Richtlinien zur Minimierung von symmetrischem und asymmetrischem Übersprechen in Leiterplattendesigns

Übersprechen ist ein bei digitalen und analogen Hochgeschwindigkeitsschaltungen häufig auftretendes Problem, welches die Signalintegrität beeinträchtigen und zu Rauschen führen kann. Versteht man die Ursachen für Übersprechen und implementiert angemessene Designtechniken, können seine Auswirkungen minimiert werden.

Durch die steigende Nachfrage nach digitalen und analogen Hochgeschwindigkeitsschaltungen wurde das Übersprechen zu einem signifikanten Problem. „Übersprechen“ bezieht sich auf die unerwünschte Kopplung von Signalen zwischen benachbarten Leiterbahnen, die zu Interferenzen und einer Verschlechterung der Signalintegrität führt. Sowohl symmetrische als auch asymmetrische Signale können ein Übersprechen auslösen und es sind sorgfältige Designüberlegungen erforderlich, um seine Auswirkungen zu minimieren.

Zuverlässiger Betrieb und Leistung elektronischer Systeme hängen grundlegend von der Qualität des Leiterplattendesigns ab. Da die Komplexität und Geschwindigkeit von Schaltungen immer mehr ansteigen, steigt auch das Risiko von Problemen mit dem Übersprechen. Übersprechen kann zu Signalverzerrungen, Timingfehlern und Fehlern durch Rauschen führen, was die Funktionalität des Systems deutlich beeinträchtigen kann. Aus diesem Grund ist es äußerst wichtig, über die Grundlagen des Übersprechens Bescheid zu wissen und effektive Richtlinien zur Minimierung seiner Auswirkungen zu entwickeln.

Arten von Übersprechen

Übersprechen ist die unerwünschte Kopplung oder Interferenz zwischen benachbarten Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Es tritt auf, wenn sich die von einem Signal erzeugten elektromagnetischen Felder auf eine benachbarte Leiterbahn übertragen und so die Integrität der beteiligten Signale beeinträchtigen. Es gibt zwei Haupttypen von Übersprechen: das symmetrische und das asymmetrische Übersprechen.

Übersprechen wird durch unterschiedliche Faktoren und Mechanismen wie Kapazitanz, Induktivität und elektromagnetische Kopplung verursacht. Verlaufen Leiterbahnen parallel oder dicht nebeneinander, kann zwischen ihnen eine Kapazitanz auftreten, die zu kapazitivem Übersprechen führt. Induktives Übersprechen kann auftreten, wenn die durch den Stromfluss durch eine Leiterbahn erzeugten Magnetfelder eine Spannung in einer benachbarten Leiterbahn erzeugen. Eine elektromagnetische Kopplung zwischen Leiterbahnen kann durch gegenseitige Induktivität oder Kapazitanz auftreten, was zu induktivem bzw. kapazitivem Übersprechen führt.

Symmetrisches Übersprechen

Symmetrisches Übersprechen bezieht sich auf die Interferenz zwischen zwei Leiterbahnen eines symmetrischen Paars, wobei jede Leiterbahn eine invertierte Version des gleichen Signals trägt. Die Hauptquelle für symmetrisches Übersprechen ist ein Ungleichgewicht zwischen den von jeder Leiterbahn erzeugten elektromagnetischen Feldern. Dieses Ungleichgewicht kann aufgrund von Variationen von Leiterbahnlänge, Abstand, Impedanz und elektromagnetischer Interferenz auf externen Quellen entstehen. Symmetrisches Übersprechen kann zu herkömmlichem Rauschen, einem reduzierten Signalhub und einer schlechteren Signalintegrität führen.

Asymmetrisches Übersprechen

Asymmetrisches Übersprechen tritt dann auf, wenn sich das elektromagnetische Feld eines Signals mit einer benachbarten asymmetrischen Leiterbahn koppelt. Dies betrifft in der Regel asymmetrische Hochgeschwindigkeitssignale und kann durch eine Kopplung zwischen parallelen, nicht abgeschirmten oder eng nebeneinander laufenden Leiterbahnen verursacht werden. Asymmetrisches Übersprechen kann Signalverzerrung, Klingeln und vermehrtes Rauschen verursachen und zu Timingfehlern und Datenbeschädigungen führen.

Symmetrisches und asymmetrisches Übersprechen weisen unterschiedliche Merkmale auf und zu ihrer Minderung sind bestimmte Designüberlegungen erforderlich. Symmetrisches Übersprechen betrifft vor allem die allgemeine Modusspannung und das Gleichgewicht zwischen den symmetrischen Signalen. Es kann durch die Gewährleistung einer Symmetrie in der Leiterbahnlänge, kontrollierte Impedanz und ordnungsgemäße Endtechniken reduziert werden. Asymmetrisches Übersprechen wiederum betrifft Amplitude und Integrität einzelner Signale. Es kann durch ordnungsgemäße Abstände zwischen den Leiterbahnen, Abschirmungstechniken und eine sorgfältige Platzierung sensibler Leiterbahnen abseits von Rauschquellen minimiert werden.

Strategien zur Minimierung von Übersprechen

1 – Komponentenplatzierung

Die Komponentenplatzierung spielt eine wichtige Rolle dabei, Übersprechen bei Leiterplattendesigns zu minimieren. Eine korrekte Komponentenplatzierung kann dabei helfen, sensible Komponenten von Rauschquellen zu isolieren, die Länge von Hochgeschwindigkeitsleiterbahnen zu reduzieren und Signalpfade zu optimieren. Die Anordnung der Komponenten sollte sorgfältig überdacht werden, um das Risiko von symmetrischem und asymmetrischem Übersprechen zu minimieren.

Sensible Komponenten wie symmetrische Paare oder asymmetrische Leiterbahnen mit wichtigen Signalen für Hochgeschwindigkeitsanwendungen sollten strategisch platziert werden, um das Risiko eines Übersprechens zu minimieren. Diese Komponenten sollten so weit wie möglich von Rauschquellen wie Taktgeneratoren, Schaltnetzteilen oder digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen entfernt positioniert werden. Durch die Isolierung sensibler Komponenten kann die elektromagnetische Interferenz (EMI) aus Rauschquellen reduziert werden, was zu einer besseren Signalintegrität führt.

Das Gruppieren ähnlicher Komponenten kann dabei helfen, auf der Leiterplatte spezielle Bereiche zu bilden und so die Wahrscheinlichkeit eines Übersprechens zwischen unterschiedlichen Abschnitten zu reduzieren. Werden miteinander verwandte Komponenten nahe beieinander platziert, können die Signalpfade verkürzt werden, wodurch jener Bereich, in dem es zu einem Übersprechen kommen kann, minimiert wird. Außerdem können sensible Komponenten von Rauschquellen und Hochgeschwindigkeitssignalpfaden isoliert werden, indem sie physisch oder über schützende Leiterbahnen und Abschirmungstechniken voneinander getrennt werden.

2 – Abstand zwischen Leiterbahnen

Der Abstand zwischen Leiterbahnen, die symmetrische oder asymmetrische Signale tragen, ist wichtig, um ein Übersprechen zu minimieren. Bei symmetrischen Paaren hilft ein gleichbleibender Abstand zwischen den Leiterbahnen dabei, die Signalsymmetrie und das Signalgleichgewicht beizubehalten und das Risiko eines Übersprechens zu reduzieren. Der erforderliche Abstand kann vom Hersteller der integrierten Schaltung angegeben oder anhand von Simulationen und Analysen festgestellt werden. In ähnlicher Weise kann ein ordnungsgemäßer Abstand zwischen den parallel verlaufenden Leiterbahnen auch bei asymmetrischen Signalen dazu beitragen, Kopplung und Interferenzen zu reduzieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Abstände zwischen den Leiterbahnen müssen ordnungsgemäß eingerichtet werden, um das Übersprechen zu minimieren

Außerdem ist es wichtig, den Abstand zwischen sensiblen Leiterbahnen und Komponenten bzw. Signalpfaden mit Rauschrisiko zu berücksichtigen. Wird der physische Abstand zwischen diesen Elementen erhöht, hilft dies dabei, die elektromagnetische Kopplung zwischen ihnen zu minimieren und das Risiko eines Übersprechens zu reduzieren. Eine sorgfältige Planung der Komponentenplatzierung und ein aufmerksames Leiterbahnenrouting können deutlich zu einer optimalen Signalintegrität und zu weniger Problemen mit Übersprechen beitragen.

3 – Kontrollierte Impedanz

Ein kontrolliertes Impedanzrouting ist bei Hochgeschwindigkeitssignalen einschließlich symmetrischer Paare eine wichtige Technik, um die Signalintegrität zu erhalten und Übersprechen zu minimieren. Impedanz bezieht sich auf den Gegensatz zum Fluss eines Wechselstroms in einer Schaltung. Eine kontrollierte Impedanz gewährleistet, dass die Impedanz einer Übertragungsleitung über die gesamte Länge dem meist in Ohm angegebenen Wert entspricht.

Die Leiterbahnbreite und der Abstand zwischen den Leiterbahnen sind wichtige Faktoren zur Kontrolle der Impedanz und zur Reduktion von Übersprechen. Bei symmetrischen Paaren mit kontrollierter Impedanz sollte die Leiterbahnbreite so designt werden, dass der gewünschte Impedanzwert erreicht wird. Der Abstand zwischen den Leiterbahnen sollte ebenfalls sorgfältig festgelegt werden, wobei die gewünschte symmetrische Impedanz und ein akzeptables Übersprechen zu berücksichtigen sind. Designer sollten die Empfehlungen des Herstellers der integrierten Schaltung beachten oder Tools zur Impedanzberechnung verwenden, um korrekte Breite und Abstand der Leiterbahnen zu gewährleisten.

Um die Signalsymmetrie beizubehalten, ist es wichtig, dass die Länge der Leiterbahnen innerhalb eines symmetrischen Paares übereinstimmen. Unterschiedliche Leiterbahnenlängen können zu einem ungenauen Timing führen und die Signalintegrität verschlechtern. Designer sollten auf die gleiche Länge innerhalb einer angegebenen Toleranz abzielen, die je nach Signalfrequenz bei einigen µm oder weniger liegt. Techniken wie das Routing in Serpentinen oder Mäandern können eingesetzt werden, um Längenunterschiede zu kompensieren und gleichmäßige Ausbreitungsverzögerungen der symmetrischen Signale zu gewährleisten.

4 – Erdungsschicht

Die Erdung ist ein wichtiger Aspekt des Leiterplattendesigns, um Rauschen, Interferenzen und Übersprechen zu reduzieren. Erdungsschichten dienen Signalen als Referenz für eine niedrige Impedanz und helfen dabei, über die gesamte Leiterplatte eine stabile Erdungsreferenz zu bieten. Eine solide Erdungsschicht unter den Signalleiterbahnen hilft dabei, die Kopplung von elektromagnetischen Feldern und so das Risiko eines Übersprechens zu reduzieren. Designer sollten den Erdungsschichten ausreichend Platz zuweisen und gewährleisten, dass sie kontinuierlich, nicht unterbrochen und mit der allgemeinen Erdungsreferenz des Systems verbunden sind.

Eine ordnungsgemäße Trennung zwischen Signal- und Erdungsleiterbahnen ist wichtig, um das Übersprechen zu minimieren. Erdungsleiterbahnen sollten zwischen Signalleiterbahnen oder Signalschichten platziert sein, um diese abzuschirmen und zu isolieren. Dies hilft dabei, eine elektromagnetische Kopplung zwischen benachbarten Signalen zu verhindern und das Risiko eines Übersprechens zu reduzieren. Adäquate Abstände und sorgfältiges Routing von Signal- und Erdungsleiterbahnen sollten beachtet werden, um die Kapazitanz und Induktivität zwischen ihnen zu minimieren.

Schützende Leiterbahnen und Abschirmungstechniken können eingesetzt werden, um die Auswirkungen eines Übersprechens noch weiter zu reduzieren. Schützende Leiterbahnen werden auch als Schutzringe bezeichnet und rund um sensible analoge Schaltungen bzw. Schaltungen mit hoher Impedanz gelegt, um Rauschen und Interferenzen zu minimieren. Sie dienen als Schutzschild und verhindern, dass sich externe elektromagnetische Felder mit den sensiblen Leiterbahnen koppeln. Es können auch Abschirmungstechniken wie geerdete Abschirmungen oder Metalldosen verwendet werden, um sensible Komponenten oder wichtige Signalpfade gegenüber externen Rauschquellen zu isolieren.

5 – Bypasskondensatoren

Entkoppelkondensatoren spielen bei der Reduktion des Rauschens der Stromversorgung und des Übersprechens eine wichtige Rolle. Sie bieten bei Hochfrequenzrauschen einen Pfad mit niedriger Impedanz zur Erdung und helfen dabei, die Stromversorgungsspannung zu stabilisieren und potenzielle Auswirkungen des Übersprechens zu mindern. Entkoppelkondensatoren sollten nahe an den Strom- und Erdungsstiften jener integrierten Schaltungen platziert werden, die sie entkoppeln sollen. Es muss darauf geachtet werden, die Leiterbahnlänge zwischen den Kondensatoren und den integrierten Schaltungen zu minimieren, um die parasitische Induktivität zu minimieren und ihre Effizienz zu maximieren.

6 – Layoutanalyse und Simulation

Die Durchführung einer Analyse und Simulation vor dem Layout ist ein wichtiger Schritt, um ein Übersprechen zu mindern. Durch die Nutzung von fortschrittlicher Software für das Leiterplattendesign und Tools für die elektromagnetische Simulation können Designer potenzielle Probleme mit dem Übersprechen analysieren, bevor das Leiterplattenlayout abgeschlossen wird. Eine Simulation hilft dabei, wichtige Bereiche mit Übersprechrisiko zu identifizieren, die Signalintegrität zu bewerten und die Effektivität unterschiedlicher Minderungstechniken zu beurteilen. Durch die Simulation unterschiedlicher Szenarios und die Optimierung des Designs aufgrund der Ergebnisse können Designer proaktiv auf Probleme mit einem Übersprechen reagieren.

Ist das Leiterplattenlayout abgeschlossen, sollte eine Analyse und Bewertung nach dem Layout durchgeführt werden, um die Effektivität der implementierten Minderungstechniken für ein Übersprechen zu überprüfen. Es können eine Analyse der Signalintegrität, Augendiagramme (Abbildung 2) und eine Zeitbereichsreflektometrie (TDR) durchgeführt werden, um die Leistung wichtiger Signale zu bewerten und zu ermitteln, wie viel Reduktion des Übersprechens erreicht wurde. Auf identifizierte Probleme kann durch Designänderungen oder zusätzliche Minderungsmaßnahmen reagiert werden.

Abbildung 2: Augendiagramm (Quelle: Tektronix)

7 – Lagenaufbaudesign

Die Auswahl des Lagenaufbaus der Signalschichten eines Leiterplattendesigns kann signifikanten Einfluss auf Übersprechen und Signalintegrität haben. Der Lagenaufbau legt die Anordnung und Reihung von Signal-, Erdungs- und Stromschichten einer Leiterplatte fest. Der Designer sollte beim Design des Lagenaufbaus der Signalschichten die folgenden Faktoren berücksichtigen:

• Trennung von sensiblen Signalen: Wichtige Signale wie symmetrische Paare für Hochgeschwindigkeitsanwendungen oder analoge Signale sollten auf separaten Schichten platziert werden, um ein Übersprechen zu minimieren. Durch das Isolieren dieser Signale von Rauschsignalen oder digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen kann das Risiko von Interferenzen und Übersprechen reduziert werden.
• Platzierung der Referenzschicht: Die Erdungs- und Stromschichten sollten neben Signalschichten platziert werden, um einen Rücklaufkanal mit geringer Impedanz zu bieten und die Kopplung zwischen Signalen zu minimieren. Der Einsatz von soliden Erdungsschichten hilft dabei, sensible Signale abzuschirmen und die elektromagnetische Interferenz zu reduzieren.
• Überlegungen zur kontrollierten Impedanz: Der Lagenaufbau sollte so designt werden, dass die gewünschte kontrollierte Impedanz für Hochgeschwindigkeitssignale erreicht wird. Die Auswahl dielektrischer Materialien und ihre Dicke zwischen den Signal- und Referenzschichten beeinflussen direkt die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitungen.
• Platzierung von Durchkontaktierungen und Blindleitungen: Die Platzierung von Durchkontaktierungen (Abbildung 3) und der Umgang mit Blindleitungen spielen bei der Minimierung von Übersprechen eine wichtige Rolle. Durchkontaktierungen, die Signalleiterbahnen zwischen Schichten verbinden, sollten so nahe wie möglich an den Quell- und Zielpads platziert werden. Je kürzer Durchkontaktierungen und Blindleitungen sind, desto besser kann das Risiko für Übersprechen reduziert werden. Außerdem ist es wichtig, Blindleitungen ordnungsgemäß zu beenden oder zu entfernen, um unerwünschte Reflexionen und Interferenzen zu vermeiden.

Abbildung 3: Die Platzierung der Durchkontaktierungen kann dabei helfen, ein Übersprechen zu reduzieren

8 – Simulations- und Analysetools

Simulations- und Analysetools sind beim Leiterplattendesign zur Identifikation und Minderung von Problemen mit Übersprechen wichtig. Diese Tools ermöglichen es dem Designer, die Signalintegrität vorherzusagen und zu bewerten, Auswirkungen von Übersprechen zu beurteilen und das Layout für eine bessere Leistung zu optimieren. Zu diesen Simulationstools gehören:

• Simulationstools für elektromagnetische Felder wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) oder die Finite-Differenzen-Methode im Zeitbereich (FDTD) ermöglichen es dem Designer, das elektromagnetische Verhalten von Signalen auf einer Leiterplatte zu visualisieren und zu analysieren. Durch die Identifikation kritischer Bereiche mit hohem Übersprechen können Designer das Layout ändern, das Routing anpassen oder Abschirmungstechniken einsetzen, um das Übersprechen zu mindern.
• Analysetools für die Signalintegrität helfen dabei, die Qualität von Signalen zu bewerten, die Auswirkungen von Übersprechen zu beurteilen und potenzielle Probleme mit der Signalintegrität vorherzusagen. Diese Tools analysieren Parameter wie Metriken zur Signalintegrität, Augendiagramme und Timingbudgets, um die ordnungsgemäße Funktion von Hochgeschwindigkeitssignalen zu gewährleisten.
• Analysetools für das Übersprechen konzentrieren sich besonders darauf, die Auswirkungen des Übersprechens in Leiterplattendesigns zu identifizieren und zu quantifizieren. Diese Tools simulieren das Koppeln von Signalen, schätzen die Interferenz ab und beurteilen die Auswirkungen auf die Signalqualität.

Fazit

Das Übersprechen ist beim Leiterplattendesign eine ständige Herausforderung, vor allem angesichts der technologischen Fortschritte und der Nachfrage nach mehr Geschwindigkeit und Dichte. Mit fundierten Kenntnissen über die Mechanismen des Übersprechens und der Anwendung von effektiven Minderungstechniken können Designer jedoch eine zuverlässige Signalintegrität und eine optimale Leistung ihrer Designs gewährleisten.

18.12.2023