Fangfrage: Wird die Anstiegszeit eines Signals länger, während es durch ein Kabel läuft?

Warum Signalintegrität oft erst im Beruf gelernt wird

Signalintegrität wird an vielen Universitäten nicht gelehrt. Wenn die Eigenschaften von Übertragungsleitungen gelehrt werden, dann meist aus HF-Sicht, indem die Eingangsimpedanz einer Übertragungsleitung im Frequenzbereich beschrieben wird. Diese Sichtweise ist völlig in Ordnung, hilft einem Signalintegritätsingenieur aber nicht, die Signalausbreitung in Interconnects aus der Perspektive des Zeitbereichs zu verstehen.

Deshalb lernen viele Ingenieure Signalintegrität erst im Beruf. Sie schauen YouTube-Videos und Webinare oder lernen in der Praxis im Labor an der Seite erfahrenerer Ingenieure.

Ohne ein solides Fundament in den Prinzipien der Signalintegrität ist es leicht, Messungen oder Simulationen falsch zu interpretieren, falsche Schlüsse zu ziehen und sich die eigene Intuition zu verderben. Allzu oft höre ich von Ingenieuren, dass sie Simulationen nicht trauen, sondern nur Messungen. Das ist das perfekte Publikum, um es hereinzulegen.

Eine Teaser-Demo zur Signalintegrität

Wenn ich Tutorials vor einem großen Publikum von Ingenieuren auf Konferenzen oder vor Ort in Unternehmen halte, teste ich ihr Verständnis gern mit einem einfachen Live-Experiment.

Jedes Oszilloskop hat ein Tastkopf-Kompensationssignal, das mit 10x-Tastköpfen verwendet wird: ein Rechtecksignal mit 1 V und 1 kHz und relativ kurzer Anstiegszeit. Mit einem kleinen Mini-Grabber-auf-BNC-Adapter können wir dieses Signal direkt an einem Oszilloskopkanal messen. Die Abbildung unten zeigt diesen Aufbau und die Messung des Signals über die kurze Mini-Grabber-Verbindung.

In diesem Beispiel wird die 10-90-%-Anstiegszeit des Kompensationssignals mit etwa 203 nsec gemessen, und das Kabel ist etwa 3 Fuß lang.

Die einfache Frage, die ich stelle, lautet: Was passiert mit dieser Anstiegszeit, wenn ich das Koaxialkabel verlängere, das Kanal 1 des Oszilloskops mit dem Kompensationssignal verbindet?

Ich mag dieses Beispiel, weil jeder mit einem Oszilloskop und ein paar herumliegenden Koaxialkabeln dieses Experiment durchführen kann. Ich glaube, Ingenieure haben diese Messung schon ausprobiert oder mit anderen darüber diskutiert, denn jeder Ingenieur, den ich frage, hat eine Meinung dazu. In zu vielen Foren wie Electrical Engineering Stack Exchange, EEVblog, All About Circuits oder RF Electronics sehe ich diese Art von Frage diskutiert, mit zu vielen sehr irreführenden Antworten.

Die große Mehrheit der Ingenieure, die ich frage, was bei diesem Experiment zu erwarten ist, antwortet, dass die Anstiegszeit zunimmt. Das wirklich Schöne an Wissenschaft und Technik ist, dass es nicht um Meinungen geht, sondern um Belege.

Wenn ich dieses Experiment durchführe und ein Stück Koaxialkabel hinzufüge, zeige ich, dass die Anstiegszeit tatsächlich zunimmt. In der Abbildung unten habe ich das Kabel auf insgesamt 12 Fuß verlängert, und die Anstiegszeit beträgt 600 nsec, eine recht große Zunahme.

Tatsächlich nimmt die Anstiegszeit mit zunehmender Länge des Koaxialkabels stetig zu. In der Abbildung unten wird die Anstiegszeit bei drei unterschiedlich langen Koaxialkabeln verglichen. Diese Beobachtung stützt eindeutig die weit verbreitete Annahme, dass eine größere Kabellänge die Anstiegszeit des Signals erhöht.

Das ist eines dieser Experimente, die Sie zu Hause ausprobieren sollten, um sich selbst von diesem Verhalten zu überzeugen.

Der Effekt ist verblüffend. Bei einer Länge von 6 Fuß beträgt die Anstiegszeit 250 nsec. Bei 18 Fuß beträgt sie fast 1 µsec. Bedeutet das, dass längere Interconnects eine erhebliche Anstiegszeit verursachen? Wenn das stimmt, wie ist es dann möglich, ein USB-Signal mit 5 Gbps und 200 psec Anstiegszeit über ein 6 ft langes USB-Kabel zu übertragen, wenn die Anstiegszeit auf 250 nsec verschlechtert würde, das 1000-Fache dessen, was in das USB-Kabel hineingeht?

Die Ursache finden: fünf gängige Erklärungen

Um ein Problem zu beheben, müssen wir seine eigentliche Ursache kennen und das Problem an dieser Ursache lösen. Wenn ich frage, warum dieser Effekt auftritt, bekomme ich fünf gängige Antworten:

1. Es ist eine Verschlechterung der Anstiegszeit durch dielektrische Verluste im Kabel.
2. Es ist eine Verschlechterung der Anstiegszeit durch Leiterverluste im Kabel.
3. Es ist die frequenzabhängige Ausbreitungsgeschwindigkeit im Kabel, die Dispersion verursacht und die steigende Flanke auseinanderzieht.
4. Das Signal muss die Kapazität des Kabels aufladen.
5. Das Signal hat im längeren Kabel einen weiteren Weg zurückzulegen, und diese Anstiegszeit hängt mit der Laufzeit durch das Kabel zusammen.

Wenn wir die falsche Ursache für ein Problem annehmen, hängt die Chance, das Problem zu beheben, vom reinen Glück ab. Das veranschaulicht der Cartoon unten.

Keine der fünf populären Erklärungen ist richtig. Sich auf eine davon zu verlassen, um dieses Problem zu beheben, ist Zeitverschwendung. Frequenzabhängige Verluste und Dispersion verlängern zwar die Signalzeit, während sich Signale auf Interconnects ausbreiten. Diese Effekte würden die Anstiegszeit jedoch um etwa 4 Größenordnungen weniger beeinflussen als das, was beobachtet wird.

Wenn die Kabelkapazität die längere Anstiegszeit verursachen würde, ließe sich die Anstiegszeit mit einem Kabel geringerer Kapazität verkürzen. Auch das funktioniert nicht. Die letzte Erklärung ist schlicht bedeutungslos. Es gibt nichts, woran man ansetzen könnte.

Der wahre Grund, warum die gemessene Anstiegszeit mit der Kabellänge zunimmt, liegt darin, wie Signale mit dem Gesamtsystem aus Sender (TX), Interconnect und Empfänger (RX) wechselwirken.

Die wahre Erklärung: ein Ersatzschaltbild des Systems

Um ein reales System zu verstehen, müssen wir es in ein ideales Ersatzschaltbild übersetzen. Diesen Prozess nennt man Situationsbewusstsein.

Sobald wir das ideale Schaltungsmodell haben, können wir unsere grundlegenden Prinzipien anwenden, um das Signalverhalten vorherzusagen. Wir vergleichen das vorhergesagte Signalverhalten in der virtuellen Welt mit dem gemessenen Verhalten in der realen Welt. Wir führen in der virtuellen, idealen Welt jeden Konsistenztest durch, der uns möglich ist, und suchen im realen System nach demselben vorhergesagten Verhalten.

Ich bin nicht sicher, ob wir jemals sicher wissen können, ob wir eine richtige Erklärung haben. Aber je mehr Konsistenztests wir durchführen und je besser das simulierte Verhalten der Signale mit dem real gemessenen Verhalten übereinstimmt, desto größer ist unser Vertrauen, dass wir der Wahrheit näher sind.

Das vollständige Ersatzschaltbild dieses gemessenen Systems ist unten dargestellt.

Das einfache Modell erster Ordnung für alle Signalquellen ist ein Thevenin-Ersatzschaltbild. Es besteht aus einer idealen Spannungsquelle, einer Sprungflanke mit einer Spannung und einer Anstiegszeit, gefolgt von einem Quellwiderstand. Überraschenderweise stimmen viele IBIS-Treibermodelle (Input/Output Buffer Information Specification) sehr gut mit diesem einfachen Modell überein.

Die Kabel unterschiedlicher Länge werden als ideale, homogene, verlustlose Übertragungsleitungen modelliert. Sie haben nur zwei Eigenschaften: eine Laufzeit und einen Wellenwiderstand. Der Oszilloskopkanal, also der RX, lässt sich als einfacher idealer Widerstand modellieren.

Mit diesem Modell können wir alle Effekte verstehen, die wir beim Kompensationssignal, bei unterschiedlich langen Kabeln und sogar bei den beiden verschiedenen Eingangsimpedanzen des Oszilloskops sehen: 1 Megaohm und 50 Ohm. Um dieses Modell zu nutzen, müssen wir die Eigenschaften jeder Komponente kennen.

Das Tastkopf-Kompensationssignal charakterisieren

Den Thevenin-Ausgangswiderstand des Kompensationssignals und die Eigenschaften des Signals auf Übertragungsleitungen zu verstehen, ist der Schlüssel, um zu verstehen, warum die gemessene Anstiegszeit mit der Kabellänge zunimmt.

Um die Thevenin-Ausgangsspannung des Kompensationssignals zu messen, misst man die „Leerlaufspannung“ mit dem Oszilloskop. Das heißt, man lässt das Oszilloskop auf dem 1-Megaohm-Eingang und wartet, bis alle Reflexionen abgeklungen sind, um die stationäre Spannung zu sehen. Ist das Kabel 3 ft lang, beträgt die Laufzeit etwa 6 nsec. Ein Zyklus des Nachschwingens dauert 4 Laufzeiten, also 24 nsec. Wenn wir 40 Schwingungszyklen abwarten, sind das 1 µsec, reichlich Zeit für den stationären Zustand. Die Abbildung unten zeigt die gemessene Spannung am Oszilloskop mit einer Eingangsimpedanz von 1 Megaohm.

Die Thevenin-Spannung beträgt 1 V. Um den Thevenin-Widerstand zu ermitteln, belasten wir den Treiber mit einer bekannten Last und messen die Spannungsänderung an der Last. Die Spannungsänderung ist buchstäblich die Spannung über dem Thevenin-Widerstand. Der Strom durch den Thevenin-Widerstand ist die Spannung über dem Lastwiderstand.

Wenn wir den 50-Ohm-Widerstand des Oszilloskops an die Quelle anschließen, sehen wir, wie der Ausgang der Quelle aufgrund des entstandenen Spannungsteilers absinkt. Aus dieser gemessenen Spannung können wir den Thevenin-Widerstand der Quelle berechnen. Diese Messung und Analyse sind unten dargestellt:

Wir erwarten, dass die belastete Spannung gegenüber 1 V absinkt. Die gemessene Spannung von 60 mV bedeutet, dass der Thevenin-Quellwiderstand des Kompensationssignals etwa 780 Ohm beträgt. Das ist von entscheidender Bedeutung. Warum ist er so hoch? Ich habe einige befreundete Oszilloskop-Entwickler gefragt, und sie sagen, der genaue Wert sei nicht wichtig, solange er hoch genug ist, dass der Strom durch die Masseleitung sehr klein bleibt, wenn ein Anwender versehentlich die Masseleitung des 10x-Tastkopfs an den Ausgang des Kompensationssignals anschließt.

Ich weiß, dass keiner meiner Leser so etwas jemals tun würde, aber ich sehe ständig Studierende, die nicht auf die Beschriftungen achten und die Masseleitung des 10x-Tastkopfs an die Signalöse anschließen. Gut, dass die Ausgangsimpedanz des Kompensationssignals hoch ist.

Dieser Test liefert uns zwei Messungen zum Preis von einer. Wenn wir das Oszilloskop auf 50 Ohm einstellen, gibt es keine Reflexionen, wenn das Signal vom 50-Ohm-Kabel auf die 50-Ohm-Eingangsimpedanz des Oszilloskops übergeht, und das Signal, das wir mit dem Oszilloskop messen, ist das Signal, das in das 50-Ohm-Koaxialkabel eingespeist wird. Was das Oszilloskop misst, ist das Signal direkt am Ausgang des Kompensationssignals. Dieses Signal hat eine Anstiegszeit von 3 nsec. Damit kennen wir die drei wichtigen Eigenschaften des Kompensationssignals: Seine Thevenin-Spannung beträgt 1 V, sein Thevenin-Widerstand 780 Ohm und seine Anstiegszeit 3 nsec.

Dieser Test zeigt auch sehr deutlich: Wenn wir einen 50-Ohm-Eingang am Oszilloskop verwenden, um Mehrfachreflexionen in der Übertragungsleitung des Kabels zu verhindern, beträgt die tatsächlich gemessene Anstiegszeit unabhängig von der Kabellänge 3 nsec. Das ist die intrinsische Anstiegszeit des Kompensationssignals, nicht die fast 1 µsec, die wir mit einem 18 ft langen Kabel und dem 1-Megaohm-Eingang des Oszilloskops gemessen haben.

Tabelle 1: Gemessene Anstiegszeit des Tastkopf-Kompensationssignals nach Kabellänge und Oszilloskopeingang

Aber warum sehen wir die längere Anstiegszeit? Hier kommt es darauf an, die Wechselwirkung des Signals mit dem System Schritt für Schritt zu analysieren.

Wie Reflexionen die gemessene Anstiegszeit verlängern

Alles läuft auf das Systemmodell hinaus. Wenn das 1-V-Signal der Quelle durch den 780-Ohm-Quellwiderstand läuft, sieht es den anfänglichen Eingangswiderstand der Übertragungsleitung von 50 Ohm. Dieser bildet mit dem Thevenin-Quellwiderstand einen Spannungsteiler. Die in die Übertragungsleitung eingespeiste Spannung beträgt:

1 V × 50 Ohm / (50 Ohm + 780 Ohm) = 60 mV

Dieses 60-mV-Signal breitet sich entlang der Übertragungsleitung bis zum 1-Megaohm-Eingang des Oszilloskops aus. Dort wird es mit einem Reflexionsfaktor von nahezu 1 reflektiert. Das Oszilloskop misst das einfallende 60-mV-Signal plus das reflektierte 60-mV-Signal. Das Oszilloskop kann die Ausbreitungsrichtung eines Signals nicht erkennen, nur die Gesamtspannung des Signals. Das bedeutet: Eine Laufzeit, nachdem das 60-mV-Signal in das Koaxialkabel eingetreten ist, misst das Oszilloskop ein Signal von 120 mV.

Das reflektierte 60-mV-Signal läuft zurück zur Quelle. Wenn das 60-mV-Signal auf die 780-Ohm-Impedanz der Quelle trifft, wird es mit einem Reflexionsfaktor von etwa 0,9 reflektiert. Etwa 54 mV werden zurück zum Oszilloskopeingang reflektiert. Wenn das 54-mV-Signal auf den 1-Megaohm-Eingang des Oszilloskops trifft, werden weitere 54 mV reflektiert. Das Oszilloskop sieht die bisherigen 120 mV und die neuen 54 mV + 54 mV, also 228 mV.

Ist das Koaxialkabel 12 Fuß lang, beträgt seine Laufzeit etwa 25 nsec. Der Weg vom Oszilloskop zur Quelle und zurück dauert 2 Laufzeiten, also etwa 50 nsec. Wir sollten im empfangenen Signal am Oszilloskop Stufen mit einer Dauer von etwa 50 nsec sehen. Die erste Stufe liegt bei 120 mV und eine zweite Stufe, 50 nsec später, bei 228 mV.

Genau das wird gemessen, wie die Abbildung unten zeigt.

Jede Stufe ist 50 nsec lang; jede Stufe wird mit jeder Reflexion an der 780-Ohm-Impedanz der Quelle etwas kleiner. Das ist ein exponentielles Verhalten. Es sieht aus wie eine RC-Zeitkonstante, hat aber nichts mit dem Aufladen eines RC-Glieds zu tun. Es hat mit einer kleinen Anfangsspannung zu tun, die in eine Übertragungsleitung eingespeist wird, und mit den Reflexionen, die zwischen der hochohmigen Quelle und dem hochohmigen Oszilloskop hin- und herlaufen.

Mit zunehmender Kabellänge wird jede Stufe der Treppe bis zur vollen Thevenin-Spannung länger, und die Anstiegszeit nimmt zu. Nimmt die Anstiegszeit mit zunehmender Kabellänge also tatsächlich zu? In diesem konkreten System absolut. Jeder kann das messen. Aber es gibt einen Unterschied zwischen der intrinsischen Anstiegszeit der Quelle und dem, was das Oszilloskop tatsächlich misst. Das System zählt.

Wenn das die Ursache ist, wie verringern wir dann die Anstiegszeit über einen Interconnect? Die Ursache sind die Reflexionen an den 1 Megaohm des Oszilloskops und an den 780 Ohm der Quelle. Sie lassen das Signal hin- und herlaufen und erhöhen so die scheinbare Anstiegszeit.

Die Lösung besteht darin, an einem der beiden Enden eine Abschlussstrategie zu verwenden, damit das Signal nicht hin- und herläuft. Das haben wir im obigen Beispiel gesehen, als wir eine Oszilloskopimpedanz von 50 Ohm verwendet haben. Dadurch wurden Reflexionen am Koaxialkabel und am Oszilloskopeingang verhindert. Das Signal, das wir am Oszilloskop sahen, war das in das Koaxialkabel eingespeiste Signal mit der Anstiegszeit der Quelle. Die in die Übertragungsleitung eingespeiste Spannung war so klein, weil die Quellimpedanz so hoch war.

Wenn das Oszilloskop ein größeres Signal messen soll, brauchen wir eine Quelle mit niedrigerer Ausgangsimpedanz.

Zwei abschließende Rätsel

Wenn Sie die Eigenschaften von Übertragungsleitungen bisher nur im Frequenzbereich betrachtet haben, kann das Verhalten von Signalen auf Übertragungsleitungen manchmal kontraintuitiv wirken.

Um Ihr Verständnis von Übertragungsleitungen zu testen, betrachten Sie diese zwei einfachen Rätsel.

Rätsel 1: Nachschwingen bei einer niederohmigen Quelle

Denken Sie daran: Das Signal, das der RX sieht, ist keine Frage der Quelle allein. Es ist eine Frage des Systems aus TX, Interconnect und RX. Angenommen, die Quellimpedanz ist sehr niedrig, viel kleiner als der Wellenwiderstand der Übertragungsleitung. Und wir stellen die Oszilloskopimpedanz auf 1 Megaohm ein. Was erwarten wir als Signal am Oszilloskopeingang? Ich lasse Sie auf die Antwort warten, denn das ist das Paradebeispiel für Verhaltensweisen in der Signalintegrität. Hier ist das gemessene Signal, wie es das Oszilloskop in diesem Fall sieht.

Warum tritt Nachschwingen auf, und was können Sie im Systemdesign tun, um dieses Nachschwingen ausgehend von der Ursache zu verringern?

Rätsel 2: Ein Ohmmeter an einem Koaxialkabel von der Erde zum Mond

Das zweite Rätsel testet Ihr Verständnis von Übertragungsleitungen und des Unterschieds zwischen momentaner Impedanz und Wellenwiderstand.

Angenommen, wir haben ein seeehr langes 50-Ohm-Koaxialkabel. Es ist sogar so lang, dass es von der Erde bis zum Mond reicht. Am fernen Ende auf dem Mond ist es offen. Wenn wir ein einfaches Digitalmultimeter (DMM) als Ohmmeter zwischen Signal- und Rückleiteranschluss am vorderen Ende des Kabels anschließen, welchen Widerstand zeigt das Ohmmeter an? Das ist unten veranschaulicht.

Lassen Sie mich das präzisieren: Was misst das Ohmmeter in der ersten Sekunde, in den ersten 5 Sekunden und nach 1 Tag? Wenn Sie die Prinzipien von Übertragungsleitungen verstehen, wie es jeder Ingenieur sollte, der Boards mit Signalanstiegszeiten unter etwa 10 nsec entwirft, ist das ein Kinderspiel.

Literatur zu Übertragungsleitungen

Wenn Sie Ihr Wissen über Übertragungsleitungen auffrischen möchten, sehen Sie sich diese drei Quellen an:

• Mein Lehrbuch Signal and Power Integrity: Simplified
• Mein Lehrbuch Practical Guide to Transmission Line Design and Characterization for Signal Integrity Applications mit den begleitenden kostenlosen Videos
• Meine kostenlose Video-Masterclass zu Übertragungsleitungen

Fazit

Die Eigenschaften von Übertragungsleitungen und das Verhalten von Signalen auf Übertragungsleitungen sind grundlegend für die Signalintegrität. Der Designprozess ist kreativ und beruht auf ingenieurmäßiger Intuition. Ohne ein klares, intuitives Verständnis von Übertragungsleitungen tappen Sie in die Falle, Designrichtlinien blind anzuwenden, wo sie möglicherweise nicht gelten.

Es lohnt sich, Zeit in das Verständnis zu investieren, wie sich Übertragungsleitungen in einem System verhalten. Es eröffnet Ihnen eine völlig neue Perspektive darauf, wie Signale mit Systemen wechselwirken.

Häufig gestellte Fragen

Erhöht die Kabellänge die Anstiegszeit eines Signals?

Die gemessene Anstiegszeit kann mit der Kabellänge zunehmen, je nachdem, wie der Rest des Systems aussieht. Im Oszilloskop-Experiment dieses Artikels stieg die gemessene 10-90-%-Anstiegszeit des Tastkopf-Kompensationssignals von etwa 203 nsec mit einem 3 Fuß langen Koaxialkabel auf etwa 600 nsec mit 12 Fuß und fast 1 µsec mit 18 Fuß. Die Ursache waren Reflexionen zwischen der hochohmigen Quelle und dem hochohmigen Oszilloskopeingang. Frequenzabhängige Verluste und Dispersion verschlechtern die Anstiegszeit ebenfalls, während sich ein Signal ausbreitet, doch in diesem Aufbau war ihr Effekt etwa vier Größenordnungen kleiner als das, was das Oszilloskop zeigte. Mit dem Oszilloskopeingang auf 50 Ohm betrug die gemessene Anstiegszeit bei jeder Kabellänge 3 nsec.

Was ändert sich, wenn Sie ein Oszilloskop von einem 1-Megaohm- auf einen 50-Ohm-Eingang umschalten?

Bei einem 1-Megaohm-Eingang wird ein Signal, das über ein 50-Ohm-Koaxialkabel ankommt, mit einem Reflexionsfaktor von nahezu 1 reflektiert, und das Oszilloskop zeigt die Summe aus einfallendem und reflektiertem Signal. Ist auch die Quellimpedanz hoch, läuft das Signal im Kabel hin und her, und die gemessene Flanke wird zur Treppe. Bei einem 50-Ohm-Eingang schließt das Oszilloskop das 50-Ohm-Kabel ab, sodass keine Reflexionen entstehen, und das Oszilloskop zeigt das in das Kabel eingespeiste Signal mit der eigenen Anstiegszeit der Quelle. Beim Tastkopf-Kompensationssignal in diesem Artikel waren das 3 nsec bei einer Amplitude von nur 60 mV, weil die 780-Ohm-Quelle und die 50-Ohm-Last einen Spannungsteiler bilden.

Wie misst man den Thevenin-Widerstand einer Quelle mit einem Oszilloskop?

Messen Sie die Leerlaufspannung mit dem Oszilloskop am 1-Megaohm-Eingang und warten Sie, bis die Reflexionen abgeklungen sind, sodass Sie den stationären Wert sehen. Das ist die Thevenin-Spannung. Belasten Sie die Quelle dann mit einem bekannten Widerstand, etwa dem 50-Ohm-Eingang des Oszilloskops, und messen Sie die belastete Spannung. Quelle und Last bilden einen Spannungsteiler, also gilt R_source = R_load × (V_open − V_loaded) / V_loaded. Für das Tastkopf-Kompensationssignal ergibt 50 Ohm × (1 V − 0,06 V) / 0,06 V etwa 780 Ohm.

Warum hat der Tastkopf-Kompensationsausgang eines Oszilloskops eine so hohe Impedanz?

Laut den in diesem Artikel zitierten Oszilloskop-Entwicklern ist der genaue Wert nicht wichtig, solange er hoch genug ist, dass der Strom durch die Masseleitung sehr klein bleibt, wenn ein Anwender versehentlich die Masseleitung des 10x-Tastkopfs an den Ausgang des Kompensationssignals anschließt. Beim Oszilloskop in diesem Artikel betrug der gemessene Thevenin-Quellwiderstand des Kompensationssignals etwa 780 Ohm.

Wie behebt ein Abschluss die längere gemessene Anstiegszeit?

Die längere Anstiegszeit entsteht durch Reflexionen an beiden Enden des Kabels: an der 780-Ohm-Quelle und am 1-Megaohm-Eingang des Oszilloskops. Ein Abschluss an einem der beiden Enden verhindert, dass das Signal hin- und herläuft. Im Experiment dieses Artikels schloss die Einstellung des Oszilloskopeingangs auf 50 Ohm das Kabel am Empfänger ab, und das Oszilloskop zeigte die Anstiegszeit der Quelle von 3 nsec. Da die Quellimpedanz so hoch war, betrug das abgeschlossene Signal nur 60 mV. Für ein größeres Signal am Oszilloskop wäre eine Quelle mit niedrigerer Ausgangsimpedanz nötig.

Wann muss man beim PCB-Design an Übertragungsleitungen denken?

Die Schwelle in diesem Artikel ist die Anstiegszeit: Jeder Ingenieur, der Boards mit Signalanstiegszeiten unter etwa 10 nsec entwirft, sollte die Prinzipien von Übertragungsleitungen verstehen, einschließlich des Verhaltens von Signalen im Zeitbereich. Im hier verwendeten Modell hat eine ideale verlustlose Übertragungsleitung zwei Eigenschaften, eine Laufzeit und einen Wellenwiderstand, und das Signal am Empfänger hängt vom gesamten System ab: vom Sender, vom Interconnect und vom Empfänger.

Sollte man in der Signalintegrität Simulationen oder Messungen vertrauen?

Die Methode in diesem Artikel nutzt beides. Übersetzen Sie das reale System in ein ideales Ersatzschaltbild, wenden Sie grundlegende Prinzipien an, um das Signalverhalten vorherzusagen, und vergleichen Sie die Vorhersagen mit Messungen. Jeder übereinstimmende Konsistenztest erhöht das Vertrauen, dass die Erklärung der Wahrheit nahekommt. In diesem Artikel sagte ein Modell aus einer 780-Ohm-Thevenin-Quelle, einem verlustlosen 50-Ohm-Kabel und einem 1-Megaohm-Oszilloskopeingang bei einem 12 Fuß langen Kabel eine erste Stufe von 120 mV am Oszilloskop und etwa 50 nsec später eine zweite Stufe von 228 mV voraus, und die Messung stimmte damit überein.

Quellen

Bogatin, Eric. Practical Guide to Transmission Line Design and Characterization for Signal Integrity Applications. Artech House, 2020. Begleitvideos im Signal Integrity Journal, 1. April 2024. https://www.signalintegrityjournal.com/articles/3526-sij-university.

Bogatin, Eric. Signal and Power Integrity: Simplified. 3. Aufl. Pearson, 2018. https://www.amazon.com/Signal-Power-Integrity-Simplified-Prentice/dp/013451341X.

Bogatin, Eric. „Sollte man 90-Grad-Ecken in Leiterbahnen vermeiden?“ Improving the Signal-to-Noise Ratio, Quilter, 8. Oktober 2026. https://www.quilter.ai/de/blog/90-degree-corners-pcb-traces.

The EEcosystem. „Masterclasses.“ Abgerufen am 5. November 2026. https://www.theeecosystem.com/masterclass.

Weiterführende Artikel

• Sollte man 90-Grad-Ecken in Leiterbahnen vermeiden? (Improving the Signal-to-Noise Ratio, Teil 1)
• Stephen Newberry und die Disziplin der Signalintegrität
• Via-Stubs im PCB-Design: Resonanz, Einbrüche in der Einfügedämpfung und Backdrilling (Via Stubs and Back Drilling, Teil 1)

Über Dr. Eric Bogatin

Dr. Eric Bogatin ist Technical Fellow bei Quilter, der Plattform für physikbasierte KI zur Automatisierung des PCB-Layouts, und berät deren Physik- und Engineering-Teams. Er ist Professor am Department of Electrical, Computer, and Energy Engineering (ECEE) der University of Colorado Boulder, wo er Graduiertenkurse zur Signalintegrität sowie den Senior Design Lab Capstone Course unterrichtet. Er war technischer Redakteur des Signal Integrity Journal, ist Fellow bei Teledyne LeCroy und Dean der Teledyne LeCroy Signal Integrity Academy. Er ist Autor von 18 Büchern über Signalintegrität und Elektronik, darunter Signal and Power Integrity: Simplified (Pearson, 3. Auflage, 2018), Principles of Power Integrity for PDN Design: Simplified (2017) und Practical Guide to Transmission Line Design and Characterization for Signal Integrity Applications (2020). Er hat einen B.S. in Physik vom MIT sowie einen M.S. und einen Ph.D. in Physik von der University of Arizona.