gesponsertHochfrequenzsignalisierung sicher bewältigen Leiterplatten-Design für Highspeed-Signalketten

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Die Übertragung von HF-Signalen ist selbst für vergleichsweise einfache Komponenten wie Steckverbinder komplex. Und leider gibt es keine einheitlichen Regeln für Highspeed-Signalprotokolle. Einige grundlegende Gedanken, was Sie hier beachten sollten.

In Computersystemen treten die beteiligten Signalketten in der Regel zwischen Host-Prozessor und Peripherie in Erscheinung. Bei diesen Signalketten handelt es sich zum Beispiel um Speicherleitungen (DDR-RAM usw.) und E/A-Leitungen. Bei einigen Chipsätzen können die E/A-Kanäle direkt mit der E/A-Schnittstelle verbunden werden (USB, SATA usw.).

Die steigende Komponentendichte hat dazu geführt, dass Erweiterungsplatinen vermehrt genutzt werden, um zusätzliche Peripheriefunktionen in Geräte zu integrieren. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Verkleinerung und die Erhöhung der Signalgeschwindigkeiten von High-Density Board-to-Board-Steckverbindern.

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Obwohl Stiftleisten immer noch die gängigsten Board-to-Board-Steckverbinder sind, bieten sie aufgrund ihres größeren Rastermaßes zwar eine zuverlässige Spannungsversorgung, unterstützen jedoch nur moderate Signalgeschwindigkeiten. Für anspruchsvollere Anwendungen in komplexen digitalen Signalpfaden werden vermehrt High-Density Board-to-Board-Steckverbinder eingesetzt. Dabei ist zu beachten, dass bei Signalstrecken mit den dafür erforderlichen Frequenzen bestimmte physikalische Effekte berücksichtigt werden müssen.

HF-Einkopplung in Leitungen und Steckverbinder

Was aber sind die Folgen von elektromagnetischen Interferenzen in Leitungen und Steckverbindern? HF-Einkopplungen überlagern das Nutzsignal und erschweren die einfache Detektion. Die Impedanz hingegen führt zu gewissen Verlusten des Hochfrequenzsignals. Schließlich führt auch die Reflexion des Signals bei Impedanz-Änderungen in der Signalkette zu Verlusten (Bild 2). Die Summe aller frequenzabhängigen Verluste des ankommenden Signals entlang der Signalkette beschreibt die Einfügedämpfung.

Da eine Leiterbahn, einschließlich der Steckverbinder, niemals perfekt ist, sieht die Einfügedämpfung abhängig von der Frequenz der Signalkette wie eine Anreihung von Tiefpassfiltern aus L- und C-Komponenten aus (Bild 3).

Die physikalische Wirkung von L- und C-Komponenten besteht darin, dass sie die höheren Frequenzanteile des Nutzsignals unbeabsichtigt dämpfen. In einem Augendiagramm (Bild 4,links) sind die Anstiegsflanken mit ihren Überschwingern deutlich zu erkennen. Ein mit einem Filter fünfter Ordnung gefiltertes Rechtecksignal zeigt symmetrische Flanken im Anstieg und Abfall (Bild 4, rechts)

Je höher jedoch die Signalfrequenz ist, desto größer wird der Anteil der Übergangszeit und desto mehr nähert sich unser Recht­ecksignal einer Sinuswelle an.

Dies bedeutet jedoch, dass unsere Leiterbahn bei der Übertragung eine Grenze hat: Ist die Signalfrequenz zu hoch, ist die Laufzeit im Vergleich zur Symbolzeit zu hoch. Der Jitter steigt an und das Signal wird für den Empfänger-Chip unlesbar, wie in Bild 5 dargestellt. Die Empfänger-Chips benötigen im Grunde Signale, die den Vorgaben für Anstiegszeit, Schwellenwert und Schwellenzeit entsprechen.

Welche Anforderungen Highspeed-Signale an die Signalkette stellen

Die meisten Highspeed-Signalprotokolle enthalten auch Anforderungen an die Signalkette. Es existieren allerdings keine einheitlichen Regeln für diese Normen. Protokollstandards definieren immer die Art der Signalisierung (single ended oder differentiell) und geben manchmal die Leitungsimpedanz ganz oder teilweise an.

USB erfordert eine differentielle Impedanz von 90 Ohm für die Leitung. HDMI-Anschlüsse haben 100±15 Ohm. Bei PCI-Express-Sendern und -Empfängern kann die Impedanz zwischen 85 Ohm und 120 Ohm liegen, wobei dieser Spielraum unter Entwicklern teils zu hitzigen Debatten führt.

Um ein Beispiel zu nennen: Betrachtet man den PCIe-Standard von Generation 3.0 bis 5.0, beträgt der zulässige Gesamtverlust der Signalkette vom Sender- zum Empfänger-Chip 22 bis hin zu 36 dB. Schlüsselt man nun die verschiedenen Komponenten in der gesamten Übertragungsstrecke nach Verlusten auf (CPU, Hauptplatine, Kartenrandsteckverbinder und Tochterkarten) beträgt die zulässige Einfügedämpfung des Steckverbinders selbst nur 1,7 bis 1,5 dB bei der differenziellen Signalübertragung für Frequenzen von 4 bis 16 GHz (Bild 6).

Wenn die CPU direkt auf die Leiterplatte gelötet wird und keinen Sockel hat, entfallen erhebliche Verluste. Durch sorgfältiges Design lassen sich auch die Verluste für die Haupt- und Tochterkarten reduzieren. Dadurch können die zulässigen Verluste für den Steckverbinder deutlich größer werden. Ein Steckverbinder, der in einer Desktop-CPU- oder Serverkonfiguration nicht in das PCIe-Verlust-Budget passen würde, kann mit einer kundenspezifischen Platine durchaus kompatibel sein.

Ein Beispiel: Das Protokoll für einen USB 3.2 Gen 2 weist einen Budget-Verlust von 24,5 dB von Chip zu Chip bei 5 GHz auf. Wenn es als E/A-Protokoll verwendet wird, nutzt dieses das Budget von den A- oder C-Steckern sowie das Kabel. Bei Verwendung einer Erweiterungsplatine mit einer Board-to-Board-Verbindung zur Hauptplatine wird das Budget für die BtB-Steckerverluste vom Budget für die USB-Steckverbinderverluste abgezogen.

Wird hingegen das High-Speed Inter-Chip-Protokoll ohne andere Komponenten als den Leiterplattensteckverbinder zwischen dem Sende- und dem Empfänger-Chip verwendet, liegen die Verluste bei den vollen 24,5 dB bei 5 GHz. Das ist viel besser für den Steckverbinder.

Die HF-Struktursimulation (HFSS) mit finiten Elementen wird bei der Entwicklung von Steckverbindern eingesetzt, aber immer mehr Anwender nutzen sie auch für die Entwicklung von Leiterplatten. Ein hinreichend präzises 3D-Modell kann bei korrekten Simulationsparametern einen genauen Einblick in die Impedanz und das Hochfrequenzverhalten des Steckverbinders geben.

Allerdings verwenden nicht alle Leiterplattenentwickler HFSS, und selbst damit muss man in der Lage sein, die Bandbreite eines Steckverbinders auf einen Blick zu erkennen. Während dies für einen E/A-Steckverbinder, der mit einem bestimmten Standard verbunden ist, trivial ist, sind die Hersteller von eher universellen integrierten Hochgeschwindigkeitssteckverbindern überfordert.

Im Allgemeinen geben die Hersteller an, ob bestimmte gängige Protokolle wie PCIe oder SAS verwendet werden können. Diese Angaben beruhen häufig auf Feldtests und/oder der Prüfung mithilfe von Augendiagrammen. Dies ist zwar interessant, bietet aber keine weiteren Informationen und unterliegt den in den vorangegangenen Abschnitten beschriebenen Einwänden.

Ein pragmatischer Ansatz wäre es, die spezifische Höhe und die damit verbundene maximale Abtastrate/Bandbreite bei einem bestimmten Verlustniveau anzugeben, die der Kunde mit den Normen in Verbindung bringen kann. Dieser Ansatz hängt jedoch stark von den Testbedingungen ab, was für den Anwender irreführend sein kann und daher von Applikationsingenieuren gehandhabt werden muss.

Andere Hersteller (auch Würth Elektronik) stellen kostenlos zusätzliche Dokumentation (z. B. Anwendungshinweise, Leitfäden usw.) einschließlich Verlustdiagrammen zur Verfügung. Allerdings können Board-to-Board-Verbinder mit Leiterbahnen unterschiedlicher Impedanz verwendet werden, was die effektiven Verluste auf den Leiterplatten des Anwenders verändern würde. Darüber hinaus sollten Daten für differentielle und Single-Ended-Leitungen berücksichtigt werden, ebenso wie Optionen für mehrfache Stapelhöhen. Hierbei handelt es sich jedoch um eine große Menge an Informationen, die zusammengetragen werden müssen und die für einige Anwender auch unklar oder irreführend sein können.

Fazit: Die Übertragung von HF-Signalen ist selbst für vergleichsweise einfache Komponenten wie Steckverbinder ein komplexes Thema. Einige Anwender haben genug Zeit und Fähigkeiten, um die gesamte Signalkette von Chip zu Chip zu simulieren, wenn der Hersteller ihnen ein adäquates 3D-Modell zur Verfügung stellt. Andere verlassen sich auf das übliche (weniger gute) Know-how. 

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