Hallo zusammen, beschäftige mich seit einigen Tagen mit PCB-Design. Dabei stoße ich auf, für mich neue, Verfahren bzw. Begrifflichkeiten. Da heißt es dann dass man bei Bussystemen darauf achten muss, dass die einzelnen Leitungen gleich lang sind und am besten die Leitung für den Takt etwas mehr Abstand zu den anderen Leitungen hat. Oder dass bei Ethernet und USB unbedingt differentielle Leitungsführung durchführen soll. Das einfachste ist diese "Tips" zu befolgen. Doch dabei stellen sich bei mir immer mehr Fragen. Was genau heißt denn "gleichlange Leitungen"? Da kann man z.B. mit Altium Toleranzen eingeben, z.B. 2mm. Ist das genug? Woraus ergibt sich die Toleranz? Ist das Abhängig von der Frequenz oder wie schon öfter gelesen doch von der Flankensteilheit? Wie sieht eine sehr gute differenzielle Leitungsführung aus? Soweit ich jetzt recherchiert habe ist es ja bei differentiellen Leitungen ja auch so, dass die Impedanz bei 100 Ohm liegen sollte, wobei das wieder abhängt welche Impedanz der/ die entsprechenden Pinanschlüsse haben. Da behaupte ich, dass die Eigenschaften der Leitungsführung, wie z.B. Leitungsbreite, Abstand zwischen beiden Leitungen, von der Berechnung für die Impedanz abhängen. Aber ich stelle mir die Frage, ob es da prinzipielle Angaben gibt. So eine Art Rezept: Keine 90° Ecken oder nur wenig bis keine Lagensprünge oder oder oder. Vielen Dank schon mal an die erfahrenen Hasen ;) Joe
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Hallo, du machst dir womöglich viel zu viele Sorgen um ein Detail, das dir zu Ohren gekommen ist, anderderseits ist zu vermuten, dass du an anderer Stelle große Anfängerfehler machen wirst. Um was geht es denn überhaupt? Nach den Fragen zu urteilen, willst du mit GHz-Technik arbeiten? Das ist aber auch wieder nicht anzunehmen, weil man das nicht mal eben so als Laie beherrschen kann. Bei der Bewertung der Länge einer Leitung stehen Aspekte der HF-Technik im Vordergrund. Eine Leitung wird dann als lang angesehen, wenn auf ihr relevante HF-Effekte wie Reflexionen, Abstahlung und Übersprechen eine Rolle spielen und auch Laufzeiten zu beachten sind. Reflexionen treten schon auf, wenn die Leitungslänge über dem 0,1-fachen der auftretenden Wellenlänge liegt. Welche Signalfrequenzen aber auf der Leitung vorkommen, hängt bei digitalen Sigbnalen von der Flankensteilheit ab. Da kannst du was mit 100kHz Rechteck übertragen und trotzdem Oberwellen bis in den Bereich von GHz bekommen. Da wären dann Massnahmen zur wirksamen Begrenzung der Signalbandbreite sinnvoll. Will man sehr viel höhere Signalfrquenzen nutzen, so braucht man natürlich hohe Flankensteilheit. Dann sind vor allem Reflexionen zu beachten, die z.B. durch Terminierung (Impedanzanpassung) an den Leitungsenden verhindert werden können. Für USB und Ethernet gibt es in diversen Datenblättern und Applikationsschriften Vorgaben zum Layout. Grundsätzlich sind Leitungen mit hohen Frequnzen so kurz wie möglich zu halten. Auf dem Bord zum USB-Stecker (bzw. auch Ethernetstecker) werden oft Reihenwiderstände von ca. 33 Ohm empfohlen. Außerdem sollten dünne Leiterzüge mit geringstem Abstand zwischen den differenziellen Leitungen geroutet werden. Aus der Physik sollte bekannt sein, dass die wirksame Fläche zwischen Leitern als Leiterschleife wie eine Antenne wirkt. Gruß Öletronika
Wenn du des englischen mächtig bist, möchte ich dich gerne weiter verweisen. Ich weiß nicht, ob das jetzt schon als Werbung durchgeht. Fedevel hat viele gute Tutorials was Altium betrifft. https://www.youtube.com/watch?v=QlNgoS3SEME http://www.fedevel.com/welldoneblog/2014/07/11-the-most-common-high-speed-design-rules/ http://www.fedevel.com/welldoneblog/2014/07/length-matching-in-altium/ Ein paar Gedanken: Leitungslänge bedeutet Laufzeit. Längenunterschiede ... Die Impedanz ist für die Schnittstellen (LVDS, etc.) definiert und dort dann einheitlich. Es gibt Tools die dir die Impedanz berechnen (Edge Coupled Microstrip) Es geht erstaunlich viel (irgendwie), ohne dass man die Regeln beachtet. Und es geht so einiges nicht, nur weil man es mit den Regeln nicht so genau nimmt (das schiebt man dann auf die "EMV"-Magie). Dazwischen liegt Erfahrung und Wagemut. Orientiere dich an den Hersteller vorgaben application notes evaluations boards, etc. Grüße Felix
Hallo Öletronika, um was es mir überhaupt geht versuch ich kurz zu halten. Woher weiß ich, wann ich denn nun längenangepasste Leitungen oder impedanzangepasste Leitungen oder differentielle Leitungen verwende? Das trifft so ziemlich meine persönliche Grundfrage. Ist es im täglichen Geschäft z.B. so, dass man von mir aus weiß, okay... ich möchte eine USB-Buchse auf meinem Board haben. Daraus resultiert dass ich von der USB-Buchse zum IC differentiel verfahre weil es sich um USB handelt? Da muss es doch andere Kenndaten/- werte geben. So ungefähr dass man ab einer bestimmten Datenrate vorzugsweise differentielle Leitungsverlegung nimmt oder dass man bei Bussystemen mit den und den Eigenschaften möglichst gleichlange Leitungen mit einer maximalen Längendifferenz von so und soviel mm nimmt. Dass in diesem Bereich viele Erfahrungswerte eine Rolle spielen ist mir zwischenzeitlich bekannt, aber irgendwie konnte mir noch keiner sagen, woher bestimmte Angaben oder Anwendungen stammen. Ich hätte das schon gerne in etwa so, dass ich z.b. so vorgehen kann dass ich sage: - Datenrate ist so größer als... also muss hier auf jeden Fall differentiell gefahren werden. - Hier handelt es sich um eine SD-Karte auf der Platine, hier muss ich so verfahren dass alle Leitungen gleichlang sind, Impedanzanpassung ist aber nicht unbedingt notwendig, da das und das... So etwas suche ich :) In meinem Fall geht es um ein Praktikum, wo ich seit Wochen am Layout sitze und bei meinen Fragen von Kollegen oder vom Chef immer die selbe Antwort bekomme. "Das ist halt so". Aber ich würde schon gern wissen WARUM das so ist. Also wie schon gesagt, dass man wie nach einem Rezept vorgehen kann und nach, von mir aus gesagt, Ausschlussverfahren vorgehen kann. Datenrate ist kleiner als oder größer als, also reicht das oder man muss das machen. Ich hoffe ich bin zu dieser späten Stunde noch verständlich rüber gekommen :) Joe
"Harte Grenzen", aber wann welche Technik eingesetzt werden muss, wirst du kaum finden. Ich würde mal grob sagen: - sobald die Laufzeiten auf den Leitungen in einen ähnlichen Bereich kommen wie die Anstiegszeiten der Signale, musst du dir Gedanken über Leitungsimpedanzen, Reflektionen und Terminierungen machen. - das Längenmatching unterschiedlicher Leitungen muss so gut sein, dass es das setup/hold Fenster jedes Signals nicht aus dem Datenauge hinausschiebt. 2mm Toleranz dürften für unterschiedliche Signale eines Busses in den allermeisten Fällen mehr als gut sein. Bei differentiellen Signalpaare würde ich grundsätzlich immer versuchen, das matching best möglich hinzukriegen, damit die Signale wirklich "parallel" nebeneinander her laufen. - wenn du ein Busssystem nicht zuverlässig mit single ended Leitungen realisieren kannst, dann klappt es vielleicht mit Umstieg auf differentielle Leitungen. Gründe für die Notwendigkeit gibt es verschiedene: z.B. die größere Störfestigkeit auf dem Kabel. Bei Treiber ICs kann z.B. auch das gleichzeitige Schalten vieler single ended Ausgänge aufgrund der Versorgungs-Induktivitäten zu GND-Bounce oder VCC-Sag führen, was bei differentiellen Ausgängen ebenfalls entschärft wird. Und wenn du nicht selbst ein neues Bussystem entwirfst sondern ein Layout für ein bestehendes Bussystem machst (wie derzeit in deinem Praktikum), dann hältst du dich an die Vorgaben, mit denen sichergestellt ist, dass der Bus funktioniert - insofern haben deine Kollegen nicht ganz unrecht mit dem "das ist halt so".
Ein Buch dazu: ISBN 3-7723-5499-8 "EMV-Designrichtlinien: Optimierung von Signalqualität, Abstrahlung und Störfestigkeit" Da stehen deine Fragen halbwegs beantwortet drin. Halbwegs weil: harte Grenzen gibt es nicht. Man kann sich selbst harte Grenzen festlegen. Dazu stehen in Buch auch welche. Aber ein Allheilmittel und Anleitung zum perfekten Layout ist das nicht. Du wirst zu einem Punkt kommen müssen, wo das Ergebnis der Verbesserungsmaßnahmen nicht mehr im Verhältnis zum Aufwand steht UND du dann sagst: das ist es, fertig! Kein Arbeitgeber wird dich Jahre am perfekten Layout entwickeln lassen.
Joe schrieb: > So ungefähr dass man ab einer bestimmten Datenrate vorzugsweise > differentielle Leitungsverlegung nimmt Das entscheidest du ja garnicht, jedenfalls nicht, wenn du PCB Layout machst, denn die Tatsache ist ja schon im Stromlaufplan festgelegt. Da dafür spezielle Treiber und Eingänge benötigt werden, sieht der Stromlaufplan dafür ganz anders aus, die Entscheidung fällt also lange bevor mit der Leiterplatte begonnen wird. Sofern überhaupt etwas zu entscheiden ist, denn z.B. USB oder Ethernet oder LVDS für ein Display sind eben differentiell, und das aus gutem Grund. Auch andere Fragen wie Längenausgleich muss eigentlich der Systemingenieur beantworten, der die ganze Schaltung entworfen hat. Ob der Ausgleich notwendig ist, ist die falsche Frage, es muss heissen welcher Längenunterschied ist zulässig, und das ergibt sich aus dem zulässigen Laufzeitunterschied (Laufzeit = Länge, bei einem guten CAD-System kannst du beides anzeigen lassen). Dazu muss man das genaue Timing der Signalübertragung kennen, das ist u.U. recht aufwendig und der PCB Designer kann das garnicht wissen. Natürlich kann ein und diesselbe Person alles entwerfen und berechnen, aber so habe ich deine Anfrage nicht verstanden. Bei Arbeitsteilung sollten alle deine Fragen bereits im Stromlaufplan beantwortet werden, jedenfalls wenn man professionell arbeitet. Dazu haben erwachsene CAD-Systeme ein Constraint Managment, das inzwischen fast umfangreicher ist als die Zeichenfunktionen, d.h. Eigenschaften wie min und max Impedanz oder max Längendifferenz werden schon im Stromlaufplan der Signalleitung zugewiesen und vom System bis zum Schluss immer wieder überprüft. Dass das ein Haufen Arbeit ist und viel Erfahrung und Grundlagenkenntnisse erfordert versteht sich von selbst. Fazit: USB usw. ist klar, da kann man vom Layouter erwarten, dass er die Normen kennt. Bei ungenormten Signalverbindungen muss der Entwickler festlegen, ob sie impedanzkontrolliert sein müssen usw. Es ist auch nicht sinnvoll, einfach alles so zu verlegen, dadurch würde die Leiterplatte ohne Grund viel zu aufwendig oder ganz unmöglich. I.d.R. ist nur ein geringer Prozentsatz der Verbindungen betroffen. Georg
so, erstmal vielen Dank für eure Antworten. das EMV-Design-Richtlinienbuch war heute sogar in der Bibliothek verfügbar :) da werd ich jetzt mal drin rumstöbern und mich zu einem späteren Zeitpunkt nochmal äussern was ich für mich gutes entdecken konnte
So, hab folgendes bezüglich impedanzkontrollierten Leiterbahnen aus dem vorher genannten Buch "Optimierung von Signalqualität" und dem Buch "Handbuch der Leiterplattentechnik" von Jillek und Keller herausfinden können: ab einer Impulsanstiegszeit kleiner 3ns sollten impedanzkontrollierte Leiterbahnen verwendet werden Die Impedanz der Leiterbahn ist längenunabhängig ab einer Taktfrequenz größer 10MHz kann für die Berechnung der Impedanz auf den Widerstandsbelag und den Querleitbelag verzichtet werden, da diese im Vergleich zum Induktivitäts- bzw. Kapazitätsbelag schwindend klein sind und dadurch die Kreisfrequenz ebenfalls vernachlässigbar ist. Mir persönlich fehlt noch ein Zusammenhang bei Leiterbahnen, die man "ungefähr" gleich lang routen soll. Hab diesbezüglich leider noch keine Toleranzangaben finden können. z.B. von was das abhhängt usw. Joe
Joe schrieb: > Hab diesbezüglich leider noch keine > Toleranzangaben finden können. z.B. von was das abhhängt usw. Hab ich doch beantwortet (Laufzeitdifferenz) - dass dir das zu kompliziert ist, liegt nicht an mir, sondern an der Physik. Georg
Georg schrieb: > Joe schrieb: >> Hab diesbezüglich leider noch keine >> Toleranzangaben finden können. z.B. von was das abhhängt usw. Das definiert der jeweilige Schnittstellenstandart. USB, Ethernet, LVDS, DDR, DDR2, DDR3 ... das steht in den Spzifikationen. Da steht die Impedanz, Längentoleranzen und und und. Allgemein zu sprechen geht einfach nicht. Die Schnittstelle wird so designt, dass es in diese Parameter hineinpasst. Darauf sind Leitungtreiber und alles ausgelegt.
Habe jetzt folgendes Beispiel analysiert und hoffe, dass meine Gedankengänge nicht ganz falsch oder im besten Fall richtig sind :) Es geht ja darum, wie groß der Längenunterschied zwischen zwei Leitungen sein darf, damit die Signale am Eingang des ICs korrekt erfasst werden Nehmen wir folgenden IC: http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX13030E-MAX13035E.pdf im Datenblatt auf Seite 4 entnehme ich, dass der Skew (Zeitdifferenz der Signale) zwischen den Kanäle maximal 0,8ns betragen darf. die Laufzeit einer Leiterbahn, z.B. Mikrostrip auf FR4-Material ergibt sich aus nachfolgender Formel, die ich in einem Buch gefunden hab: Laufzeit td = Leiterbahnlänge * Wurzel(epsilon_r,effektiv = 3,1) / (Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 = 3*10^8) bei einer Leitungslänge von 100mm ergibt sich die Laufzeit von td = 0,587ns nehmen wir an, dass meine zweite Leitung 150mm lang ist. Laufzeit ist dann 0,88ns die Differenz aus beiden Laufzeiten ist ja dann 0,293ns, was ja laut Datenblattforderung im erlaubten Bereich wäre. Jetzt stellt sich mir aber die Frage, falls meine Überlegung richtig ist, wieso in den mir bekannten PCB-Beispielen bei Bussen wie hier z.B. die SD-Karte "peinlichst" genau drauf geachtet wird, dass die Leitungen gleich lang sind. In meinem praktischen Beispiel im Betrieb sind Pauschal 2mm Toleranz angegeben mit der Aussage, dass das eben so gemacht wird. Aber laut meiner Rechnung und meiner Überlegung ist das ja total unnötig, wenn, wie gesagt, mein Gedankengang richtig ist. Lasse mich aber gerne belehren :)
Hallo, > Joe schrieb: > ab einer Impulsanstiegszeit kleiner 3ns sollten impedanzkontrollierte > Leiterbahnen verwendet werden das ist so als pauschale Forderung auch nicht korrekt. Ich hatte in meinem 1. Posting ja schon was zum Wellenlänge im Verhältnis zu Leitungslänge geschrieben. Ab ca. 1/10 der Wellenlänge (Lambda) muß man schon mit Reflektionen rechnen, spätestens aber ab ca. 1/4 Lambda. Ob man differenzielle Leitungen verwendet, hängt vom Anwendungsfall und der Störumgebung ab. Übertragung über lange Kabel mit höheren Baudraten werden oft differtiell gemacht. -> USB, Ethernet, RS485, CAN usw. Es gibt aber auch Anwendungen, bei denen es ohne differnzielle Signale gut läuft, sogar über rel. lange Stecken (z.B. RS232). Aber da hat man meist nur paar kBaud. Es kommt natürlich auch immer drauf an, welche Umgebung man hat und welche Störsicherheit man erreichen muss. Da ist eine poplige Heimanwendung nicht zu vergleichen mit Industrie, wo eine Steuerung oder Sensorik neben gesteuerten Motoren im MW-Bereich auch funktionieren muß oder wo in der Nähe eine Elektroschmelze mit einigen zig. MW arbeitet. > Mir persönlich fehlt noch ein Zusammenhang bei Leiterbahnen, die man > "ungefähr" gleich lang routen soll. Hab diesbezüglich leider noch keine > Toleranzangaben finden können. z.B. von was das abhhängt usw. Auch das hängt vom konkrten Einsatzfall ab. Manchmal wird da auch Aufwand getrieben, der unnötig ist. Weil man sich aber nicht jedesmal mit den physikalischen Grundlagen beschäftigen und auch kein Risiko eingehehen will, werden auch Entwurfsregeln in Fällen angewendet, wo das nicht nötig ist. Ich habe kürzlich eine Displaysteuerung mit ARM Core-M3 gemacht, wo auch ein DRAM mit dran kommt, der mit Takten bis 133 MHz angsteuert werdern kann. Ich habe mir da aber keine Gedanken um exakt gleich lange Leitungslängen gemacht, sondern beser darum, die Leitungen grundsätzlich kurz zu halten. Bis zu einigen 10mm Länge ist das dann unkristisch. Will man aber Signale mit 100MHz-Takt über eine Rückverdrahtung eines 19-Racks führen, dann muß man sich aber zwingend mit der Problematik beschäftigen. Diese Logik_Level Umsetzer von MAX (und andere auch), die du oben nennst, sind nicht harmlos. Diese haben Flankensteilheit im Bereich von wenige ns. Da sind also Oberwellen im Bereich von GHz zu erwarten und somit auch schon bei wenigen cm Leitungslänge können hässliche Reflexionen auf nicht angepassten Leitungen zum Problem werden. Hier ist aber dann die Frage, wie lang die Leitungen sind ob man diese durch Änderung des Konzeptes kürzer machen kann oder ob man die Geschwindigkeit wirklich benötigt. Statt Leitungen an den Enden zu terminieren kann man da auch mit Tiefpässen im den Signalleitungen was machen. Niedrigere Anstiegszeiten sind dann auch bei der EMV-Prüfung eher unkritisch. Z.B. eine SD-Karte kann man normal nicht mit so hohen Geschwindigkeiten fahren, dass man ns-Flanken braucht, sofern man da nicht spezielle sauschnelle Flashspeicher drauf hat. Für einige MBaud reichen dann auch Signale mit 10...20ns-Flanken. Niemand wird dir hier solche Kochrezepte ausstellen, wie du sie erwartest. Entweder du sagst klar, was du für Probleme hast oder du mußt für deine Fälle immer wieder die Grundlagen nehmen und darüber nachdenken, ob Massnamen überflüssig, empfehlenswert oder zwingend sind. Macht man aber grobe Fehler und muß diese später mit Redesigns ausbügeln, kostet das oft viel mehr Zeit und Geld, als wenn man gleich auf Sicherheit geht. Gruß Öletronika
Joe schrieb: > Aber laut meiner Rechnung und meiner Überlegung ist das ja total > unnötig, wenn, wie gesagt, mein Gedankengang richtig ist. Richtig aber unvollständig: der zulässige Skew am Empfänger ist ja schon die Summe von allem was dem Signal unterwegs passieren kann, und du bist als Layouter ja nicht verpflichtet, das für deine Zwecke aufzubrauchen, im Gegenteil. Ein Bestandteil ist z.B. der Skew des Senders, und an dem kannst du garnichts ändern, folglich steht dir schon nicht mehr alles für deine Leiterbahn zur Verfügung. Dazu kommt, dass der Längenausgleich der Leiterbahnen trivial und leicht durchzuführen ist, d.h. der Skew durch unterschiedliche Länge lässt sich von allen Bestandteilen am einfachsten eliminieren - also tut man das gefälligst. Mehr als 1/10 der Gesamtmarge sollte sich der Layouter nicht gönnen, und ein Wert von 2 mm ist dadurch gerechtfertigt, dass man das ja problemlos erreichen kann, hat also seine Berechtigung als Daumenregel, weils schlechter kaum geht. Es bleibt bloss die Frage, ob es besser sein muss als 2 mm, aber dazu braucht man schon lange Leitungen und sehr hohe Frequenzen (im Sinn von Buszyklen, woraus sich dann die Skew-Margen ergeben), und dann muss man halt selber rechnen. 2 mm ist einfach "gute Design Praxis". Nebenbei: das entspricht sowieso häufig nicht den tatsächlichen Anforderungen: bei einem Datenbus ist in der Regel nicht die gleiche Laufzeit von Interesse, sondern die Stabilität der Logikpegel relativ zum Strobe-Impuls. Bei halbwegs gleichzeitigen Signalen ist die Einhaltung von Setup und Hold aber deutlich einfacher. Übrigens gilt das auch für deine anderen gefragten Eigenschaften: Impedanz unterliegt in der Praxis relativ grossen Streuungen. Wenn 5 oder 10 % gefordert sind, heisst das aber keineswegs, dass du im CAD-Entwurf soviel daneben liegen darfst, denn die Toleranz braucht dringend die Fertigung, 5 % sind schon sehr aufwendig einzuhalten. Der Layouter hat also seine Berechnungen viel genauer durchzuführen, eine Abweichung von mehr als 2 % ist für micht ein klarer Kunstfehler. Georg
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