Jürgen Gillen Elektronik

Dienstleistungen rund um die Elektronikentwicklung

Von der Idee zur serienreifen Baugruppe

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Signalintegrität

Durch die rasante Technologieentwicklung werden die Taktfrequenzen immer höher. Nur bei einem reinen Sinussignal entspricht das Frequenzspektrum der Grundfrequenz. In der Digitaltechnik sind die Signale jedoch rechteck- oder trapez-förmig. Bei einem Rechtecksignal ( z.B. Clock-Signal ) entstehen Frequenzen, die einem Vielfachen der Grundfrequenz entsprechen ( siehe Bild1). Heute wird auf Leiterplatten mit Frequenzen von 100 MHz und mehr gearbeitet. Dies entspricht dem Frequenzbereich eines UKW-Senders. Das Frequenzspektrum reicht jedoch bis in den GHz-Bereich. Dies sind Frequenzen wie sie in de Radartechnik benutzt werden! Daher muß die Energie “überredet” werden auf der Leiterplatte zu bleiben. Dies macht erforderlich, daß die Leitungsführung impedanzkontrolliert sein muß, d.h. über den ganzen Signalweg hat der Signalweg die gleiche Impedanz.


Wird eine Leitung nicht impedanzkontrolliert ausgeführt, kommt es unter Anderem auch zu Reflektionen auf der Leitung. Die Welle des Signal läuft dabei vom Ausgang zum Eingang und wird dort reflektiert. Die Welle läuft zurück zum Eingang und wird dort wieder reflektiert und wandert wieder zum Eingang. Es kann dann dazu kommen, daß der Eingang zum falschen Zeitpunkt dieses reflektierte Signal als neues Clock-Signal erkennt und den Schaltkreis entsprechend taktet. Dies hat zur Folge, daß es in der Schaltung zu Fehlern kommt, deren Ursache nur schwer zu finden ist. Noch komplizierter wird es, wenn ein Taktsignal mehrere Eingänge taktet. Es kann dazu führen, daß manche Eingänge falsch getaktet werden und andere nicht.

Teilweise noch wichtiger, aber oft kaum beachtet, sind die Schaltzeiten der verschiedenen Technologien.

Jede sprunghafte Stromänderung erzeugt ein Spektrum von elektromagnetischen Wellen. Bei der Fourier-Analyse dieses Impulses sieht man die Obeschwingungen eines Impulses. Das Impuls/Pausenverhältnis der Impulse ist dabei verantwortlich für die Intensität und die Flankensteilheit Ursache für die höchste Frequenz der Oberschwingungen.

Diese breiten sich auf den Leitungen und je nach Impedanz, Leiterbahnlänge und Leiterbahnverlauf auch im Raum aus.

In der nachfolgenden Übersicht der verschiedenen TTL-Logikfamilien erkennt man, daß bedingt durch die Flankensteilheit sehr hohe Frequenzen entstehen ( fr ~ 1/3 tr).

Diese hohen Frequenzen sind nicht durch die Taktfrequenzen bedingt. Sie treten auch auf, wenn das System im kHz-Bereich getaktet wird!


TTL-Logikfamilie Grenzfrequenz fr
LS,ALS,HCMOS ( tr~ 10..15ns) 30 MHz
Fast, S, AS, ACT ( tr~ 2..5ns) 150MHz
ECL, GaAs, GTL ( tr~ 0,2..1ns) 1,5GHz

Die Signalwege, die mit Signalen mit einer solchen Flankensteilheit arbeiten, müssen daher besonders kontrolliert werden. Ist der Leitungsweg größer als die kritische Länge ( ~ l / 10 ), so müssen die Signalwege als Wellenleiter, d.h. mit einer definierten Impedanz ausgeführt werden. Dabei ist der Hin- und Rückweg zu beachten.

Eine impedanzkontrollierte Leiterplatte kann nur mit Wissen der Herstellverfahren und der engen Zusammenarbeit mit dem Leiterplattenhersteller geroutet und gefertigt werden.

Selbst mit preisgünstigen CAD-Systemen wie z.B. Eagle kann man mit entsprechendem Wissen eine impedanzkontrollierte Leiterplatte routen. Ohne die entsprechenden Kenntnisse ist ein solches Layout aber mit den teuersten und Leistungsfähigsten CAD-Systemen kaum möglich.