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PCB-Signalintegrität

Wie Power Aware zuverlässig die Signalintegrität sicherstellt

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Power Aware SI berücksichtigt die lokal fließenden Ströme

Um die Signalqualität genau genug simulieren zu können, müssen mehrere voneinander abhängige Effekte gleichzeitig in einer Simulation berücksichtigt werden. Da ist zum einen der Einfluss der Übertragungsstrecke (Transmission Line) und ihrer Impedanz. Diese berechnet sich aus dem Lagenaufbau, der Leiterbahnstruktur, Terminierungen und dem Rückstrompfad.

Da schnelle Signale häufig als differentielle Paare übertragen werden, kommen noch die differentielle Impedanz, gekoppelte und ungekoppelte Teilstrecken sowie der Phasenversatz hinzu. Diese Strukturen müssen ab 1 GHz mit einem Fieldsolver für eine Simulation extrahiert werden, da sonst der Fehler der Simulation schnell auf größer als 10% ansteigt.

Hinzu kommt des Weiteren der Einfluss der Stromversorgung. Beim Sender bewirken Spannungsschwankungen, dass die Signale mit einer unterschiedlichen Flankensteilheit versendet werden. Dies führt zu Jitter und kleineren Augenöffnungen beim Empfänger. Beim Empfänger wiederum führen Schwankungen in der Stromversorgung zu Auswirkungen auf die Referenzspannungen, die ein Signal in High (VH) und Low (VL) beim Empfänger einteilen. Die Spannungsschwankungen sind für die Anschlüsse eines Baustein nicht gleichmäßig, sodass es in einem parallelen Bus zu unterschiedlichem Verhalten auf den einzelnen Bits kommen kann.

Basierend auf einem 3D-FEM-Vollwellenlöser können alle parasitären Einflüsse der Leiterplattengeometrie gut modelliert und die Signalintegrität auch im Bereich über 1 GHz sehr genau simuliert werden. Der Simulator ist auf Leiterplatten-Strukturen hin optimiert, sodass die Rechenzeiten gegenüber einem universellen 3D-Simulator deutlich kürzer und leichter aufzusetzen sind und gleich gute Ergebnisse liefern. Hierbei wird auch die Technik einer adaptiven Maschenstruktur verwendet, die bei homogenen Strukturen große Maschen mit schnelleren Rechenzeiten und bei kritischen Stellen enge Maschen mit höherer Genauigkeit wählt.

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In den Kurven der Bilder 11 und Bild 12 ist der Unterschied zwischen einer Simulation eines Signals mit der Anstiegszeit 1 ns zu sehen, wenn die Versorgungslagen vereinfacht als ideal angenommen oder die Schwankungen (ripple) der Stromversorgungen berücksichtigt werden. Es ist deutlich zu erkennen, dass eine vereinfachte Simulation vermeintliche Sicherheit suggeriert (Bild 11) und eine reale Simulation der gleichen Leiterplatte Maßnahmen zur Stabilisierung der Stromversorgung fordert (Bild 12), um sie Signalqualität sicher zu stellen.

Bei der Power-Aware-Simulation werden die Einflüsse des Schaltens auf die Power Rail aus den IBIS-5.0-Modellen in der Simulation ausgewertet. Die Simulation berücksichtigt Diskontinuitäten auf dem kompletten Hin- und Rückstrompfad einschließlich Schlitzen, Stitching- und Abblock-Kondensatoren.

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