Forum: HF, Funk und Felder Reflexionen durch Delaytune? Design Leiterplatte


von FPGA (Gast)


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Hallo zusammen :-)

Für eine Leiterkarte werde ich SFP-Module (Eingestekt werden 1000BASE-X 
Module) anbinden. Folgende Kenngrößen definieren die Leitung:

- Signalführung: Differenziell
- Zd = 100 OHM
- Datenrate: 1Gbit/s (Ethernet)
- Lagenaufbau: Die diff. Leitungspaare sind eingebettet in 2 GND Layer
- Gesamtlänge der Leitung: ca 140mm

Für die Zd = 100 OHM hat mir der Leiterplattenhersteller für einen 
entsprechenden Lagenaufbau die nötigen Leiterbahnabstände & Breiten 
berechnet. Um diese Berechnung muss ich mich also nicht mehr kümmern und 
kann diese im Design einfach übernehmen.

Nun stellt sich mir folgende Frage:

Ich nutze differenzielle Leitungen und werde dementsprechend auf das 
Längenmatching der Leitungen (P - N) achten. Um das Matching 
entsprechend einzuhalten muss ich Delaytunes einfügen. Nun bin ich mir 
nicht sicher, ob solch ein Delaytune mir nicht wieder zu große 
ungewollte Reflexionen verursacht, da an diesen Delaytunes sich ja der 
Wellenwiderstand verändert?!

Ich habe im Anhang ein Bild einer solchen diff. Leitung mit Delaytune 
angehängt. Stellt sowas ein Problem dar? Muss ich das ev. anders machen, 
oder ist das okay? Ist es von Vorteil das Delaytune möglichst dicht am 
SFP-Modul anzusetzen?

Für Anregungen wäre ich dankbar!

viele Grüße
FPGA

von Falk B. (falk)


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@ FPGA (Gast)

>    Delaytune.jpg
>    147 KB, 36 Downloads

>Für eine Leiterkarte werde ich SFP-Module (Eingestekt werden 1000BASE-X
>Module) anbinden. Folgende Kenngrößen definieren die Leitung:

>- Signalführung: Differenziell
>- Zd = 100 OHM
>- Datenrate: 1Gbit/s (Ethernet)
>- Lagenaufbau: Die diff. Leitungspaare sind eingebettet in 2 GND Layer
>- Gesamtlänge der Leitung: ca 140mm

>Ich nutze differenzielle Leitungen und werde dementsprechend auf das
>Längenmatching der Leitungen (P - N) achten. Um das Matching
>entsprechend einzuhalten muss ich Delaytunes einfügen.

Jain. Bei dem Thema wird bisweilen gern übertrieben (Hallo Reinhardt ;-)

> Nun bin ich mir
>nicht sicher, ob solch ein Delaytune mir nicht wieder zu große
>ungewollte Reflexionen verursacht, da an diesen Delaytunes sich ja der
>Wellenwiderstand verändert?!

Kann passieren. Die Frage ist, wieviel. Diese Mäander müssen groß genug 
sein, um die Geometrie nicht zu sehr zu verzerren.

>Ich habe im Anhang ein Bild einer solchen diff. Leitung mit Delaytune
>angehängt.

Früher (tm), nannte man das schlicht Längenausgleich oder auch 
Laufzeitausgleich. Aber Denglisch liegt ja im Trend.

>Stellt sowas ein Problem dar?

Ist es WIRKLICH nötig?

> Muss ich das ev. anders machen,
>oder ist das okay? Ist es von Vorteil das Delaytune möglichst dicht am
>SFP-Modul anzusetzen?

Nein.

Auf deinem Bild gibt es keinen Grund für einen Längenausgleich. OK, das 
andere Ende sieht man nicht. Aber man sollte mal die Kirche im Dorf 
lassen.

Pi mal Daumen. 1Gbit Ethernet arbeitet physikalisch mit 1,25 Gbit/s, 
wegen der 8B10B Kodierung. Macht 800ps/Bit. Wenn wir mal grob 400ps als 
Anstiegszeit betrachten, sind das auf den gängigen Materialien um die 
60mm Leitungslänge (bei geschätzter, konservativer Vo von 150mm/ns).
Wenn ich mich recht erinnere, empfehlen diverse Application Notes einen 
Längenausgleich auf +/-2mm. Praktisch wird man wahrscheinlich auch mit 
+/-5mm keine allzugroßen Abweichungen messen. Hier würde ich eher für 
eine "schöne", schörkelfreie Leitungsführung plädieren.

Pedanten dürfen gern ihr CAD-System nutzen und auf +/-1µm den 
Längenausgleich vornehmen.

Ich hab mal vor vielen Jahren an so einem Projekt gearbeitet, dort haben 
wir glaub ich die +/-2mm eingehalten, aber auch keine zusätzlichen 
Mäander eingefügt. Probleme gab es dort nicht.

von mitleser (Gast)


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Falk Brunner schrieb:
> Ich hab mal vor vielen Jahren an so einem Projekt gearbeitet, dort haben
> wir glaub ich die +/-2mm eingehalten, aber auch keine zusätzlichen
> Mäander eingefügt. Probleme gab es dort nicht.

Hmmm ... ich würde mal sagen Glück gehabt.
Üblicherweise wird bei GBit Ethernet von Größenordnung um 5mil 
gesprochen ... also 0.125mm.

siehe z:b. hier:
http://www.advantech.com/COM_Design_Support_Services/includes/DownloadFile.ashx?fileurl=%2FCOM_Design_Support_Services%2FDownloadFiles%2FDesign+Guide%2FSOM_Express_DESIGN_GUIDE_Ed2.1-FINAL.pdf

von oszi40 (Gast)


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Ob zusätzliche Induktivitäten durch Mäander im GHz-Bereich dort so gut 
sind habe ich Zweifel.

von Falk B. (falk)


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@ mitleser (Gast)

>> Ich hab mal vor vielen Jahren an so einem Projekt gearbeitet, dort haben
>> wir glaub ich die +/-2mm eingehalten, aber auch keine zusätzlichen
>> Mäander eingefügt. Probleme gab es dort nicht.

>Hmmm ... ich würde mal sagen Glück gehabt.
>Üblicherweise wird bei GBit Ethernet von Größenordnung um 5mil
>gesprochen ... also 0.125mm.

Q.E.D.

Akademischer Schwachsinn. Haben bestimmt die Firmenanwälte festgelegt.

von Petr (Gast)


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oszi40 schrieb:
> Ob zusätzliche Induktivitäten durch Mäander im GHz-Bereich dort so gut
> sind habe ich Zweifel.

Im Advantech-Dokument wir davon auch abgeraten:
>Maintain constant symmetry and spacing between the traces within a differential
>pair. Keep the signal trace lengths of a differential pair equal to each other.
>Do not use serpentines to try to match trace lengths in the differential pair.
>Serpentines cause impedance variations causing signal reflections, which can be a
>source of signal distortion.

Im unten angegebenen Intel-Dokument wird auch mehr Wert auf die Impedanz 
gelegt:
>If a choice has to be made between matching lengths and fixing symmetry, more
>emphasis should be placed on fixing symmetry.

Die angegebenen 5 mil kann ich nicht nachvollziehen. Mir bekannt sind 
50 mil (1,27mm). Nachzulesen unter 
http://www.intel.com/content/dam/doc/application-note/82571eb-ei-gbe-controller-appl-note.pdf 
auf Seite 32.

von mitleser (Gast)


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Falk Brunner schrieb:
> Akademischer Schwachsinn. Haben bestimmt die Firmenanwälte festgelegt.

Nein. Das waren Leute die nicht nicht nur ein Stück Leiterbahn sehen, 
sondern das System incl. Stecker, Kabel, Leiterplatten usw.
Denk erst mal nach bevor du mit "Akademischer Schwachsinn" um dich 
wirfst.

von mitleser (Gast)


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Petr schrieb:
> Die angegebenen 5 mil kann ich nicht nachvollziehen. Mir bekannt sind
> 50 mil (1,27mm). Nachzulesen unter
> 
http://www.intel.com/content/dam/doc/application-note/82571eb-ei-gbe-controller-appl-note.pdf
> auf Seite 32.

Hmm im gleichen Dokument ist auch von 5mil die Rede.
Seite 53.

von Petr (Gast)


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mitleser schrieb:
> Hmm im gleichen Dokument ist auch von 5mil die Rede.
> Seite 53.

Handelt es sich dabei nicht um die PCI Express differential pairs?

von Falk B. (falk)


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@ mitleser (Gast)

>> Akademischer Schwachsinn. Haben bestimmt die Firmenanwälte festgelegt.

>Nein. Das waren Leute die nicht nicht nur ein Stück Leiterbahn sehen,
>sondern das System incl. Stecker, Kabel, Leiterplatten usw.

Hoffentlich haben diese Leute dann auch ebenso exakte Daten von den 
Steckverbinder, Kabeln und den ICs (Bonddrähte, BGA Fanout). Und 
hoffentlich einen pendandtischen Qualitätsbeauftragten, der von all 
diesen Komponenten eben diese Parameter in diesen engen Grenzen hält!

>Denk erst mal nach bevor du mit "Akademischer Schwachsinn" um dich
>wirfst.

Das habe ich schon vor langer Zeit. Ändert nichts an meiner Aussage.
Einige sehen HF als die heilige Kuh an, bei der man sich nur in den 
Staub werfen darf und KEINESWEGS Dinge in Frage stellen darf. Das sind 
sie bei mir an der falschen Adresse ;-)

Und last but not least. Diese Diskussion ist haargenau die gleiche, wie 
über 90 Grad Ecken in Leiterbahnen. Da wurde endlos palavert, zitiert 
und gestritten. REAL gemessen hat praktisch KEINER (ich auch nicht!)
DIE Jungs haben es getan. Und, welch Wunder, alles vollkommen 
unkritisch! Wer hätte das gedacht?

https://www.mikrocontroller.net/articles/Wellenwiderstand#90.C2.B0_Ecken_in_Leiterbahnen

Also, wer baut mal ein Board mit SFP und macht mal 0, 1, 2, und 5mm 
Längendifferenz rein und misst?

von FPGA (Gast)


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Vielen Dank für das Feedback!

Ich habe die Delaytunes wieder entfernt und das Matching durch entspr. 
Routen direkt an den Anschlüssen des Steckers vorgenommen, an welchem 
die Leitungen enden. Die Längendifferenz zwischen zwei Leitungen habe 
ich jetzt kleiner 0,2mm.

Wie sieht es eigentlich mit Vias entlang der Leitungen aus um die 2 
Bezugs-GND-Layer zusammenzutackern?

Dann noch eine Frage an die HF-Gurus :-)

Welche Vor/Nachteile hat das Routen der diff. Leitungen in einer 
Innenlage zwischen zwei GND-Layern gegenüber dem Routen auf der Toplage?

Meine Vermutung ist, dass die Innenlagen EMV-Technisch von Vorteil sind. 
Nachteil ist natürlich das man viele Lagen "verbraucht". Gibt es aber 
auch noch andere Nachteile?

Gruß!
FPGA

von asd (Gast)


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> Und last but not least. Diese Diskussion ist haargenau die gleiche, wie
> über 90 Grad Ecken in Leiterbahnen. Da wurde endlos palavert, zitiert
> und gestritten. REAL gemessen hat praktisch KEINER (ich auch nicht!)
> DIE Jungs haben es getan. Und, welch Wunder, alles vollkommen
> unkritisch! Wer hätte das gedacht?

> https://www.mikrocontroller.net/articles/Wellenwid...

Leider ist der Link zum Interview mit Dr. Howard Johnson tot...

von ppkt (Gast)


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FPGA schrieb im Beitrag #3921196:
> Meine Vermutung ist, dass die Innenlagen EMV-Technisch von Vorteil sind.
> Nachteil ist natürlich das man viele Lagen "verbraucht". Gibt es aber
> auch noch andere Nachteile?

Da gibt es schon noch ein paar Unterschiede. Bei Striplines hast ja auf 
beiden Seiten FR4 und danach wieder GND. Abstände usw. sind recht klar 
definiert und du hast nur die Dielektrizitätskonstante vom FR4.
Bei einer Microstrip ist das komplizierter. Da hast du auf der 
Unterseite der Leitung FR4, auf der Oberseite hast du Stopplack, evtl. 
Bestückungsdruck und die Luft. Luft hat eine E_r von ca. 1, FR4 
normalerweise von 3.x bis 4.x. Also gibts bei der Microstrip insgesamt 
ein kleineres E_r als für eine Stripline. Das bedeutet auch, dass die 
Signale auf Aussenlagen schneller laufen als in Innenlagen. 
Üblicherweise ca. ~20% schneller. Aus diesem Grund soll man Lagenwechsel 
bei Diffpairs immer gemeinsam machen damit man da innerhalb der 
einzelnen Lagen immer auf die gleiche Leitungslänge kommt. Wenn man 
mehrere Paare zueinander matchen muss, dann kann es nötig werden, die 
unterschiedlichen Signalausbreitungsgeschwindigkeit auch zu 
berücksichtigen. Da ist es dann oft einfacher und genauer einfach nur 
Innenlagen zu benutzen.
Der nächste Aspekt ist, dass beim E_r von Stopplack und Bestückungsdruck 
u.U. mehr Schwankung sein kann, z.B. abhängig von der Schichtdicke des 
Lacks. Keinen Bestückungsdruck auf HF-Leitungen (>500MHz) ist da u.U. 
eine sinnvolle Maßnahme - ich vermeide das, weiss aber auch nicht wie 
"schlimm" das in der Realität wirklich ist.
Für Analogsignale >1GHz scheint es da auch den Ansatz zu geben, die 
Leiterbahnen mit seitlichem Abstand im Stopplack-Layer freizustellen 
[1].

[1] 
http://www.analog.com/static/imported-files/images/evaluation_tools/ad-fmcomms4-ebz.jpg

von Falk B. (falk)


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asd (Gast)

>> https://www.mikrocontroller.net/articles/Wellenwid...

>Leider ist der Link zum Interview mit Dr. Howard Johnson tot...

http://www.theamphour.com/the-amp-hour-77-winsome-waveform-wizardry/

von Stefan1234 (Gast)


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Falk Brunner schrieb:
> Pi mal Daumen. 1Gbit Ethernet arbeitet physikalisch mit 1,25 Gbit/s,
> wegen der 8B10B Kodierung. Macht 800ps/Bit.

Nein, Gigabit Ethernet arbeitet mit allen 4 Adernpaaren (Unterscheidung 
von Rx und Tx erfolgt durch Echokompensation) und 5 PAM (2 Bits pro 
Symbol). Daraus ergibt sich mit 8b10b Codierung nur 125 MegaBaud, also 
8ns pro Symbol.

von Georg A. (georga)


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> Gigabit Ethernet arbeitet mit allen 4 Adernpaaren

Auf Kupfer ja, da gehts aber zu einem SFP, und der ist nur 
1-bit-seriell.

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