S-Parameter helfen bei Leiterplatten-Simulation bis in den GHz-Bereich

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Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Zuken GmbH

Die meisten Simulationen von High-Speed-Digitalschaltungen erfolgen mithilfe von Zeitbereichssimulationen, die bei der Schaltplanerstellung und beim PCB-Entwurf zum Einsatz kommen.

Das Entwicklungs-Toolkit Zuken CR-5000 Lightning unterstützt die Simulation mit S-Parameter-Modellen. Da S-Parameter-Modelle nicht die Reaktion innerhalb des Zeitbereichs, sondern vielmehr die Reaktion bei unterschiedlichen Frequenzen beschreiben, werden die Modelle zuerst in kompatible Makromodelle umgewandelt, indem sie in die Simulationsbibliothek importiert werden.

In differenziellen Bussystemen mit hohen Übertragungsraten werden manchmal Gleichtaktfilter integriert, um z.B. externe elektromagnetische Kopplungen zu unterdrücken. Differenzielle Signale bestehen aus zwei komplementären Teilen, die im Idealfall exakt entgegengesetzte Phasen aufweisen. Phasengleiche Signale werden als unerwünschtes Rauschen angesehen.

Da differenzielle Leiterbahnen im Normalfall nahe beieinander oder parallel zueinander verlaufen, tritt das Gleichtaktrauschen häufig an beiden Seiten des Differential Pairs auf.

Zur Veranschaulichung wird das Übersprechen eines gekoppelten sinusförmigen Signals mit einer Amplitude von 1 V und einer Frequenz von 100 MHz gleichmäßig auf beide Leiter des Differential Pairs verteilt in Bild 2 dargestellt. Bei einem idealen differenziellen Signal weisen der positive Wellenverlauf (rot dargestellt) und der negative Wellenverlauf (blau dargestellt) exakt entgegengesetzte Phasen auf.

Das Übersprechen des sinusförmigen 100 MHz-Signals, das gleichmäßig in beide Leiter des Paars eingekoppelt ist, ist an beiden Seiten phasengleich. Die Kreuzungspunkte von positiver und negativer Welle sollten im Idealfall mittig sein. Jedoch hat das Rauschen zu einer Asymmetrie geführt.

Ein Gleichtaktfilter kann dieses Rauschen weitestgehend unterdrücken und nur das differenzielle Signal passieren lassen. Bild 3 zeigt das Differential Pair aus Bild 2 mit gefiltertem Gleichphasenrauschen. Nach der Filterung ist das Rauschen stark zurückgegangen. Die Kreuzungspunkte sind nun beinahe mittig.

Eine ausführliche Darstellung des Einsatzes von S-Parametern im Leiterplattenlayout finden Sie unter dem angegebenen Link.

* * John Berrie ... ist Senior Consultant im Zuken Technology Center im Bristol, England.

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