Nebensignale gehören zu den unangenehmsten und am schwersten zu lösenden Problemen, die sich bei Leiterplatten zeigen können. Am ärgerlichsten ist dabei, dass sie für gewöhnlich in der Endphase eines Projekts auftreten und häufig nur zeitweise oder in einer schwer reproduzierbaren Weise. Daher muss jeder Elektronikdesigner frühzeitig alle möglichen Ursachen für das Auftreten von Nebensignalen auf einer Leiterplatte beseitigen. Nebensignale haben unerwünschte Effekte auf Taktsignale, periodische und Steuersignale, Datenübertragungsleitungen und I/O-Signale. Als Folge der Nebensignale können die Strom- und Spannungsniveaus die üblichen Schwellenwerte von Logikbausteinen überschreiten und so „falsche“ logische Zustände erzeugen, die die Funktion vieler Leiterplatten beeinträchtigen können. Nebensignale können auch analoge Signale negativ beeinflussen, indem sie unerwünschte Störgeräusche hinzufügen. In den folgenden Abschnitten werden wir detaillierter untersuchen, woraus Nebensignale bestehen und wie dieses Phänomen analysiert und beseitigt werden kann, vor allem wenn der Schaltkreis Hochfrequenzsignale nutzt.
Der Begriff Nebensignal bezieht sich auf die unerwünschte magnetische Kopplung, die zwischen den Bahnen einer Leiterplatte entsteht. Eine übermäßige Spannung oder ein übermäßiger Strom, der auf eine Leiterbahn einwirkt, kann unerwünschte Auswirkungen auf eine andere Leiterbahn haben,ohne dass sich die beiden Bahnen berühren. Dieses Phänomen tritt normalerweise auf Leiterplatten auf, auf denen die Bahnen zu eng beieinander liegen. Die Erklärung dieses Phänomens ist ganz einfach. Ein von einem Strom elektrischer Ladungen durchquerter Leiter erzeugt immer ein elektromagnetisches Feld einer gewissen Stärke. Durch Erhöhung der Geschwindigkeit (Frequenz) des Signals steigt die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer Kopplung auf einem benachbarten Signal kommt. Genauer gesagt existieren zwei Arten von Kopplungen: eine induktive (oder magnetische) Kopplung und eine kapazitive (oder elektrische) Kopplung.
Fließt Strom durch einen Leiter - wie eine Leiterplattenbahn - entsteht ein magnetisches Feld. Erreicht dieses Feld eine benachbarte Bahn, erzeugt es gemäß dem zweiten Faradayschen Induktionsgesetz eine elektromotorische Kraft (Spannung). Dieses Phänomen ist bekannt als magnetische oder induktive Kopplung und wird zum Problem, wenn die induzierte Spannung hoch genug ist, um die Integrität des Signals auf derselben Bahn zu beeinträchtigen.
Zusätzlich zum magnetischen Feld kann der eine Leiterplattenbahn durchfließende Strom auch ein elektrisches Feld erzeugen. Erreicht dieses eine benachbarte Bahn, entsteht eine kapazitive Kopplung, wodurch sich die Signalintegrität verschlechtert. Dieses Phänomen ist auch als parasitäre Kapazität bekannt. Abbildung 1 zeigt ein Augendiagramm, eine der am häufigsten angewendeten Techniken zur Messung der Signalintegrität.
Abbildung 1: Screenshot eines Augendiagramms.
Nebensignale können nicht nur auf benachbarten Bahnen derselben Leiterplattenlage auftreten, sondern auch auf parallellen Bahnen benachbarter Lagen. Dieser als Breitseitenkopplung bekannte Effekt tritt auf, wenn zwei Schichten durch ein dielektrisches Material von reduzierter Stärke getrennt werden. Diese Stärke kann nur 4 Mils (0,1 mm) betragen, was normalerweise weniger ist als der Abstand zwischen zwei Bahnen auf derselben Lage. Wie wir gleich zeigen werden, besteht einer der Tricks zur Beseitigung von Nebensignalen darin, einen ausreichend großen Abstand zwischen Leiterbahnen, die High-Speed-Signale führen, zu gewährleisten. Hier gilt als Faustregel, dass dieser Abstand zwischen benachbarten Bahnen mindestens dem Dreifachen ihrer Breite entsprechen sollte.
Obgleich sich Nebensignale nicht vollständig unterdrücken lassen, können sie soweit verringert werden, dass sie keine nennenswerte Auswirkung mehr auf die Signalintegrität haben. Nachdem wir gesehen haben, was Nebensignale sind, können wir nun die wichtigsten Techniken, die beim Leiterplattendesign zu Verringerung dieses Risikos angewendet werden, analysieren.
1. Mindestabstand zwischen Bahnen
Bei der Festlegung des PCB-Layouts können im verwendeten CAD-Tool bestimmte Regeln eingestellt werden, wie zum Beispiel der Mindestabstand zwischen zwei Bahnen und der Mindestabstand zwischen einer Bahn und den auf der Leiterplatte vorhandenen Bauteilen. Es können auch verschiedene Abstandswerte für eine bestimmte Netzliste oder für den Bereich, in dem die Netzliste geroutet werden wird, eingestellt werden. Software-Anwendungen für das PCB-Design beinhalten häufig Funktionen, mit denen sich Breite und Abstand von Differenzialpaaren spezifizieren lassen oder festlegen lässt, auf welchen Leiterplattenlagen die Netzlisten geroutet werden und welche bevorzugte Richtung die Bahnen nehmen können. Auch online gibt es mehrere Kalkulatoren, die das Ausmaß der Nebensignale bei Microstrip- und Stripline-Bahnen errechnen können. Als generelle Regel muss beachtet werden, dass die Kopplung, und zwar sowohl die induktive als auch die kapazitive, mit zunehmendem Abstand zwischen den Leiterbahnen abnimmt.
2. Die Bahnen auf benachbarten Lagen senkrecht zueinander verlaufen lassen
PCB-Lagen lassen sich so konfigurieren, dass benachbarte Lagen durchlaufende Signale in senkrecht zueinander stehender Richtung geführt werden und ein paralleler Verlauf auf jeden Fall vermieden wird. Man sagt auch, dass, wenn die Bahnen auf einer Lage in „Nord-Süd-Richtung“ verlaufen, die Bahnen der benachbarten Lage einer „West-Ost-Richtung“ folgen sollten. Mit dieser einfachen Vorsichtsmaßnahme können Sie die Effekte einer Breitseitenkopplung minimieren. Abbildung 2 zeigt eine grafische Darstellung dieser Technik: links das zu vermeidende Layout, rechts das anzuwendende.
Abbildung 2: Wechselnde Bahnen-Verlaufsrichtung auf benachbarten Lagen.
3. Grundplatten verwenden
Es ist eine gute Idee, zwischen zwei benachbarten Signallagen eine Grundplatte (oder alternativ eine Powerplane) einzufügen. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit einer Breitseitenkopplung zusätzlich. Diese Lösung besitzt den doppelten Vorteil, den Abstand zwischen den Lagen zu erhöhen und gleichzeitig eine für die Signallagen nötige bessere Erdrückleitung zu gewährleisten. In Abbildung 3 sehen wir eine klassische vierlagige Leiterplatte, aufgeteilt in zwei Signallagen (außen), eine Innenlage für die Grundplatte (OV) und eine Innenlage für die Stromversorgung.
Abbildung 3: Beispiel einer mehrlagigen Leiterplatte (Quelle: Micron).
4. Die Erdrückleitung nutzen
Scheinbar im Widerspruch zum Vorstehenden existiert eine alternative Technik zur Unterdrückung von Nebensignalen, die genau diese Parallelität zwischen den Bahnen nutzt und die Erdrückleitung mit dem Hochfrequenzsignal koppelt. Denn da die Erdrückleitung dieselbe Amplitude besitzt, jedoch bezogen auf das Signal in der entgegengesetzten Richtung verläuft, werden die Auswirkungen beseitigt und folglich die Nebensignale unterdrückt.
5. Differenzialsignale nutzen
Eine weitere Möglichkeit, die Signalintegrität sicherzustellen und die durch Nebensignale erzeugten Auswirkungen zu verringern, besteht in der Nutzung von Differenzialsignalen, also von zwei Signalleitungen mit derselben Amplitude, aber entgegengesetzter Polarität, die ein gemeinsames High-Speed-Signal bilden. Da dieses Signal als Differenz zwischen den Spannungen der beiden Signalleitungen empfangen wird und da die elektromagnetische Störung beide Leitungen gleichermaßen betrifft, behält das Signal selbst bei erheblichen äußeren Störgeräuschen eine hohe Integrität. Es wird daher empfohlen, den größtmöglichen Abstand zwischen den Differenzialsignalpaaren und den übrigen Leiterplattenbahnen zu wahren. Als Faustregel kann ein Abstand gewählt werden, der mindestens dem Dreifachen der Bahnbreite entspricht.
6. Die Breite paralleler Bahnen verringern
In sämtlichen Fällen, in denen sich eine Parallelität zwischen den Bahnen nicht vermeiden lässt, muss sichergestellt werden, dass die Bahnen so kurz wie möglich sind und so das Ausmaß der Kopplung reduziert wird.
7. Die Frequenzsignale von anderen Bahnen abschirmen
Hochfrequenzsignale wie Taktsignale müssen möglichst weit entfernt von Bahnen, die andere Signale führen, laufen. Selbst in diesem Fall lässt sich die Faustregel anwenden und der Mindestabstand auf das Dreifache der Bahnbreite einstellen.
8. Asynchrone Signale abschirmen
Asynchrone Signale wie Rücksetz- oder Unterbrechungsleitungen sollen wann immer möglich auf Bahnen laufen, die möglichst weit entfernt sind von Hochfrequenzsignalen. Sehr häufig werden asynchrone Signale nahe an Stromleitungen oder an Signalen, die das Ein- und Ausschalten steuern, platziert, da diese Signale nur in bestimmten Phasen des Schaltkreisbetriebs und nicht ständig genutzt werden.
Nebensignale können extrem schädliche Auswirkungen auf den Schaltkreisbetrieb haben, besonders wenn Hochfrequenzsignale genutzt werden. Die aktuelle Nachfrage auf dem Elektronikmarkt tendiert zu immer kleineren und schnelleren Schaltkreisen, was zur Folge hat, dass die Leiterplattenbahnen immer wenig Platz zur Verfügung haben und immer enger beieinander liegen. Dieser Aspekt erhöht - vor allem wenn die Bahnen parallel zueinander verlaufen - die Möglichkeit, dass das auf einer Bahn erzeugte elektromagnetische Feld, das Signal der anderen Bahn überlagert. Daher ist es wichtig, dass der Leiterplattendesigner die optimalen Techniken zur Beseitigung oder Minimierung der durch Nebensignale erzeugten Effekte einsetzt.