Wie kann ein optimiertes mehrlagiges PCB-Design die Signalintegrität verbessern?

1. Einleitung: Die Bedeutung einer optimierten Signalintegrität beim gemischtsignaltechnischen mehrlagigen PCB-Design

Im heutigen sich rasant entwickelnden Bereich der Elektronik hat die Nachfrage nach kompakten, leistungsstarken Geräten dazu geführt, sowohl analoge als auch digitale Schaltungen auf einer einzigen gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) zu integrieren. Diese Platinen versorgen alles von intelligenten Industriesteuerungen bis hin zu automotiven Infotainmentsystemen mit Energie – und im Zentrum ihres Betriebs steht ein entscheidender Aspekt: signalintegrität .

Signalintegrität (SI) bezeichnet die Qualität und Zuverlässigkeit elektrischer Signale, während sie eine Leiterplatte durchlaufen. Wenn ein Signal seine vorgesehene Form, Spannung und Timing über die gesamte Strecke beibehält, funktioniert das System wie erwartet. Doch bei gleichzeitig schnellen digitalen PCB bereichen und empfindlichen analogeren PCB domänen, die auf einem Mixed-Signal-Layout koexistieren, vervielfachen die Bedrohungen für die Signalqualität. Hochfrequente Übergänge, Schaltungsrauschen und parasitäre Effekte können Signale beeinträchtigen – was zu crossTalk , ground-Bounce , und Verlust der Datenintegrität führt. Die Folgen? Unvorhersehbares Schaltverhalten, elektromagnetische Störungen ( EMV ) , regulatorische Probleme und zeitraubende Verzögerungen bei der Markteinführung.

Warum ist Signalintegrität in Mixed-Signal-PCBs so wichtig?

Mixed-Signal-Platinen stehen vor einzigartigen SI-Herausforderungen, da digitale Schaltkreise schnelle Flankensteilheiten, Spannungsschwankungen und impulsartige Ströme erzeugen, die analoge Signalpfade leicht verunreinigen können. Ein fehlerhafter Spannungsreferenz- erdungsebene oder ein gestörtes Taktsignal kann ungenaue analoge Messwerte, fehlgeschlagene ADC-Integration oder fehlerhafte Datenübertragungen bedeuten – besonders kritisch in sicherheitsrelevanten oder hochauflösenden Anwendungen.

Faktenübersicht: Warum SI in Mixed-Signal-PCBs wichtig ist

Inhalte dieses Leitfadens

In diesem ausführlichen Leitfaden erfahren Sie:

• Die Grundlagen von gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) technik
• Praktische bewährte Methoden für das SI-Management (mit Schlüsselwörtern wie geregelte Impedanz , differentialpaar-Routing , und erdungsstrategien )
• Ein 12-Schritte-Prozess zur Maximierung von Leistung und Herstellbarkeit
• Umfassende Behandlung von Durchkontaktierungen, Schichtaufbauten, Entkopplungskondensatoren und mehr
• Fehlerbehebungstipps und Fallbeispiele
• Die neuesten Werkzeuge für SI-Simulation und PDN-Analyse

2. Was ist Mixed-Signal-PCB-Design?

A gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) ist eine gedruckte Schaltkarte, die sowohl analoge als auch digitale Komponenten in einem einzigen Substrat integriert. Diese Zusammenführung ermöglicht es modernen Geräten, die physikalische, analoge Welt mit der digitalen Domäne zu verbinden, wodurch alles möglich wird – von sensorreichen IoT-Produkten bis hin zu fortschrittlichen elektronischen Steuergeräten für Automobile.

Definition der Mixed-Signal-, Analog- und Digital-PCB-Bereiche

• Analoge PCBs kontinuierliche Signale verarbeiten – wie Audio, Temperatur oder Spannungspegel. Diese Signale sind äußerst empfindlich gegenüber Rauschen, Übersprechen und geringen Spannungsschwankungen.
• Digitale Leiterplatten verarbeiten diskrete Logiksignale (0 und 1). Obwohl sie robust erscheinen, sind digitale Schaltungen – insbesondere Hochgeschwindigkeitsschaltungen – bedeutende Quellen elektromagnetischen Rauschens, Ground-Bounce und gleichzeitiger Schaltausgänge (SSO).
• Mixed-Signal-Leiterplattendesign bezeichnet Layouts, bei denen diese beiden Welten koexistieren müssen und die daher besondere Sorgfalt hinsichtlich signalintegrität , Erdung und Stromversorgungsintegrität erfordern.

Typische Anwendungen von Mixed-Signal-Leiterplatten

Mixed-Signal-Leiterplatten bilden das Rückgrat vieler sicherheitskritischer Systeme, darunter:

• Industrieautomatisierung: Echtzeitsteuerung mit hochpräzisen Sensor-Schnittstellen.
• Automobil-Systeme: Infotainment, Batteriemanagement, Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und Motorsteuerungen.
• Unterhaltungselektronik: Smartphones, Wearables, Audio-Geräte und Kameras.
• Medizintechnik: Patientenmonitore, Bildgebungssysteme und diagnostische Geräte.
• Kommunikation: Router, Transceiver, SDR und Hochgeschwindigkeits-Netzwerktechnik.

Tabelle: Beispiel für gemischte Signal-PCB-Anwendungsfälle

Warum ist die Mixed-Signal-PCB-Entwicklung herausfordernd?

Die Hauptaufgabe besteht darin, zu managen signalintegrität , weil:

• Digitale Schaltungen erzeugen schnelle Spannungssprünge (hohe dV/dt, hohe di/dt), die rauschen induzieren auf gemeinsamen Masse- und Stromversorgungsnetzen.
• Analoge Schaltungen sind anfällig für geringes Rauschen, selbst im Mikrovolt-Bereich, was SNR (Signal-Rausch-Verhältnis) Verschlechterung und Die (Gesamte harmonische Verzerrung) in ADCs verursachen kann.
• Taktgeber (wie diejenigen, die ADC-Integration ) und Datenleitungen durchqueren mehrere Bereiche, was zu crossTalk , rückweg-Unstetigkeiten , und Zeitungsfehler.
• Schlecht implementierte erdungsstrategien und PCB-Aufbau können diese Risiken verstärken, insbesondere bei dichten mehrschichtigen Leiterplatten.

Grundlegende Bausteine der Mixed-Signal-Technik verstehen

Eine erfolgreiche Mixed-Signal-PCB erreicht:

• Isolierung: Analoge Signale durch Layout, getrennte Masseflächen oder Schutzringe vor digitalem Rauschen schützen.
• Zuverlässige Konvertierung: Sicherstellen, dass Ihre ADCs (z. B. 12-Bit oder 16-Bit) und DACs genaue, niederjitterige Daten liefern, indem saubere clock-Verteilung netzwerke und optimierte Entkopplung.
• Geregelte Impedanz: Einhalten von 50 Ω single-ended oder 100 Ω differentiellen Leitungen für Hochgeschwindigkeitssignale mithilfe von Microstrip-, Stripline- oder Coplanar-Waveguide-Strukturen.
• Effizientes Stromversorgungsnetzwerk (PDN): Unterdrückung von Spannungsrippel und Aufrechterhaltung stabiler Spannungen durch geeignete Entkopplungskondensatoren und Design der Potenzialflächen.
• Abschirmung und EMI-Management: Verwendung von Via-Stitching, Kupferfüllung oder Faradayschen Käfigen in kritischen empfindlichen Bereichen.

3. Wichtige Signalintegritäts-Herausforderungen bei gemischten Signalen auf Leiterplatten

Entwicklung einer robusten gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) ist ein heikles Gleichgewicht: Es erfordert die sorgfältige Abstimmung analoger Empfindlichkeit und der unaufhaltsamen Aktivität digitaler Logik auf einem gemeinsamen Trägermaterial. Während die Datenraten steigen und die Leiterplattendichte zunimmt, wird die Gewährleistung einer robusten signalintegrität (SI) nicht nur herausfordernd, sondern unerlässlich. Im Folgenden erläutern wir die wichtigsten Signalintegritätshürden, die jeder Mixed-Signal-PCB-Entwickler bewältigen muss, um zuverlässige Hochleistungsprodukte bereitzustellen.

1. Übersprechen und Störkopplung

Immer wenn analoge und digitale Leiterbahnen nahe beieinander verlaufen, insbesondere über längere parallele Abschnitte, injizieren schnell wechselnde digitale Signale durch kapazitive und induktive Rückwirkung Rauschen in empfindliche analoge Leitungen – ein Phänomen, das als crossTalk bekannt ist. In Hochgeschwindigkeitsdesigns kann dies zu erheblichen Fehlern bei analogen Messungen oder zur Beschädigung von Daten führen. Schlechte differentialpaar-Routing und ungeregelte Impedanzen verschärfen dieses Problem.

2. Ground Bounce und Masse-Schleifen

Ground-Bounce entsteht, wenn Hochgeschwindigkeits-Digitalausgänge gleichzeitig schalten und dadurch plötzliche Spannungsänderungen am Massepotential verursachen. Diese Änderungen (simultane Schaltvorgänge an Ausgängen, oder SSO) sind besonders problematisch, wenn die analogen und digitalen Bereiche sich ganz oder teilweise eine Massefläche teilen. Dies führt nicht nur zu digitalen Timing-Fehlern, sondern stört auch Referenzspannungen für Analog-Digital-Wandler, Operationsverstärker und empfindliche Sensoren.

Masse-Schleifen entstehen, wenn mehrere Rückleitwege zur Masse existieren, wodurch unerwünschte „Antennen“ entstehen, die Brummen, Oszillationen oder Umgebungs-EMI-Einflüsse aufnehmen können. Dies macht erdungsstrategien —wie sorgfältige Layoutgestaltung und Einpunkt-Masseverbindung—zu entscheidenden Faktoren für Mixed-Signal-Leiterplatten.

3. Störungen im Stromversorgungsnetz (PDN)

Schwankungen an den Versorgungsspannungsleitungen, verursacht durch schnell schaltende Lasten (digitale ICs, Takt-Treiber), können Rippel und kurze Störspannungsspitzen erzeugen, die direkt in analoge Versorgungsleitungen oder analoge Referenzeingänge eingekoppelt werden. Wenn entkopplungskondensatoren sind unzureichend, falsch platziert oder weisen schlechte ESR-Eigenschaften auf, leidet die Stromqualität. Eine instabile PDN untergräbt nicht nur die Signalintegrität (SI), sondern gefährdet auch die ADC-Auflösung (verursacht Jitter, SNR-Verluste und sogar funktionale Fehler).

4. Impedanzdiskontinuitäten und Unterbrechungen des Rückleitpfads

Hochgeschwindigkeits-Digitalsignale verhalten sich wie gesteuerte Impedanz-Übertragungsleitungen (typischerweise Microstrip oder Stripline), und jede Diskontinuität – wie ein schlecht ausgelegtes Via, Stecker oder getrennte Strom-/Masseebene – führt zu Signalreflexionen, stehenden Wellen und impedanzfehlanpassung . Ebenso müssen die Rückleitpfade sowohl für analoge als auch digitale Signale kurz, direkt und frei von Trennungen oder Stubs sein, andernfalls entstehen reflexionen und signalverlust - Das ist nicht wahr.

Tabelle: Häufige Störungen und ihre Auswirkungen

5. EMI/EMC-Herausforderungen

Elektromagnetische Störungen (EMS) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) sind umfassende Herausforderungen, insbesondere bei Mixed-Signal-Layouts. Schnelle digitale Schaltkreise mit steilen Flanken wirken als EMI„Sender“, während analoge Sensoren, HF-Eingänge und ADCs gefährdete „Empfänger“ darstellen. Unzureichende schirmung , schlechte Flächenlayoutführung und fehlende Via-Stitching können eine Leiterplatte in eine Sendeantenne verwandeln und so die Erfüllung der gesetzlichen Zertifizierungsanforderungen gefährden.

6. Signal-Timing- und Taktverteilungsprobleme

Unregelmäßige clock-Verteilung oder übermäßig taktschwankungen können zu zeitlichen Fehlausrichtungen (Skew) zwischen verschiedenen Bereichen führen, was wiederum unvorhersehbare Latenzen, Metastabilität und Fehler bei der Datentaktung verursacht – insbesondere beim taktbereichswechsel . ADCs und DACs sind besonders anfällig gegenüber Taktstörungen und Taktschwankungen, wodurch die effektive Bandbreite und Genauigkeit beeinträchtigt wird.

7. Unzureichende Simulation und Vorlayout-Analyse

Die Komplexität moderner Leiterplatten macht es gefährlich, ohne gezielte SI-Simulation und stromversorgungsintegrität (PI) analyse einfach „draufloszuarbeiten“. Mit Simulationswerkzeugen (wie HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS) kann ein Entwickler subtile Probleme – wie Längenunterschiede, Unterbrechungen der Rückleitpfade, parasitäre Kapazitäten und thermische Hotspots – bereits vor der Produktion erkennen und beheben.

4. Best Practices und zentrale Überlegungen

Ein Schaltkreisdesign planen gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) mit hervorragenden signalintegrität erfordert einen nuancierten, ganzheitlichen Ansatz. Jede Entscheidung – von der Schichtreihenfolge bis zur Stromverteilung – kann die endgültige Leistung der Platine im praktischen Einsatz beeinflussen. In diesem Abschnitt erfahren Sie wichtige, umsetzbare Best Practices, die sowohl grundlegende Designprinzipien als auch fortgeschrittene Techniken zur Integration von Analog- und Digitaltechnik berücksichtigen.

1. Planen Sie die Bereichtrennung frühzeitig

Eine klare funktionale Trennung ist entscheidend. Weisen Sie dedizierte Bereiche für analogeren PCB und digitalen PCB schaltungen während der Schaltplanerfassung und Layout-Grundrissplanung. Der physikalische Abstand verringert stark die Störkopplung, Ground-Bounce und Übersprechen zwischen Bereichen. Eine Faustregel: Führen Sie niemals digitale Takt- oder Hochgeschwindigkeits-Datensignale unterhalb oder in der Nähe empfindlicher analoger Bauteile.

Wichtige Maßnahmen:

• Platzieren Sie den ADC, Sensoren und analoge Verstärker so weit wie möglich entfernt von Oszillatoren, FPGAs, Schaltnetzteilen und hochfrequenten Kristallquellen.
• Orientieren Sie größere digitale Datenbusse senkrecht zu kritischen analogen Signalpfaden, um kapazitive Kopplung zu begrenzen.

2. Optimieren Sie Ihren PCB-Layer-Aufbau

PCB-Aufbau beeinflusst alles von der EMI-Immunität bis zur Impedanzkontrolle. Wählen Sie einen Schichtaufbau, bei dem Hochgeschwindigkeitssignalschichten zwischen durchgehenden Masseebenen (und wo nötig, Spannungsversorgungsebenen) eingeklemmt sind. Dies schafft nicht nur definierte Impedanzübertragungsleitungen, sondern ermöglicht auch kurze, direkte rückleitpfade für schnelle Transientenströme.

3. Master-Erdungsstrategien

Die Erdung ist die Grundlage für die Signalintegrität bei Mixed-Signal-Anwendungen. Im Allgemeinen gibt es zwei Ansätze:

• Einzelne Erdung (Sternpunkt-Erdung): Ein dedizierter Knoten verbindet analoge und digitale Rückleiter auf kontrollierte Weise – besonders effektiv bei nieder- und mittelfrequenten Schaltungen.
• Kontinuierliche Massefläche: Für Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenzdesigns bietet eine durchgehende, solide Kupferfläche mit sorgfältiger Segmentierung (falls erforderlich) die kürzesten Rückleitpfade und erzeugt am wenigsten elektromagnetische Störungen (EMI).

Beste Erdungstechniken für Mixed-Signal-Platinen:

• Vermeiden Sie Maschenschleifen indem Sie sicherstellen, dass jede Schaltkreisfunktion einen einzigen Rückleitpfad hat.
• Teilen Sie Masseflächen nicht willkürlich auf. Trennen Sie nur dann, wenn unbedingt notwendig, und verbinden Sie diese stets an einem einzigen, niederohmigen Punkt unter dem ADC oder Hauptwandler.
• Verwenden Sie Schutzringe oder Kupferfüllungen um hochimpedante analoge Leitungen und kritische analoge Schaltungen zusätzlich abzuschirmen.

4. Impedanzkontrolle und Differentialpaar-Routing

Hochgeschwindigkeits-Digitalleitungen müssen als geregelte Impedanz leitungen geführt werden, die an die Anforderungen der Schnittstelle angepasst sind (typischerweise 50 Ω single-ended, 100 Ω differentiell). Dies minimiert Signalreflexionen und stehende Wellen. Bei differentieller Signalübertragung (Ethernet, LVDS, USB, HDMI) sind Leiterbahnenabstand und Längenangleichung entscheidend.

5. Sorgen Sie für eine robuste Stromversorgung und Entkopplung

Ihr stromverteilungsnetzwerk (PDN) erfordert seriöses Engineering.

• Verwenden Sie separate Spannungsregler oder gefilterte Bereiche für analoge und digitale Versorgungsspannungen. Niedergeräusche-LDOs (lineare Regler) für analoge, Schaltregler (SMPS) für digitale Lasten, jeweils nach Bedarf gefiltert.
• Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren (einschließlich mehrerer Werte für Hoch-/Niederfrequenz-Filterung) strategisch möglichst nahe an den IC-Versorgungspins. Wählen Sie Kondensatoren mit niedrigem ESR und verwenden Sie eine Mischung aus keramischen MLCCs (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF usw.).
• Setzen Sie Ferritperlen ein oder kleine Entkopplungsinduktivitäten zwischen analogen und digitalen Ebenen/Schienen.

Beispiel für Entkopplungstabelle

6. EMI/EMC-Management priorisieren

Ein mehrschichtiges Vorgehen anwenden:

• Abschirmhauben verwenden und Metallgehäuse für analoge und HF-Bereiche mit hohem Risiko.
• Durch Vernähung (regelmäßig angeordnete Masse-Vias) um analoge Bereiche herum und entlang der Platinecken bindet Rückströme ein und reduziert EMI-Ausstrahlung.
• Sorgfältige Taktwegeführung : Taktleitungen sollten kurz gehalten werden, von analogen Bereichen entfernt geführt und durch benachbarte Masseleiter oder -flächen abgeschirmt sein. Vermeiden Sie die Führung von Taktsignalen über unterbrochene oder geteilte Massebereiche, um Strahlung zu verhindern.

7. Validierung mit Simulationswerkzeugen und DFM-Prüfungen

Raten Sie nicht – simulieren Sie! Verwenden Sie SI-Simulation und PDN-Analysator werkzeuge (wie HyperLynx, Ansys SIwave, Cadence Sigrity oder integrierte Werkzeuge in Altium/OrCAD), um Folgendes zu bewerten:

• Signal-„Eye“-Diagramme
• Störkopplungsvorhersagen
• Integrität der Rückleitpfade
• Spannungs- und Masse-Ripple
• Thermische Hotspots/Thermisches Management

5. 12 Schritte zu einem optimierten, effizienten Mixed-Signal-PCB-Design

Beherrschen signalintegrität mit einem praktischen, schrittweisen Prozess liegt im Mittelpunkt der Konstruktion mixed-Signal-PCBs die unter realen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Im Folgenden führen wir Sie durch 12 bewährte Schritte – jeder dieser Schritte spiegelt branchenübliche Best Practices, häufige Fehlerquellen und umsetzbares technisches Know-how wider.

Schritt 1: Analog- und Digitalsektionen frühzeitig trennen

1.1 Analoge und digitale Bereiche identifizieren

• Überprüfen Sie Ihr Schaltplan, um Komponenten als rein analog, digital oder Mixed-Signal (wie ADCs, DACs, CODECs) einzustufen als rein analog, digital oder Mixed-Signal (wie ADCs, DACs, CODECs).
• Kennzeichnen Sie die Funktion jeder Schaltung: niedergeräuschiger Analogteil, digitale Logik, Hochgeschwindigkeits-Taktung usw.

1.2 Strategische Platzierung

• Physisch isolierte analoge und digitale Bereiche auf dem PCB-Layout.
• Analogsignale von digitalen Bussen wegleiten und digitale Spuren unter analogen ICs nicht weiterleiten.
• Verwenden Sie Seidenblende oder Kupfermarkierungen, um Grenzen zu kennzeichnen, die die Montage und Fehlerbehebung erleichtern.

Schritt 2: Auswahl von Komponenten mit geeigneten Schnittstellen

Bei der Integration verschiedener Teilsysteme verbessert die Wahl des richtigen Schnittstellenprotokolls sowohl die leistung und signalintegrität .

Gemeinsame Schnittstellen und beste Anwendungsfälle

Schritt 3: Verbesserung der ADC-Funktionalität für genaue Messungen

3.1 Auswahl des geeigneten ADC für die Aufgabe

• Halten wichtige ADC-Spezifikationen : Auflösung (12, 16, 24 Bit), SNR, THD, maximale Abtastrate, Eingangsimpedanz, Referenzspannungsstabilität.
• Wählen Sie eine Architektur, die für die Anwendung geeignet ist: SAR-, Sigma-Delta- oder Pipeline-ADCs.

3.2 Stabile Taktsignale bereitstellen und Störquellen isolieren

• Verwenden Sie Oszillatoren mit geringem Taktjitter. Taktjitter verschlechtert die effektive Bitanzahl (ENOB) bei schnellen ADCs.
• Taktleitungen physisch von geräuschintensiven digitalen Bussen trennen.
• Entkoppeln Sie die Versorgung des ADCs mit Kondensatoren mit niedrigem ESR.

3.3 Referenzspannungen sauber halten

• Platzieren Sie Referenzkondensatoren (10–100 µF sowie 0,1 µF Keramikkondensatoren) nahe am Vref-Anschluss des ADCs.
• Schutzringe um die Leitungen der Referenzspannung reduzieren zusätzlich die Störkopplung.

Schritt 4: Ein effizientes PCB-Aufbaukonzept entwerfen

Ein sorgfältig konstruiertes PCB-Aufbau das ist das Rückgrat des Erfolgs mit gemischten Signalen.

• Hochgeschwindigkeitssignalschichten an festen Bezugsebene angrenzen.
• Vermeiden Sie das Aufteilen von Boden- oder Kraftflugzeugen unter den Signalen.
• Beibehalten Sie die Symmetrie im Stapel, um den Bogen/Worf zu minimieren und die Unterdrückung von Crosstalk zu unterstützen.

Schritt 5: Effektive Erdungsstrategien implementieren

• Einzelverbindungspunkt zwischen analoger und digitaler Masse (typischerweise am ADC).
• Verwenden Sie massive, breite Kupferflächen/Bögen für Massepfade – Widerstand und Induktivität minimieren.
• Arbeit zu geben schutzleiter und Kupferflächen um empfindliche analoge Signale herum.

Schritt 6: Optimierung der Stromversorgung und Entkopplung

6.1 Dedizierte Stromversorgungen verwenden

• Trennen Sie analoge und digitale Spannungsversorgungen. Verwenden Sie LDOs für analoge Signale, Schaltregler/Ferritfilter für digitale Signale.
• Liefern Sie ADCs und andere hochpräzise Komponenten von der saubersten möglichen Spannungsversorgungsschiene.

6.2 Entkopplungskondensatoren zur Störunterdrückung

• Platzieren Sie eine Kombination aus hochfrequenten (0,01–0,1 µF) und Großkondensatoren (1–10 µF) MLCCs an jedem IC.
• Minimieren Sie die Fläche der Schleifen, indem Sie die Leiterbahnen vom Kondensator zum Pin so kurz wie möglich halten.

Schritt 7: Effizientes Routing von analogen und digitalen Leiterbahnen

• Kreuzen Sie niemals analoge und digitale Leiterbahnen —beibehalten Sie eine geschichtete, getrennte Signalwegeführung.
• Vermeiden Sie die Führung von Hochgeschwindigkeitssignalen über Unterbrechungen der Rückstrompfade oder Lücken in der Massefläche.
• Passen Sie die Leiterbahnlängen bei Hochgeschwindigkeits-/Differenzpaaren an; verwenden Sie Impedanzrechner für genaue Breiten.

Schritt 8: Implementierung von thermischen Managementstrategien

• Identifizieren Sie wärmeentwickelnde Bauteile (Spannungsregler, hochstromfähige Treiber, Prozessoren).
• Verwendung thermische Durchleiter und dedizierte Kupferflächen (thermische Pads), um Wärme zu inneren oder gegenüberliegenden Lagen abzuleiten.
• Berücksichtigen Sie Zwangsluftkühlung, Kühlkörper oder sogar eingebettetes Kupfer, falls die Leistungsdichte hoch ist.

Schritt 9: Synchronisierung der Taktdistribution zur Verbesserung von Mixed-Signal-Designs

• Leiten Sie Takt­signale über nieder­dispersive Puffer ab.
• Führen Sie Takt­signale über kurze, direkte Leiterbahnen, abgeschirmt durch Masseflächen.
• Vermeiden Sie Taktspuren über geteilten Masseflächen – gewährleisten Sie durchgängige Bezugsebenen.

Schritt 10: Abschirmung zur Störunterdrückung implementieren

• Verwendung Faradaysche Käfige , metallische Abschirmkappen oder massive Kupfergehäuse für besonders störanfällige analoge/RF-Bereiche.
• Platzieren Sie dicht verteilte Masseverbindungslöcher (Stitching-Vias) um abgeschirmte Bereiche und entlang der Platinecken.

Schritt 11: Mixed-Signal-Mehrschicht-PCB-Design simulieren

• Verwenden Sie SI/PI-Simulationswerkzeuge (HyperLynx, Ansys SIwave, Keysight ADS, Altium Designer SI), um folgende Aspekte zu analysieren:
  • Impedanzkontinuität
  • Augendiagramme und Jitter
  • Netzspannungsschwankungen
  • Rückstrompfade und Anfälligkeit für Übersprechen

Schritt 12: Erstellen und Herunterladen der Produktionsdateien

• Überprüfen und finalisieren Sie Schichtaufbauzeichnungen, wichtige Materialspezifikationen (z. B. kupferdicke , Dielektrizitätskonstanten, Via-Typen).
• Sicherstellen impedanzsteuerung und Testpunkte sind in den Gerber-Dateien klar gekennzeichnet.
• Fügen Sie annotierte Hinweise für Abschirmung, Via-Stitching und thermische Vias hinzu.
• Schließen Sie eine umfassende Netzanbindung und Zugriffsmöglichkeiten für funktionale Tests für beide Bereiche ein.

6. Verständnis von Vias und deren Einfluss auf die Signalintegrität

Vias —die kleinen vertikalen Verbindungen, die Schichten in einer gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) —werden oft als Ursache für schlechte signalintegrität . Allerdings hat mit steigenden Taktraten über mehrere hundert MHz oder sogar im GHz-Bereich die Via-Struktur einen zunehmend starken Einfluss auf Parameter wie Transmissionsleitungs-Impedanz, Übersprechen und Ground-Bounce. Für eine zuverlässige Hochgeschwindigkeits- oder Analogleistung ist das Verständnis und die Optimierung der Via-Eigenschaften unerlässlich.

Arten von Vias und ihre Rolle in Mixed-Signal-Platinen

Vias kommen in verschiedenen Formaten vor, wobei jedes Format spezifische Auswirkungen auf die Signalqualität hat:

Einfluss der Via-Induktivität und -Kapazität

Bei einem typischen hochgeschwindigkeits-PCB , via-Induktivität und kapazität sind gemeinsam bekannt als parasitäre Elemente —unbeabsichtigte Nebeneffekte, die schnelle Flanken signale verzerren. Diese Effekte sind besonders problematisch in geregelte Impedanz (z. B. 50 Ω single-ended, 100 Ω differential) Umgebungen.

Wichtige Effekte:

• Parasitäre Induktivität ursachen:
  • Langsamere Flanken, Hochfrequenz-Abfall
  • Reflexionen, Signalüberschwinger und Schwingneigung
• Parasitische Kapazität ursachen:
  • Lokale Impedanzdips, Verzerrung an schnellen Flanken
  • Erhöhte Übersprechanfälligkeit zwischen Durchkontaktierungen oder zu benachbarten Ebenen

Beispiel: 10 Gbps Datenleitung

Ein Via mit einem 1 mm langen Stub (nicht verbundenes Ende im Inneren der Leiterplatte) kann eine Resonanz bei mehreren GHz verursachen und damit ein serielle Signal von 10 Gbps stark verzerren. Das Entfernen oder Verkürzen dieses Stubs (durch Back-Drilling oder die Verwendung blinder Mikroviabohrungen) bringt Amplitude, Augendiagramm-Breite und Timing-Jitter wieder in den zulässigen Bereich.

Strategien zur Optimierung von Vias und Signalintegrität

Die Optimierung des Via-Einsatzes ist eine der wirkungsvollsten Maßnahmen bei Hochgeschwindigkeits- und Mixed-Signal-Leiterplatten. Folgende bewährte Methoden sind entscheidend:

• Minimieren Sie die Anzahl der Vias entlang aller kritischen Hochgeschwindigkeits- oder empfindlichen analogen Leitungen.
• Verwenden Sie Mikroviabohrungen oder kurze blinde Vias anstelle langer Durchkontaktierungen bei GHz+-Leitungen.
• Vermeiden Sie Via-Stubs :

• • Verwenden Sie nach Möglichkeit Back-Drilling, um überschüssige Via-Wandlängen unterhalb der aktiven Schicht zu entfernen.
  • Oder die Beschränkung über Übergänge auf „Schicht-zu-Schicht“ ohne verwaiste Enden.

• Optimieren durch Platzierung :

• • Halten Sie bei differenziellen Paaren Symmetrie ein.
  • Halten Sie Hochgeschwindigkeits-Vias nahe an Referenz-Masse-Vias (Via-Stitching), um die Fläche der Stromschleife zu minimieren und Rückleitpfade zu unterstützen.

• Nähe zu Masseebenen : Bei digitalen und gemischten Signalen platzieren Sie immer ein Masse-Via in der Nähe jedes Signall-Vias, um die Gefahr von abgestrahlten elektromagnetischen Störungen (EMI) zu verringern.

Tabelle: Richtlinien zur Via-Optimierung

Aspektverhältnis-Betrachtungen für Herstellbarkeit und SI

Seitenverhältnis (Tiefen-zu-Durchmesser-Verhältnis von Durchkontaktierungen) beeinflusst sowohl die Herstellbarkeit als auch die Signalqualität. Hohe Aspektverhältnisse machen das Beschichten unzuverlässig (Risiko von Hohlräumen oder offenen Bohrungen) und erhöhen die Impedanz der Durchkontaktierungen, insbesondere bei HDI-Designs.

• Empfohlenes Aspektverhältnis: ≤10:1 für Standard-Durchkontaktierungen; deutlich niedriger für Mikro-Durchkontaktierungen
• Anwendungsfall: Bei einer 1,6 mm dicken Leiterplatte ermöglicht ein minimales Bohrloch von 0,16 mm (6,3 mil) eine sichere galvanische Beschichtung

SI-Anwendungsbeispiel: Mikrovia im Vergleich zu Durchkontaktierung bei Hochgeschwindigkeitssignalen

Ein Telekommunikationsentwickler, der eine 12-lagige Mixed-Signal-Rückwandplatine entwarf, ersetzte herkömmliche Durchkontaktierungen an einem 6,25 Gbps SerDes-Paar durch rückgebohrte blinde Mikroviabindungen. Die Augendiagramm-Jitter sank um 31 %, die Übersprechen (bei 5 GHz) halbierte sich, und das Design bestand den ersten EMI-Test – was den direkten SI-Vorteil einer modernen Via-Strategie beweist.

Zusammenfassung der besten Vorgehensweisen

• Wählen Sie Via-Typen und -strukturen basierend auf signalintegrität anforderungen, Herstellbarkeit und Schichtaufbau der Leiterplatte.
• Simulieren Sie (mithilfe von Ansys SIwave, HyperLynx oder Altiums SI-Tools) jegliche Via-Kopplung, Resonanz- oder Reflexionsrisiken – insbesondere bei Leitungen über 500 Mbps oder kritischen analogen Signalen.
• Stets die SI-Anforderungen mit DFM-Rückmeldungen Ihres Leiterplattenherstellers abstimmen, um zuverlässige Fertigungsergebnisse zu erzielen.

7. Strategien für Massebenen bei Hochgeschwindigkeits- und Mixed-Signal-Leiterplatten

Ordnungsgemäß konstruierte erdungsebene ist der stille Wächter der Signalintegrität in jeder Hochleistungs- gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) . Mit steigenden digitalen Geschwindigkeiten und zunehmender analoger Präzision wird das Masse-System zum kritischen Rückweg jedes Signals, zum Schutz gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und zur „Null-Volt“-Referenz für alle analogen und digitalen Messungen. Doch subtile Fehler im Layout der Massebene können selbst fortschrittlichste Designs stillschweigend gefährden.

Die Rolle von Masseebenen in Mixed-Signal-Leiterplatten

In beiden Fällen analogeren PCB und digitalen PCB subsysteme erfüllt die Masseebene drei wesentliche Funktionen:

• Signalrückweg: Gewährleistet niederohmige, direkte Wege zwischen Sender und Empfänger sowohl für hochgeschwindige digitale als auch für empfindliche analoge Signale.
• EMV-Unterdrückung: Bietet eine durchgängige Abschirmung, die abgestrahlte Emissionen absorbiert und einschließt, wodurch sowohl interne Übersprechen als auch die Aufnahme externer Störungen begrenzt werden.
• Referenzstabilität: Hält eine konstante Spannungsreferenz aufrecht, die für die ADC-Integration und präzise analoge Messungen entscheidend ist.

Empfohlene Vorgehensweisen bei der Implementierung von Masseflächen

1. Verwenden Sie eine durchgehende, nicht unterbrochene Massefläche

• Widmen Sie eine gesamte Ebene (oder mehrere Ebenen) ausschließlich der durchgehenden Masse.
• Vermeiden Sie das Durchtrennen, Einschlitzen oder Segmentieren dieser Ebene unter Signalleitungen.
  • Tatsache: Jeder Schlitz oder Bruch in der Massefläche unter einer Hochgeschwindigkeitsleitung zwingt die Rückstrompfade, einen Umweg zu nehmen, wodurch die Schleifenfläche stark vergrößert wird, was zu höheren EMV-Störungen und erhöhter Anfälligkeit gegenüber Rauschen führt.
• Platzieren Sie schnelle und hochauflösende analoge Schaltungen direkt über ihrer Referenzmasse, um die Rückstrompfade zu verkürzen und parasitäre Induktivitäten zu minimieren.

2. Trennen Sie analoge und digitale Masseflächen – mit Disziplin

• Bei vielen Mixed-Signal-Platinen ist es ratsam, analoge und digitale Masse logisch (nicht immer physisch) zu trennen und sie an einem einzigen Sternpunkt zu verbinden – oft direkt am ADC oder DAC. Dies verhindert, dass gestörte digitale Rückleitungen die analogen Referenzen beeinflussen. logisch (nicht immer physisch) trennen und sie an einem einzigen sternpunkt verbinden – oft direkt am ADC oder DAC. Dies verhindert, dass gestörte digitale Rückleitungen die analogen Referenzen beeinflussen.
• Physische Trennungen nur wenn nötig verwenden; niemals ohne triftigen Grund trennen und immer an den wichtigsten Umsetzungs-/Schnittstellungsstellen eine niederohmige „Brücke“ vorsehen.
• Vermeiden Sie lange parallele Verläufe von analogen und digitalen Masseleitungen, die als Antennen wirken können.

3. Verbinden Sie Masseflächen mit Vias

• Verwendung durch Vernähung rund um abgeschirmte Bereiche, Leiterplattenränder und in der Nähe von Hochgeschwindigkeits-Signal-Vias. Dicht beieinanderliegende (≤2 mm) Masse-Vias sorgen für eine effektive Abschirmung von elektromagnetischen Störungen (EMI) und verkürzen die Signalrückführschleife.
• Bei differentiellen oder Hochgeschwindigkeits-Paaren, die Ebenen wechseln, sollten Masse-Vias neben den Signal-Vias platziert werden, um eine ordnungsgemäße Führung des Rückstroms zu gewährleisten.

4. Verwendung mehrerer Masseebenen bei kritischen Anwendungen

• Mehrlagige Leiterplatten (z. B. 4, 6 oder mehr Lagen) sollten immer über mehr als eine Masseebene verfügen, um einen niederohmigen Rückweg und zusätzliche Abschirmung zu ermöglichen. Erwägen Sie einen „Masse-Sandwich“-Aufbau, bei dem zwei Masseebenen eine Signalebene flankieren.
• Beispiel-Stack-Up:  
  • Lage 2: Durchgehende Masse für digitale Schaltungen
  • Lage 4: Analogmasse (verbunden am ADC-Sternpunkt)
  • Lage 6: Gehäuse- oder Schirmmasse (für Gehäuse oder HF-Anwendungen)

Praktische Richtlinien für Masseebenen – Tabelle

8. Stromversorgungsintegrität: Gewährleistung eines sauberen Stromversorgungsnetzwerks

Entwicklung für Robustheit stromversorgungsintegrität ist nicht einfach nur die Bereitstellung einer Spannung für Ihre Geräte – es geht darum, sicherzustellen, dass jeder empfindliche analoge Eingang, jedes hochgeschwindigkeitsdigitale Signal und jeder präzise Wandler unter allen realen Lastbedingungen stets eine rauschfreie, stabile Versorgung erhält. Bei Mixed-Signal-PCB-Designs sind stromverteilung strategien genauso entscheidend für signalintegrität wie Erdung und Impedanzsteuerung.

Warum Power-Integrität bei Mixed-Signal-PCBs wichtig ist

Eine verrauschte oder schwache stromversorgungsnetz (PDN) kann das bestmögliche Analog- oder Digitallayout untergraben. Bedenken Sie:

• Spannungsrippel können direkt in ADC-Integration eingekoppelt werden, was die effektive Auflösung und das SNR verringert sowie Jitter an getakteten Schnittstellen verursacht.
• Vorübergehende Spannungseinbrüche („Spannungseinbrüche“) durch schnelles digitales Schalten erzeugen ground-Bounce oder Übersprechen, das analoge Schaltungen verstärken oder demodulieren können.
• Ungenügend entkopplungskondensatoren oder falsch platzierte Großkondensatoren können dazu führen, dass Spannungsversorgungsschienen oszillieren oder schwingen, wodurch logische Zustände und Sensormesswerte beeinträchtigt werden können.

Strategien für eine saubere Stromversorgung

1. Trennung von analogen und digitalen Stromversorgungsbereichen

• Verwenden Sie nach Möglichkeit getrennte analoge und digitale Versorgungsschienen. Speisen Sie den analogen Bereich über geräuscharme Linearregler (LDOs), während digitale Bereiche von effizienten Schaltnetzteilen (SMPS) versorgt werden können.
• Fügen Sie für kritische Sensoren oder hochauflösende ADCs ein zusätzliches analoges Versorgungsfilter (LC-Filter oder Ferritperle mit Kondensator) hinzu.
• Trennen Sie analoge und digitale Stromversorgungsebenen physisch, um empfindliche Bereiche weiter zu isolieren.

2. Verwendung von PDN-Analyse und Impedanzvorgaben

• Definieren und simulieren Sie Ihr PDN mit PDN-Analysator werkzeuge (HyperLynx, Keysight ADS, Ansys, etc.) verwenden, um sicherzustellen, dass alle Chips bei maximaler Laststufe eine stabile Spannung erhalten.
• Legen Sie einen Impedanzsollwert (Z_target) für jede Spannungsschiene fest. Für moderne Logikbausteine (1,2 V, 1,8 V, 3,3 V Schienen) kann dieser für hochstromführende Leitungen so niedrig wie 10–20 mΩ sein.

3. Gestaffelte Platzierung von Entkopplungskondensatoren

• Platzieren Sie eine Kombination aus MLCCs (0,01 μF, 0,1 μF, 1 μF) möglichst nahe an jedem Spannungsanschluss – idealerweise direkt darunter oder benachbart über den kürzesten Weg.
• Verwenden Sie größere Großkondensatoren (10 μF, 22 μF, Tantal oder Keramik) verteilt in der Nähe von IC-Gruppen oder am Eingang der Stromversorgung.
• Für Hochgeschwindigkeits-Digital-ICs (FPGA, MCU, DDR) zusätzliche lokale Entkopplung verwenden, um das gleichzeitige Schaltrauschen (SSO) zu reduzieren.

Beispiel: Tabelle für Entkopplungskondensatoren auf einer Mixed-Signal-Leiterplatte

4. Stromebeneneimpedanz und Resonanz minimieren

• Kupferdicke (≥1 Unze/ft²) und Fläche für kritische analoge Spannungsversorgungen zur Erzielung geringer Widerstände maximieren.
• Ebenenformen einfach und durchgängig halten. Enge Stellen oder Verzweigungen vermeiden, die die lokale Impedanz erhöhen.
• Kurze, breite Leiterbahnen von der Quelle (Regler) zur Last führen, ohne dabei geräuschintensive Bereiche zu überqueren.
• Vermeiden Sie es nach Möglichkeit, Hochgeschwindigkeitssignalleitungen über laute oder geteilte Stromebenen zu legen.

5. Ferritperlen, LC-Filter und Isolierung

• Fügen Sie Ferritperlen an den Eingängen analoger Versorgungsschienen hinzu, um digitale Schaltstörungen abzublocken (z. B. Rauschen von MCU-Kernen, Taktschaltungen).
• Verwenden Sie LC-Pi-Netzwerkfilter für ultraniedergeräuscharme ADC-Versorgungsschienen oder Sensorexzitation.

Fallstudie: Behebung von ADC-Rauschen auf einer Mixed-Signal-Leiterplatte

Ein industrielles IoT-Sensormodul zeigte zufällige Spitzen in analogen Messungen, wenn der drahtlose Transceiver eine Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung initiierte. Die PDN-Analyse ergab, dass hohe Schaltströme über eine gemeinsame 3,3-Volt-Schiene gekoppelt wurden, was sich auf die ADC-Referenz auswirkte. Nach Hinzufügung einer Ferritperle, zusätzlicher lokaler Entkopplung und Trennung des analogen VREF vom digitalen VCC verbesserte sich der ADC-SNR um 22 dB und die Lärmspitzen verschwanden vollständig.

9. Wie ist es? Design für die Herstellbarkeit und Zusammenarbeit mit Herstellern

Egal wie hoch entwickelt deine gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) sie haben sich nicht gefragt, wie genau Sie signalintegrität die Ergebnisse der Simulationen sind in letzter Instanz von der Qualität der Konstruktion, Prüfung und Montage durch den von Ihnen gewählten Hersteller abhängig. Design for Manufacturability (DFM) und die Kunst der Zusammenarbeit mit PCB-Herstellernsichern, dass alle Ihre SI-Ambitionen nahtlos in echte, zuverlässige Hardware umgesetzt werden.

Warum DFM für den Erfolg von Mixed-Signal-PCB und SI entscheidend ist

Moderne Mixed-Signal-PCBs verwenden häufig Bauteile mit feinem Raster, HDI-Aufbauten, präzise Impedanzsteuerung, dichte Via-Anordnungen und anspruchsvolle Strom-/Masse-Layouts. Wenn Ihr Design nicht hochwertige Serienfertigung ermöglicht oder regelmäßig aufgrund nicht realisierbarer Merkmale Nacharbeit erfordert, sind alle Ihre Bemühungen zur Signalintegrität vergebens.

Wichtige DFM-Überlegungen für Mixed-Signal- und Hochgeschwindigkeits-Designs

1. Schichtaufbau und Materialverfügbarkeit

• Überprüfen Sie Ihren geplanten PCB-Schichtaufbau mit Ihrem Lieferanten bevor das Layout festgelegt wird – fragen Sie nach möglichen Anzahlen von Lagen, minimaler Dielektrikumdicke und Kupferstärken.
• Verwenden Sie Materialien, die der Hersteller vorrätig hat (FR-4, Rogers, niederohmige Laminatmaterialien), die Ihre Anforderungen an kontrollierte Impedanz, geringe Übersprechanfälligkeit und hohe Isolation erfüllen.
• Bestätigen Sie die symmetrische Schichtanordnung (zur Minimierung von Verzug), insbesondere bei Hochgeschwindigkeits- und HDI-Leiterplatten.

2. Via-Typen, Aspektverhältnis und Bohrbegrenzungen

• Teilen Sie die via-Anforderungen Ihres Projekts (Durchkontaktierungen, Microvias, blinde/eingebettete) und stellen Sie sicher, dass Ihr Design zu den Fertigungsmöglichkeiten passt.
• Halten Sie sich bei Durchkontaktierungen an Seitenverhältnisse ≤10:1 oder verwenden Sie gestufte/gestapelte Microvias für HDI.
• Minimieren Sie „Sonderbearbeitungen“ (z. B. Back-Drilling-Stümpfe), sofern diese nicht absolut notwendig für die Signalintegrität sind – da sie Kosten verursachen und die Ausbeute verringern können.

3. Impedanzsteuerung—Von der Simulation zur Realität

• Geben Sie Zielimpedanzen für alle Übertragungsleitungen (50 Ω, 100 Ω differentiell, etc.) an und verweisen Sie in Ihren Fertigungsnotizen auf Ihre Schichtaufbau-Geometrie.
• Fordern Sie Prüflötflächen oder zwischengeschaltete Impedanzprüfungen an, um sicherzustellen, dass kritische Leitungen die Spezifikationen erfüllen.
• Bestätigen Sie die Fähigkeiten des Herstellers bezüglich Präzisionsätzungen, Beschichtungen und Dielektrikumsteuerung.

4. Kupferdicke, Annular Ring und Leiterbahnbreite/Abstand

• Legen Sie Ihre Leiterbahnbreite/Abstand und Kupferdicke gemäß IPC-Richtlinien und Herstellerbeschränkungen fest.
  • Für empfindliche analoge und Leistungssignale sollte eine Kupferstärke von ≥1 Unze/ft² in Betracht gezogen werden, um eine robuste Stromversorgung (PI) und einen geringen Spannungsabfall zu gewährleisten.
• Stellen Sie sicher, dass die Annularrings um Durchkontaktierungen (für die Plattierungsfestigkeit) die vom Hersteller festgelegten Mindestwerte erfüllen.
• Überprüfen Sie die minimalen Lötstopplack-Abstände – insbesondere in dichten Mixed-Signal- und BGA-Bereichen.

5. Test- und Prüfpunkte

• Fügen Sie Prüfpunkte sowohl an analoge als auch digitale Knotenpunkte ein; arbeiten Sie mit Ihrem Bestücker zusammen, um sicherzustellen, dass die Prüfvorrichtungen alle kritischen Leitungen erreichen können, ohne durch hohe Bauteile, Steckverbinder oder Abschirmungen behindert zu werden.
• Berücksichtigen Sie In-Circuit- und Funktionstests bei der Konstruktion – diese Möglichkeiten helfen häufig, Signalintegritäts- (SI) oder Bestückungsfehler frühzeitig zu erkennen.

Effektiv mit Leiterplattenherstellern zusammenarbeiten

• Frühzeitig und regelmäßig austauschen: Geben Sie den Schichtverbund, Impedanzvorgaben, wichtige Layouts und Dichtekarten so bald wie möglich an Ihren Hersteller weiter.
• Fordern Sie eine DFM-Prüfung an: Laden Sie Feedback zu möglichen „Warnsignalen“ ein (z. B. nicht realisierbare Strukturen, eingeschränkte Kupferabstände, Herausforderungen beim Wärmemanagement).
• Fragen Sie nach Mehrwertdienstleistungen: Einige Leiterplattenhersteller bieten hausinterne SI-Simulation, automatisierte Netlist-Verifikation oder erweiterte Prüfverfahren (wie Röntgenuntersuchung für HDI) an.
• Begutachten Sie gemeinsam das Feedback zur Prototypenerstellung: Überprüfen Sie gemeinsam Erstmuster auf Lötfehler, unerwartete Kapazitäten/Induktivitäten oder SI/EMI-Problembereiche – und führen Sie gegebenenfalls Iterationen durch, bevor die Serienproduktion gestartet wird.

DFM & Hersteller-Kollaborations-Checkliste

Praxisbeispiel: Verbesserung der Produktionsausbeute mit DFM

Ein kabelloser IoT-Hub mit einer 10-lagigen Mixed-Signal-PCB scheiterte beim ersten Fertigungslos an den Impedanztests für die differentiellen USB-Leitungen. Die Ursache: nicht genehmigte Ersatzstoffe für das spezifizierte Low-Dk-Prepreg führten dazu, dass die Leiterbahnimpedanz von 100 Ω auf 115 Ω abwich und somit die Konformität verfehlte. Durch enge Zusammenarbeit mit dem Hersteller, Validierung aller Materialien und Hinzufügen von Schichtaufbau-Dokumentation in die Gerber-Dateien bestand das Design im nächsten Los sowohl die SI- als auch die EMI/EMV-Tests – bei einer Ausbeute von 100 %.

10. Prüfung von Mixed-Signal-PCBs auf Zuverlässigkeit

Umfassende Tests sind die letzte Sicherung für Zuverlässigkeit gemischtsignaltechnischen Leiterplatte (PCB) qualität Und signalintegrität . Selbst die sorgfältigsten entwickelten Leiterplatten können Herstellungsfehler, SI-Probleme oder unvorhergesehene Schwachstellen im realen Einsatz aufweisen. Durch umfassende Validierungsstrategien, die sowohl analoge als auch digitale Subsysteme abdecken, schützen Sie die Funktionalität, Konformität und langfristige Zuverlässigkeit Ihres Produkts.

Warum umfassende Prüfung entscheidend ist

Mixed-Signal-PCBs kombinieren einzigartig analoge Empfindlichkeit mit Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltung – was ein Prüfumfeld schafft, in dem bereits geringste Störungen oder parasitäre Effekte Systemfehler verursachen können. Unentdeckte Probleme wie Ground Bounce, Spannungsüberschwingungen oder Clock Jitter können monatelange Entwicklungsarbeit zunichtemachen und die Betriebssicherheit beeinträchtigen.

Wichtige Prüfarten für Mixed-Signal-PCBs

1. Funktionsprüfung

• Zweck: Überprüft, ob sowohl die analoge als auch die digitale Schaltung den Designvorgaben entsprechen.
• Methoden:  
  • Gegebene analoge Signale einspeisen und ADC/DAC-Übertragungsfunktionen auf Linearität, SNR und THD prüfen.
  • Logikanalysatoren und Protokolltester verwenden, um digitale Busse (SPI, I2C, CAN, USB, HDMI) auf korrekte Timing-Abfolgen, fehlerfreie Übertragungen und Einhaltung der Protokollvorschriften zu überprüfen.
  • Schleifen-Rückkopplungsmuster und selbstprüfende Firmware-Routinen für die Board-Initialisierung auf Ebene der Platine einsetzen.

2. Belastungstest unter Umwelteinflüssen

• Zweck: Deckt latente Fehler oder Störungsanfälligkeiten bezüglich Signalintegrität unter extremen Temperaturen, Luftfeuchtigkeit und Vibrationen auf.
• Methoden:  
  • Temperaturwechsel (z. B. von –40 °C bis +85 °C), mit und ohne Stromversorgung.
  • Feuchtigkeitslagerungstests, besonders kritisch für analoge Frontends oder Hochgeschwindigkeits-E/A-Schnittstellen, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sind.
  • Simulation von Vibrationen und Stößen – zur Überwachung von Signalunterbrechungen, Ground-Bounce-Effekten oder signaltechnischen Problemen durch Steckverbinder.

3. EMI/EMV-Konformitätsprüfung

• Zweck: Stellt sicher, dass die elektromagnetischen Emissionen und die Empfindlichkeit der Platine innerhalb der gesetzlichen Grenzwerte liegen (FCC, CISPR, Automobil-, Medizinanwendungen usw.).
• Methoden:  
  • Störstrahlung: Die Platine in einer Absorberkammer scannen, um elektromagnetische Störungen durch lautstarke Taktquellen, schnelle Datenleitungen und Leistungsbereiche zu messen.
  • Leitungsgebundene Störungen: Beurteilen, ob Störungen in die Stromleitungen der Platine eingekoppelt werden.
  • Störfestigkeitstests: Die Platine mit HF-Energie oder ESD-Impulsen beschallen und stabile analoge/digitale Funktion bestätigen.

Übliche Ausrüstung für Mixed-Signal-PCB-Tests

Best-Practice-Testablauf

• Planung von Testpunkten im Layout: Sowohl analogen als auch digitalen Messzugang einbeziehen – sicherstellen, dass unverbaute Bereiche für Oszilloskop, Logikprobe oder HF-Messungen vorhanden sind.
• Signalintegritäts-/Stromversorgungsintegritäts-Simulationen vor der Produktion durchführen: Kritische Leitungen im virtuellen Prototypen validieren, bevor die Hardware erstellt wird.
• Prototyp erstellen, debuggen und dokumentieren: Frühzeitige Bauteile auf Abweichungen in der SI (Eye Closure, Jitter, Rauschen) analysieren und Ursachen sowie Korrekturmaßnahmen dokumentieren.
• Gründliche Konformitätsprüfungen durchführen: Auch Produkte ohne Zertifizierung profitieren von EMI/EMV-Tests, die häufig unerwartete SI-Probleme aufgrund von Layout-, Erdungs- oder Abschirmungsfehlern offenbaren.
• Während des ersten Einsatzes überwachen: Praxisnahe Rückmeldungen aus dem Feld sind für die kontinuierliche SI-Validierung von unschätzbarem Wert, insbesondere wenn die Anwendungen wechselnden Umgebungen unterliegen.