beim PCB-Design muss die vom Stromkreis umfasste Fläche so klein wie möglich gehalten werden, um sicherzustellen, dass Schaltkreissignale reibungslos passieren und große Schleifenantennen vermieden werden. Zudem dürfen im Design keine multiplen Referenzebenen verwendet werden, um Dipolantennenbildung zu vermeiden, die die Signalübertragung beeinträchtigen würde.

Layout und Routing

Bei der Bauteilplatzierung sollten Analog- und Digitalschaltungen voneinander isoliert werden. Am Beispiel digitaler Signale: Routing erfolgt innerhalb der Digitalschaltung. Dadurch gelangen digitale Signale nicht in den Analogsignalbereich, wo sie Analogsignale stören und die normale Signalübertragung beeinflussen würden. Manuelles Routing ist erforderlich, wenn Leitungen relativ hohe Frequenz haben. Daher sollten Positionen von Ein- und Ausgangssteckverbindern beachtet werden; Routing von Analog- und Digitalschaltung muss gut gehandhabt werden, um gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Niedrigimpedante Power- und Ground-Netze sollten angewendet werden, um große induktive Reaktanz an Digitalschaltungs-Leitungen und kapazitive Kopplung an Analogleitungen zu vermeiden. Zudem muss ein gewisser Abstand gewahrt bleiben, wenn die Digitalschaltung hohe Frequenz und Analogleitungen hohe Empfindlichkeit aufweisen.

Leistungs- und Erdungsleitungen

Im Designprozess müssen Erdungsleitungen sinnvoll geroutet und verarbeitet werden, um die Schaltungsleistung zu steigern. Bei der Optimierung von High-Speed Digital-Analog Mischschaltungs-Design muss die Methode der Schaltungs-Rückführung zur Erde vollständig verstanden werden. Falls Erdungsebenen-Leitungen geteilt werden müssen, muss Spacing-Routing gekreuzt werden. Einpunkt-Verbindung ist erforderlich, um geteilte Erdpotenziale zu verbinden und eine Verbindungsbrücke herzustellen. Basierend auf Routing-Optimierung durch die Verbindungsbrücke muss ein direkter Rückführpfad unter jeder Signalleitung angeordnet werden. Natürlich können optische Isolatoren angewendet werden, um Signaldistanz über Felder zu trennen. Im PCB-Design sollten Digitalschaltung und Analogschaltung umfassend angewendet werden mit Fokus auf Signalsignal-Routing, um praktische Probleme effektiv zu lösen. High-Speed Digital-Analog Misch-PCB-Testergebnisse sollten vollständig analysiert werden, um das Designschema zu optimieren; EMC sollte flexibel angewendet und das PCB sinnvoll designed werden. Zudem müssen bei Mixed-Signal-PCBs unabhängige digitale und analoge Stromversorgungen realisiert und die Leistungsebene durch geteilte Leistungsebenen kontrolliert werden.

Verarbeitung von Hybrid-Bauteilen

Generell verfügen Hybrid-Bauteile alle über Quarzoszillatoren; ihr Inneres besteht aus Digital- und Analogschaltung. Im Design sollten DGND- und AGND-Pins an dieselbe niedrige Impedanz angeschlossen werden; Leitungen sollten so kurz wie möglich sein, um sicherzustellen, dass der gesamte DGND durchfließen kann. Obwohl Digitalstrom im Wandler in die Analog-Erdungsebene gelangt, wird keine signifikante Störung der Signale erzeugt – die normale Informationsübertragung wird gewährleistet. Basierend darauf müssen Pins von Digital- und Analogschaltung an die Analog-Stromversorgungsebene angeschlossen werden und nahe am Bypass-Kondensator liegen.

Weiterführende Ressourcen

• Mixed Signal Layout Überlegungen
• 3 Routing-Techniken für High-Speed PCB-Signalschaltungs-Design
• Unterdrückungsmethode von Signalreflexion im High-Speed PCB-Layout
• High-Speed PCB Design Herausforderungen bei Signalintegrität und deren Lösungen
• Full Feature PCB Manufacturing Service von PCBCart – Mehrere Mehrwertoptionen
• Advanced PCB Assembly Service von PCBCart – Ab 1 Stück