Design-Praxis: Systemsimulation (Teil 2) Auslegung der High-Speed-Signalleitungen

Simulationen helfen einen gezielten Designprozess mit wenigen Korrekturschleifen zu implementieren. Das Leiterplattendesign wird hinsichtlich der Integrität von High-Speed-Signalen diskutiert.

Moderne Embedded-Plattformen integrieren eine Vielzahl an Schnittstellen. Zum Einen interne Datenleitungen zwischen den Rechen- und Speicherbausteinen. Diese sind durch DDR (Double Data Rate) realisiert z.B. in DDR3/4/5-, GDDR5- oder LPDDR2/3-Ausprägungen. Zum Anderen werden je nach Formfaktor, standardisierte High-Speed-Schnittstellen zur Peripherie benötigt, wie PCIe, USB3.X, SATA, LVDS/Display und HDMI.

Auf diesen Leitungen fallen Datenraten von bis zu 10 GBit/s an, zukünftig wird die Rate drastisch steigen. Nach dem Nyquist-Kriterium benötigt die Darstellung digitaler Signale, Frequenzen größer als die halbe Datenrate, bei 5 GBit/s also über 2,5 GHz. Auf Signalleitungen in einer Fr-4-Leiterplatte breiten sich diese Signale mit ca. 1,5*108 m/s aus. Bei 2,5 GHz entspricht das einer Wellenlänge von 6 cm, ein Bit hat auf der Leiterbahn eine Länge von 3 cm! Es ist also klar, dass die Physik der Wellenausbreitung bei typischen Übertragungswegen auf Leiterplatten eine wichtige Rolle spielt - Signalleitungen sind als Wellenleiter auszulegen. Hierbei sind die Impedanzanpassung von Signalleitungen, speziell an Pads für Bauteile und Steckverbinder, an Vias, sowie der Rückstrompfad wesentlich.

Im Folgenden werden komplementäre, physikalische Sichtweisen und Analogien aufgezeigt. Aus diesem Blickwinkel auf die Signalübertragung können Optimierungspotentiale aus Simulations- und Messergebnissen erkannt werden. Die Dualität aus Schaltungstechnik (RLC-Glieder) und elektromagnetischer Wellenausbreitung identifiziert die Stellschrauben für optimale Datenqualität. Nicht zuletzt mindert eine saubere, reflexionsfreie Signalübertragung auch die Emission und gegenseitige Beeinflussung verschiedener Systeme. Das bessert gleichsam die elektromagnetische Verträglichkeit.