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PCB-Signalintegrität Wie Power Aware zuverlässig die Signalintegrität sicherstellt

| Autor / Redakteur: Dirk Müller * / Gerd Kucera

Analysen zur Signalintegrität im PCB-Design führen ohne Einbezug der Schwankungen einer Strom- und Spannungsversorgung zu falschen Ergebnissen. Was zu beachten ist, vermittelt dieser Beitrag.

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Bild 1: Stromdichte-Verteilung auf den Versorgungslagen einer Leiterplatte
Bild 1: Stromdichte-Verteilung auf den Versorgungslagen einer Leiterplatte
(Bild: Flowcad)

Zum Thema Signal- bzw. Power-Integritätssimulation gab es in der Vergangenheit bereits etliche Präsentationen und Berichte, in denen beide Themen stets getrennt voneinander betrachtet wurden. Insbesondere bei der Signalintegritätssimulation wurde stillschweigend ein ideales Versorgungssystem (PDS = Power Distribution System) vorausgesetzt.

Diese Vereinfachung ist bei Frequenzen größer 1 GHz nicht mehr genau genug, insbesondere wenn man die zunehmenden Taktfrequenzen (welche mit steileren Flanken einhergehen) und die größer werdende Anzahl von gleichzeitig schaltenden Pins pro Bauteil betrachtet.

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Sowohl die Rückkopplung der schaltenden Pins als auch der Einfluss von Störungen auf das Stromversorgungssystem kann im Hinblick auf das transiente Verhalten der I/O-Schnittstellen nicht länger vernachlässigt werden und ist während der Simulation zu berücksichtigen. Diesen Sachverhalt fasst man unter dem Begriff Power Aware SI zusammen.

Physikalische Vorgänge bei der Signalübertragung im hochfrequenten Bereich (High-Speed) sind sehr komplex. Um ungewollte Effekte vorherzusagen, versucht man die Realität mit mathematischen Modellen nachzubilden. Diese Modelle lassen sich dann von Computern mit Simulationsprogrammen berechnen. Diese Modelle werden vereinfacht, um in akzeptabler Zeit zu annehmbaren Ergebnissen zu kommen.

Analyse des Verhaltens der Störeffekte

Signalintegrität oder SI ist die Beschreibung der Qualität eines elektrischen Signals. In der Digitaltechnik wird eine Reihe von binären Daten in Form von Spannungswerten (oder Strom) in eine Kurve übertragen. Alle Signale unterliegen Einflüssen wie Rauschen, Distortion und Verlusten.

Über kurze Distanzen und mit kleinen Bitraten kann eine einfache Übertragungsstrecke diese mit ausreichender Qualität transportieren. Bei hohen Bitraten und über längere Distanzen werden die Signale so gestört, dass Fehler auftreten und die Übertragung unbrauchbar wird. Bei der Signalintegrität wird das Verhalten der Störeffekte auf der gesamten Übertragungsstrecke analysiert und vorhergesagt.

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