Sobald die Signale schnell genug wechseln, bleiben sie nicht mehr isoliert.
Wenn zwei Leiterbahnen nahe beieinander liegen, koppelt die Energie der einen Leitung in die andere ein. Das ist Nebensprechen.
Bei niedrigen Geschwindigkeiten ist das normalerweise vernachlässigbar.
Bei hohen Geschwindigkeiten wird es als:
- Lärm auf ruhigen Strecken
- zeitliche Fragen
- Augendiagramm Verschluss
Wenn Sie sich bereits mit den Rückkanälen und der Impedanz beschäftigt haben, ist das Übersprechen das nächste Teil des Puzzles.
Was ist Nebensprechen?
Nebensprechen ist eine unerwünschte Kopplung zwischen benachbarten Signalleitungen.
Dies geschieht aus folgenden Gründen:
- elektrische Feldkopplung (kapazitiv)
- Magnetfeldkopplung (induktiv)
Je näher und länger zwei Leiterbahnen zusammen verlaufen, desto stärker ist die Kopplung.
Nah- und Fernnebensprechen
Das Übersprechen wird gewöhnlich in zwei Arten unterteilt.
Nahnebensprechen (NEXT)
Gemessen an der gleiches Ende als Signalquelle.
- erscheint sofort
- in der Regel stärker
- bei parallelem Routing üblich
Fernnebensprechen (FEXT)
Gemessen an der hinteres Ende der Spur des Opfers.
- hängt von der Signalausbreitung ab
- Beeinflusst durch Spurlänge und Timing
- kann sich je nach Geometrie teilweise aufheben
Schneller Vergleich
| Typ | Wo gemessen | Verhalten | Typische Auswirkungen |
|---|---|---|---|
| NÄCHSTES | nahe Quelle | sofort | stärkeres Rauschen |
| FEXT | hinteres Ende | verzögert | abhängig von der Länge |
In den meisten digitalen Systemen ist NEXT das Hauptanliegen.
Was verursacht Übersprechen in PCBs
In realen Layouts dominieren einige wenige Faktoren:
1. Abstand der Leiterbahnen
Engere Spuren → stärkere Kopplung
Dies ist in der Regel der wichtigste Faktor.
2. Paralleles Routing Länge
Je länger zwei Spuren nebeneinander verlaufen, desto mehr Energie wird gekoppelt.
Kurze parallele Abschnitte sind in der Regel in Ordnung. Lange Abschnitte sind es nicht.
3. Stapelung und Bezugsebenen
Schlechte Rückleitungen erhöhen die Feldstreuung, was die Kopplung verstärkt.
Eine solide Bezugsebene hilft, Felder einzugrenzen und Übersprechen zu reduzieren.
Mehr dazu: PCB-Rückleitung und Massefläche im Hochgeschwindigkeitsdesign
4. Signalanstiegszeit
Schnellere Flanken → höherer Frequenzgehalt → mehr Kopplung
Selbst wenn Ihre Taktfrequenz moderat ist, können schnelle Flanken Probleme verursachen.
Verhältnis von Übersprechen zu Impedanz und Rückweg
Das Übersprechen ist kein isoliertes Problem.
Es ist eng damit verknüpft:
- Impedanzkontrolle
- Pfadintegrität zurückgeben
- dielektrische Eigenschaften
Zum Beispiel:
- schlechter Rückweg → breitere Feldverteilung → mehr Kopplung
- instabile Impedanz → Reflektionen → zusätzliches Rauschen
Weiterführende Lektüre:
- FR4 Dielektrizitätskonstante (Er) vs. Frequenz erklärt
- PCB-Einfügedämpfung erklärt (Dielektrischer Verlust vs. Leitungsverlust)
Verringerung des Übersprechens beim PCB-Design
Dies ist vor allem eine Frage des Layouts.
- 1. Abstand zwischen den Spuren vergrößern
Die einfachste Regel:
Abstände ≥ 3× Leiterbahnbreite (3W-Regel)
Mehr Abstand = weniger Kopplung. - 2. Parallele Routinglänge reduzieren
Vermeiden Sie es, Hochgeschwindigkeitssignale über lange Strecken nebeneinander zu schalten.
Wenn sie übersetzen müssen:
wenn möglich im 90°-Winkel kreuzen - 3. Solide Bezugsebenen verwenden
Eine durchgehende Grundplatte hält die Felder in Grenzen und reduziert die Kopplung.
Einzelheiten: FR4 PCB Stackup Design Leitfaden - 4. Kritische Signale auf innere Schichten leiten
Stripline-Strukturen (zwischen Ebenen) strahlen weniger stark als Oberflächenbahnen.
Dadurch werden sowohl EMI als auch Nebensprechen reduziert. - 5. Erdungsleitbahnen verwenden (wenn nötig)
Erdungsleitungen zwischen Signalen können helfen, aber nur, wenn:
.ordnungsgemäß mit Vias genäht
.verbunden mit einer festen Bezugsebene
Andernfalls können sie die Situation noch verschlimmern. - 6. Kontrolle der Flankenraten
Vermeiden Sie nach Möglichkeit unnötig schnelle Anstiegszeiten.
Langsamere Flanken → weniger hochfrequente Anteile → weniger Kopplung.
Übersprechen bei Differentialpaaren
Differentialpaare verhalten sich unterschiedlich:
- Signale sind eng aneinander gekoppelt
- die externe Kopplung wird reduziert
Aber:
- geringe Abstände zwischen den Paaren verursachen immer noch Störungen
- Ungleichgewicht kann Rauschen in Gleichtaktsignale umwandeln
Zwischen den Paaren gelten also weiterhin Abstandsregeln.
Praktische Gestaltungshinweise
Dinge, die häufig in echten Boards auftauchen:
- Abstände lösen mehr Probleme, als man erwartet
- lange parallele Streckenführungen sind in der Regel die Hauptursache
- Das Verschieben einer Leiterbahn auf eine andere Ebene kann das Problem lösen.
- Nebensprechen tritt oft erst nach Erhöhung der Datenrate auf
Schlussfolgerung
Übersprechen ist eine natürliche Folge der elektromagnetischen Kopplung zwischen Leiterbahnen.
Bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten ist dies ein praktisches Problem, das die Signalintegrität und Systemzuverlässigkeit beeinträchtigt. Abstände, Routing und Stapeldesign sind die effektivste Methode, um sie zu kontrollieren.
Wie bei den meisten SI-Problemen ist es einfacher, sie zu vermeiden, als sie später zu beheben.
FAQ
A: Es handelt sich um unerwünschte Signalkopplung zwischen benachbarten Leiterbahnen.
A: NEXT erscheint am Ende der Quelle, während FEXT am anderen Ende der Opferkurve erscheint.
A: Vergrößern Sie die Abstände, reduzieren Sie die parallele Verlegung und verwenden Sie solide Bezugsebenen.
A: Nicht bei niedrigen Geschwindigkeiten, aber bei Hochgeschwindigkeitsdesigns wird es wichtig.
A: Nein, aber sie sind widerstandsfähiger im Vergleich zu Single-Ended-Signalen.
