Design-Praxis: Systemsimulation (Teil 3) Herausforderungen durch Feldwechselwirkungen

Die EMV-Evaluation eines Designs muss nicht bis zum physikalischen Prototypen warten. Wesentliche Kenngrößen dazu sind bereits in der Simulation zugänglich.

Die letzten beiden Teile dieser Artikelreihe [1, 2] beschrieben wesentliche Maßnahmen in der Hardwareentwicklung auf Leiterplattenebene, um die Versorgung und Kommunikation kritischer ICs eines eingebetteten Systems zu gewährleisten. Für die Versorgungsintegrität waren Stützkondensatoren zur Reduktion der Versorgungsimpedanzen und zur Vermeidung von Resonanzen maßgeblich. In der Signalintegrität waren impedanzangepasste Leiterbahnen und Rückstrompfade speziell auch bei Vias und Bauteilpads von zentraler Bedeutung.

In diesem letzten Teil der Artikelserie werden einige Nebeneffekte beleuchtet, welche die Funktion eines Geräts beeinträchtigen können: ungewollte Wechselwirkungen zwischen diversen Signalleitungen oder/und Versorgungsnetzen aufgrund der elektromagnetischen Felder. Im Allgemeinen gehören diese Themen zur Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).

Übersprechen

Unter Übersprechen versteht man eine Kopplung von galvanisch getrennten Signalleitungen. Durch diese wirken propagierende Signale einer Leitung auf andere Leitungen ein und stören dort die Übertragung. Dies geschieht durch induktive und kapazitive Wechselwirkungen, wie Bild 1 illustriert. Diese Kopplung nimmt mit kürzerem Leiterbahnabstand zu.

Ein propagierendes Signal mit steigender Spannungsflanke hat notwendigerweise auch eine steigende Stromflanke: im Bereich dieser Signalflanke auf der Leiterbahn befinden sich also stark veränderliche elektrische und magnetische Felder. Diese veränderlichen Felder induzieren nach dem Coulombschen und dem Faradayschen Gesetz in benachbarten Leiterbahnen Ströme und Spannungen, die als Signale weiter auf diesen Leiterbahnen laufen.

In Bild 1 ist eine typische Situation zweier benachbarter Leitungen dargestellt. Diese sind gleich lang um das Timing einzuhalten - Signale laufen auf beiden Leiterbahnen in der gleichen Zeit von einem IC zum anderen. Die beiden Leitungen verlaufen auf Abschnitten der Übertragungsstrecke nahe aneinander und parallel. (Bild 1, rechts oben) zeigt die magnetische Feldverteilung eines solchen Abschnitts in einem Querschnitt. Das Signal der hinteren Leitung erzeugt ein veränderliches Magnetfeld das in der vorderen Leitung eine Spannung induziert, die nach der Lenzschen Regel der Ursache der Magnetfeldänderung entgegenwirkt. Weiterhin erzeugt das Signal in der hinteren Leitung auch ein veränderliches elektrisches Feld, das in der vorderen Leitung eine Verschiebung von Ladungsträgern, also einen Strom, bewirkt. Diese induzierten Signale laufen auf der gestörten Leitung in beiden Richtungen weiter: ein Teil zurück zum Treiber-IC, das Nahübersprechen (NEXT; Near End Cross Talk), der andere Teil weiter zum Empfänger-IC, das Fernübersprechen (FEXT; Far End Cross Talk).

Das blaue Signal (Bild 1, links unten) zeigt ein Signal auf Leitung 1 am Treiber-IC. Die steigende Flanke propagiert entlang der Leitung und trifft als das grüne Signal am Empfänger-IC ein. In den Regionen mit dicht liegenden Leiterbahnen, findet beim Passieren der Flanke Übersprechen auf Leitung 2 statt. Zum Treiber-IC gelangen diese Störungen nach der doppelten Signallaufzeit, die bis zur Stelle des Übersprechens benötigt wird: die Breite des NEXT-Signals misst die doppelte Signallaufzeit der Übertragungsstrecke. In diesem Beispiel zeigt das orange NEXT-Signal zwei mit roten Pfeilen gekennzeichnete Maxima. Ursache sind die beiden rot eingekreisten Leitungsabschnitte am Anfang und am Ende des Übertragungsweges.

Da das FEXT-Signal und die Signalflanke mit der gleichen Ausbreitungsgeschwindigkeit in die gleiche Richtung laufen, gelangen sie auch gleichzeitig zum Empfänger-IC - das FEXT-Signal ist sehr konzentriert und akkumuliert sich also entlang der Übertragungsstrecke. Das Vorzeichen des NEXT-Signals stimmt mit dem der Steigung der Signalflanke überein, wogegen das FEXT-Signal ein umgekehrtes Vorzeichen trägt. Deshalb sollten z.B. Datenleitungen eines DDR-Bus' nicht parallel und nah verlegt werden. Die Übersprechweite hängt dabei von dem Querschnitt der Leiterbahnen, von der Streckenlänge und der Flankensteilheit ab: in die Induktionsgesetze geht die Flankensteilheit linear ein. Ein Lagenaufbau, mit geringem Abstand zwischen der Signalleitung und der zugehörigen Referenzebene, beschränkt die Ausbreitung der Felder transversal zur Leitung: die Kopplung zu benachbarten Leitungen fällt geringer aus.

Die Länge der Koppelstrecke hat natürlich auch einen Einfluss auf die Stärke des Übersprechens. Speziell beim FEXT-Signal erhöht sich mit der Koppellänge auch die Stärke des übergesprochenen Signals. Im Extremfall wird fast das gesamte Signal übergesprochen, vom Orginalsignal bleibt kaum etwas übrig.