High-Speed-Design von elektronischen Baugruppen und Systemen

Theorie, Simulation, Realisierung
Viele elektronische Baugruppen und Systeme arbeiten heute mit sehr schnellen digitalen Signalen. In den nächsten Jahren werden die Datenraten noch weiter deutlich steigen. Zur effizienten Entwicklung von aktuellen digitalen Baugruppen und Systemen ist ein fundiertes Wissen in vielen unterschiedlichen Bereichen erforderlich. Im Gegensatz zu den klassischen Hochfrequenzschaltungen werden bei digitalen Schaltungen höhere Anforderungen an die Signalintegrität und besonders an die Breitbandigkeit der Übertragung gestellt. Kenntnisse über das genaue physikalische Verhalten unterschiedlicher Aufbau- und Verbindungskomponenten, wie Leiterplatten, Kabel, Steckverbinder, Chip-Gehäuse usw., ist für ein zuverlässiges Design von digitalen Baugruppen und Systemen unabdingbar. Darüber hinaus werden zur effizienten Entwicklung solcher Systeme geeignete Werkzeuge und Methoden benötigt, deren genaue Kenntnis für einen Entwickler ebenso von großer Bedeutung ist.
Die Teilnehmer lernen Grundlagen über das physikalische Verhalten der wesentlichen Aufbau- und Verbindungskomponenten. Dazu zählen unter anderem Leitungswellenwiderstände, Verkopplungen, Reflexionen, Dämpfung auf Leitungen, Mäanderleitungen, Durchkontaktierungen, Steckverbindern, Kabeln usw. Für diese Komponenten werden Simulationsmodelle hergeleitet und typische Modellparameter angegeben. Jeder Teilnehmer erhält die Möglichkeit, mittels elektrischer Simulationen mit dem Programm LTSpice das physikalische Verhalten der verschiedenen Komponenten zu untersuchen. Am Ende des Seminars wird eine komplette digitale Übertragungsstrecke zwischen Sender und Empfänger elektrisch simuliert. Mit Hilfe eines Feldberechnungsprogramms wird das physikalische Verhalten unterschiedlicher prinzipiellen Messmethoden zur Analyse digitaler Übertragungsstrecken im Zeit- und Frequenzbereich behandelt.

Das Seminar richtet sich an Baugruppen- und Systementwickler sowie PCB-Designer im Bereich der digitalen High-Speed-Signalübertragung.

Mittwoch, 13. September 2023
8.30 bis 12.30 und 13.15 bis 17.00 Uhr

1. Einführung
– Signalintegrität und EMV
– Was bedeutet High Speed?
– Hochfrequenz versus High-Speed-Design
– Entwicklungstrends
– Handhabung von Design-Rules

2. Grundlagen zur Simulation mit SPICE
– Einführung in SPICE
– Simulationen mit LTSpice
– Simulationsbeispiele

3. Signale und Signalübertragung
– Power- und Signalintegrität
– Signaltypen
– Kodierung
– Frequenz- und Zeitbereich
– Streuparameter
– symmetrische Signalübertragung
– Simulationsbeispiele

2. Grundlagen zur Simulation mit SPICE
– Einführung in SPICE
– Simulationen mit LTSpice
– Simulationsbeispiele

4. Elektromagnetische Felder
– Einteilung der elektromagnetischen Felder
– Felder im freien Raum
– Felder in verlustbehafteten Materialien
– Leitungsgebundene Felder und Signale
– Feldwellenwiderstand
– Wellentypen

5. Leitungen
– Grundlagen der Leitungstheorie
– Berechnung der Leitungseigenschaften
– Einzelleitungen und verkoppelte Leitungen
– Differential Mode versus Common Mode
– Leitungswellenwiderstände
– Leitungsverluste
– Frequenzabhängige Verluste
– Leitungslaufzeiten
– Laufzeiten in homogenen und inhomogenen Isolierstoffen

Donnerstag, 14. September 2023
8.30 bis 12.30 und 13.15 bis 17.00 Uhr

6. Störquellen
– Modenkonversion
– Galvanische Verkopplungen
– Nebensprechen
– Reflexionen und Resonanzen
– Potenzialdifferenzen
– Dispersion
– Laufzeitunterschiede
– elektromagnetische Strahlungsfelder

7. Schirmung
– Grundlagen der elektrischen & magnetischen Schirmung
– Schirmungsverhalten unterschiedlicher Materialien
– Einfluss des Skin-Effektes auf die Schirmung
– Schirmungskonzepte und Schirmungsbeispiele
– Erdung und Schirmung

8. Komponente: Leiterplatte
– Grundlagen der Leiterplattentechnologie
– elektrische Anforderungen
– Basismaterialien
– elektrische Parameter
– Leitungsführung in der Leiterplatte
– Leitungswellenwiderstände
– Leiterbreiten, Leiterdicke, Rauheit, Glasgeflecht
– optimale Materialauswahl
– Durchkontaktierungen
– Lagenaufbauten und Leitungsführung
– Störunterdrückung (Abblockung)
– Layout-Design-Rules
– Simulation von Durchkontaktierungen mit  LTSpice

9. Komponente: Steckverbinder
– Grundlagen zu Steckverbinder
– Steckverbindertypen für die High-Speed Übertragung
– elektrische Eigenschaften
– Leitungswellenwiderstandsprofil
– Steckverbinder als Störstelle
– Modellierung von Steckverbindern
– Design-Rules
– SPICE-Simulation von Steckverbindern

Freitag, 15. September 2023
8.30 bis 12.30 und 13.15 bis 15.15 Uhr

10. Komponente: Kabel
– Grundlagen zu Kabel und Leitungen
– Kabeltypen für die High-Speed-Übertragung
– elektrische Eigenschaften
– Modellierung von Kabeln
– Design-Rules
– SPICE-Simulation von Kabeln

11. Komponente: Chip-Gehäuse
– Grundlagen zur Gehäusetechnologie
– elektrische Eigenschaften
– Modellierung von Chip-Gehäusen
– SPICE-Simulation von Chip-Gehäusen

12. Messung von Übertragungsstrecken
– Zeitbereichsmessungen mit der TDR-Methode
– Messung der Wellenwiderstände im Zeitbereich
– Frequenzbereichsmessungen mit dem Netzwerkanalysator