Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Störeinflüsse auf differentialsignale


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von diff (Gast)


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Hallo,

beim routen von Differentialsignalen für eine Ethernet PHY gibt es ja 
einiges zu beachten.
- Längenmatching
- Impedanzkontrolle
- umgebende Massefläche (keien unterbrechungen, keinen wechsel zu einer 
anderen fläche)

Ich frage mich gerade welcher Störeinfluss größer ist, ein zu großer 
Jitter des Clocksignals oder Wechsel von einer Masseflächer auf eine 
Spannungsführende Fläche. Habt ihr damit schonmal Erfahrungen gemacht?

von Pandur S. (jetztnicht)


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Nun, ja. Ein Jitter ist etwas dynamisches, ein Lagenwechsel etwas 
statisches. Ein Lagenwechsel kann ja nur eine Reflexion verursachen, das 
war's.
Weshalb willst du von eine Signallage auf eine Massenlage wechseln ? Der 
Print wird ja sowieso 4 oder mehrlagig.

Von welcher Geschwindigkeit reden wir ueberhaupt ?

von diff (Gast)


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>>Weshalb willst du von eine Signallage auf eine Massenlage wechseln ? Der
>>Print wird ja sowieso 4 oder mehrlagig.
Das möchte ich nicht freiwillig machen, ich habe mich nur gefragt wie 
schlimm der Einfluss wird :D


>>Von welcher Geschwindigkeit reden wir ueberhaupt ?
1 Gbit Ethernet.

Im speziellen habe ich link Abbrüche bei 100mbit. Ich habe mich aber 
soweit an die spezi gehalten. Mir fällt nur auf das die Freuqnztolerans 
am Oszillator schlecht (50ppm, und diese sind auch schon der 
Maximalwert)  ist und auch das Jitter recht hoch (bis zu 50ps).

Ich probiere einen anderen mit 10ppm und Jitter von 5ps.

von georg (Gast)


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diff schrieb:
> Wechsel von einer Masseflächer auf eine
> Spannungsführende Fläche

Dazu muss nicht nur der Strom des Signals auf eine andere Lage, sondern 
fast immer auch der Rückstrom - vergisst man das hat man eine massive 
Störstelle.

Georg

von DoS (Gast)


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Wenn Du in einer Firma arbeitest, in der Fortbildung erwünscht ist, 
würde ich Dir zu dem Thema die Schuluhgen von Professor Dirks, emv.biz 
empfehlen. Der hat mit Fieldsolvern genau dieses Problem simuliert und 
man kann sehen, was passiert, wenn man mit Highspeed Signalleitungen die 
Lage wechselt oder gar auf den Masselayer wechselt. Die reflektierten 
Signale sind ja nicht weg, sondern sie mischen sich mit den 
Nutzsignalen. Wenn das Signal kurz seine Masse verliert, kann er sich 
den Bezug auch woanders holen und dann sind plötzlich zwei 
Highspeedsignale gekoppelt.

von Klaus R. (klara)


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diff schrieb:
> beim routen von Differentialsignalen für eine Ethernet PHY gibt es ja
> einiges zu beachten.
> - Längenmatching
> - Impedanzkontrolle
> - umgebende Massefläche (keien unterbrechungen, keinen wechsel zu einer
> anderen fläche)

Du hast es ja schon selbst die Massefläche aufgeführt.

Ein differenzielles Paar braucht eine Bezugsmassefläche. Am besten ein 
ganzes Layer das unverletzt ist. Zumindest sollte unter dem 
differenziellen Paar oder auch darüber diese Fläche eine entsprechende 
Breite haben. Die Trasse sollte vermutlich 7,5 mm an jeder Seite breiter 
sein, wenn es schon keine komplette Massefläche ist.

Ein Lagenwechsel ist möglich. Es sind zwei Vias erlaubt. Nur, dann kann 
man aber nur zu einer Lage wechseln die ebenfalls eine entsprechede 
Bezugsmassefläche hat!

Was dazu kommt. Eine Führung auf TOP hat eine andere Impedanz als auf 
einer inneren Führung. Die Leitungsgeometrie muß dann angepasst werden.
1
1000Base-T: 62.5MHz(1Gbit/s)
2
----------------------------
3
Max intra-pair skew                   <1.6ps 250μm
4
Max trace length skew between data    <330ps 50mm
5
pairs
6
Max trace length on carrier board     <~100mm, keep it as short as possible
7
between module connector and 
8
magnetics
9
Minimum pair to pair spacing          >450μm
10
Minimum spacing between MDI signals   >7.5mm
11
and other high speed signals
12
Minimum spacing between MDI signals   >2.5mm
13
and low speed signals
14
Maximum allowed via                   2 vias for all MDI traces

mfg klaus

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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diff schrieb:
> Im speziellen habe ich link Abbrüche bei 100mbit. Ich habe mich aber
> soweit an die spezi gehalten.
Hört sich ein wenig nach Groundbouncing bzw.  schlechte Entkopplung am 
Controller an. So, dass die PLL ins Stolpern kommt. Und das steht eben 
nicht in der Spec, sondern im Datenblatt vom PHY.

von diff (Gast)


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Erstmal vielen Dank für eure Beiträge,

>> diff schrieb:
>> > Wechsel von einer Masseflächer auf eine
>> > Spannungsführende Fläche
>>
>> Dazu muss nicht nur der Strom des Signals auf eine andere Lage, sondern
>> fast immer auch der Rückstrom - vergisst man das hat man eine massive
>> Störstelle.
>>
>> Georg

Hallo Georg,

Beim DDR3 stelle ich gerade fest habe ich auch sogar zwei PWR Flächen. 
Eine ist die Betriebsspannung 1,35V und die andere ist die 
Referenzspannung. Das ist ein 10 Lagenaufbau:
GND: L2, L4, L9
PWR: L6, L7

Signallayer L5 und L8 haben also zwei unterschiedliche Referenzplanes. 
Mich wundert es gerade das ich bei DDR3 so garkeine Probleme habe :) 
Sind doch die Frequenzen und die Busbreiten viel größer. (533MHz DDR)
Auserdem ist es ja nicht nur so, dass manche Signale nur sich nur im L5 
und L7 aufhalten. Sondern kommen z.b. von L1 mit 50mm Länge in L5 mit 
50mm. Ein anderer mit 25mm L1 auf 75mm L5. Die Impedanzen haben 
garantiert eine abweichung von 10% je Layer.

von diff (Gast)


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lkmiller schrieb:
>>  diff schrieb:
>>  > Im speziellen habe ich link Abbrüche bei 100mbit. Ich habe mich aber
>>  > soweit an die spezi gehalten.
>>  Hört sich ein wenig nach Groundbouncing bzw.  schlechte Entkopplung am
>>  Controller an. So, dass die PLL ins Stolpern kommt. Und das steht eben
>>  nicht in der Spec, sondern im Datenblatt vom PHY.

Ich habe gute Caps (X7R) genommen und eben das gemacht was im Datenblatt 
steht. Die Caps sind schon sehr nah an der PHY und die Masseanbindung 
kann ich schon fast garnicht mehr besser machen, sind doch L2, L4, L7 
,L9 Massen.
Dabei ist L5 eine Gefilterte Betriebsspannung (Filter nach Datenblatt).
Hier habe ich nicht richtig aufgepasst: Im Layer L4 schneiden 2 RGMII 
Signale diese Fläche. Vielleicht koppel dort was rein und stört die 
Betriebsspannung? Was meint ihr?

von MiWi (Gast)


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diff schrieb:
> lkmiller schrieb:
>>>  diff schrieb:
>>>  > Im speziellen habe ich link Abbrüche bei 100mbit. Ich habe mich aber
>>>  > soweit an die spezi gehalten.
>>>  Hört sich ein wenig nach Groundbouncing bzw.  schlechte Entkopplung am
>>>  Controller an. So, dass die PLL ins Stolpern kommt. Und das steht eben
>>>  nicht in der Spec, sondern im Datenblatt vom PHY.
>

> Was meint ihr?

das ohne Dein Layout zu kennen jede Meinung plausibel sein kann...

Daher: herzeigen wenn erlaubt.

von georg (Gast)


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diff schrieb:
> Signallayer L5 und L8 haben also zwei unterschiedliche Referenzplanes.

Das wird oft so gemacht, geht aber nur korrekt wenn GND und PWR mit 
ausreichend vielen Stützkondensatoren verbunden sind, so dass sie 
HF-Mässig das gleiche Potential haben. Und die Kondensatoren müssen sich 
nahe bei den Vias befinden, mit denen die Signallage gewechselt wird.

Im übrigen hast du da nicht eine GND-Lage als Referenz, sondern z.B. bei 
L5 auf einer Seite GND, auf der anderen PWR. Zu rechnen ist das also als 
Signal zwischen ZWEI Referenzlagen, heisst normalerweise Stripline (ev. 
Asymm.).

diff schrieb:
> Die Impedanzen haben
> garantiert eine abweichung von 10% je Layer

Wer garantiert das?

Georg

von diff (Gast)


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Der 100MBit Link ist jetzt stabil, seitdem ich die MEMS Oszillator durch 
einen CMOS Oszillator mit wesentlich (um den Faktor 3) geringerem Jitter 
und besserer Frequenzgenauigkeit genommen habe.

1Gbit Links sind kurz da aber brechen auch bald wieder ab. Ich mutmaße 
das meine Spannungsversorgung nicht optimal ist, bzw das vom "lkmiller" 
angesprochene grounddebounce problem dazu führt. Z.b. siehe ich bei der 
Analog PLL Spannung überlagerte Störspitzen bis zu 100mV nach oben und 
25mV nach unten.


>> diff schrieb:
>> > Signallayer L5 und L8 haben also zwei unterschiedliche Referenzplanes.
>>
>> Das wird oft so gemacht, geht aber nur korrekt wenn GND und PWR mit
>> ausreichend vielen Stützkondensatoren verbunden sind, so dass sie
>> HF-Mässig das gleiche Potential haben. Und die Kondensatoren müssen sich
>> nahe bei den Vias befinden, mit denen die Signallage gewechselt wird.
Ja das ist bei meinem Layout der Fall.

>> Im übrigen hast du da nicht eine GND-Lage als Referenz, sondern z.B. bei
>> L5 auf einer Seite GND, auf der anderen PWR. Zu rechnen ist das also als
>> Signal zwischen ZWEI Referenzlagen, heisst normalerweise Stripline (ev.
>> Asymm.).
>> > Die Impedanzen haben
>> > garantiert eine abweichung von 10% je Layer
>> > Wer garantiert das?
Die Impedanzen der Einzelnen Lagen für Signle und Differentialsignale 
habe ich mit Si8000 und anderen kostenlosen tools Überprüft. Bei den 
Tools gibt es bereits abweichungen, da unterschiedliche Formeln 
verwendet werden. Der Hersteller gibt bei den Dicken eine Toleranz von 
bis zu 10% an. Ich für mein Teil rechne mit Impedanztoleranzen von 5% - 
10%. Die Hersteller geben wir oft schwammige Aussagen über das Epsilon, 
Strukturgenauigkeiten, Dicken usw. Ich denke mit so exakt kann man die 
Impedanzen nicht bestimmen.





Georg

von georg (Gast)


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diff schrieb:
> Die Hersteller geben wir oft schwammige Aussagen über das Epsilon,
> Strukturgenauigkeiten

Du kannst natürlich Leiterplatten mit "kontrollierter Impedanz" 
bestellen. Dann rechnet der Hersteller das selber nach, weil er ja 
keinen Schrott produzieren will, vermisst die fertigen Leiterbahnen mit 
geeigneter Ausrüstung und dokumentiert das mit beigefügten 
Messprotokollen. Dann musst du dir keine grossen Gedanken machen ob du 
ganz richtig gerechnet hast, weil der Hersteller die Werte garantiert, 
bloss ist das leider etwas teurer. Ein kleines Problem besteht darin 
dass du selber das nicht nachmessen kannst. Natürlich kannst du dir bei 
->polarinstruments die nötige Ausrüstung kaufen...

Georg

von Carlo (Gast)


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von Klaus R. (klara)


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georg schrieb:
> Natürlich kannst du dir bei
> ->polarinstruments die nötige Ausrüstung kaufen...

Und zwei Semester Feldtheorie wären noch hilfreich.
mfg Klaus

von diff (Gast)


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Ich danke euch ihr habt mir schon sehr geholfen.
Ich bin der Meinung das ich den Chip nicht ausreichend Entkoppelt habe.
Bei den Betriebsspannungen messe ich einige Überlagerungen:

- Bei Zustand link aktiv = 100MBit
- Spannung für PLL +75mV -140mV, Frequenzgemisch rund um 40khz +- 2khz
     - wenn ich den LAN Stecker ziehe dann verschlimmern sich die 
Störungen
- Alle anderen Betriebsspannungen haben -200V/+50mV bei gleichem 
Frequenzgemisch

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