Das Risiko für Übersprechen im PCB Design

Wussten Sie, dass der Ausdruck “Übersprechen” (engl. Crosstalk) aus der Zeit der Telefonie stammt, in welcher man manchmal ungewollt das Gespräch eines anderen mithören konnten? Man sprach also im wahrsten Sinne des Wortes über eine andere Leitung hinweg.

Obwohl ich seit mehr als 30 Jahren in der Elektronikindustrie arbeite, muss ich gestehen, dass ich den Ursprung des Begriffs nicht kannte. Jedenfalls nicht bis vor ein paar Wochen, als ich an einem großartigen Webinar mit dem Titel “SI/PI Analyse elektronischer Schaltungen” teilnahm. Das Webinar wurde von Ralf Brüning präsentiert, mit dem ich schon einige Male zusammenarbeiten durfte, und was Ralf nicht über Signalintegrität und EMV weiß, ist schlichtweg nicht wissenswert.

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Was bedeutet Übersprechen (Crosstalk)?

Im PCB Design bedeutet Übersprechen eine unbeabsichtigte elektromagnetische Kopplung zwischen den Leiterbahnen auf einer Leiterplatte. Es besteht nicht nur das Risiko des Übersprechens zwischen zwei Leiterbahnen, die nebeneinander auf der gleichen Lage liegen, sondern auch zwischen Leiterbahnen, die parallel zueinander vertikal zwischen zwei Lagen verlaufen. Dieser Effekt tritt sogar häufiger auf, weil zwei Signalschichten nur durch eine relativ dünne Schicht des Kernmaterials getrennt sind. Dieser Abstand ist oft noch geringer als der Abstand zwischen zwei Leiterbahnen auf derselben Schicht.

Als ich Mitte der 1980er Jahre Elektronik an der Universität studierte, beschränkten sich meine Dozenten auf die Physik des Übersprechens (Kreuzkopplung, Energieübertragung usw.) und erklärten uns, wie wir das Risiko für Übersprechen vermeiden können. Ich freue mich jedoch, dass Ralf den Ursprung des Begriffs erwähnt hat. Zum einen für mein eigenes Verständnis und zum anderen, weil es die Grundlage für den weiteren Verlauf des Webinars bildete.

Im Beispiel der Telefonzentrale beeinträchtigte ein unerwünschter EMV-Effekt die Qualität und Funktionsfähigkeit der damals führenden Technologie.

Und wie sieht es heute aus? Die Risiken für Übersprechen existieren nach wie vor. Wir sind einfach von der Schalttafel zur Leiterplatte übergegangen, die Geometrien sind beträchtlich geschrumpft und wir haben es mit digitalen High Speed Systemen zu tun. Ganz gleich, ob wir an einem IoT-Produkt, einem Steuergerät für ein Elektrofahrzeug oder einer TV-Anlage mit 4K-Ausgang arbeiten – wenn wir nicht alle unerwünschten Effekte der zugrundeliegenden elektronischen Schaltungen ausschließen, werden Effizienz und Effektivität beeinträchtigt.

In diesem Fall handelt es sich um “Effizienz” im Sinne von Parametern wie der Batterielebensdauer (z. B. wenn es sich nicht um ein netzbetriebenes Produkt handelt) und um “Effektivität” im Sinne von “nicht in der Lage sein, die beabsichtigte Leistung zu erbringen”.

Die Bedeutung der Impedanzanpassung

Mein Dozent an der Uni wurde nicht müde, die Bedeutung der Impedanzanpassung zu betonen. Mit steigenden Taktraten wird es immer wichtiger, das Risiko für Übersprechen zu minimieren.

Die Ausschläge an den ansteigenden und abfallenden Phasen der obigen Messkurve (linke Seite) sind ein unerwünschtes Verhalten eines Signals – d. h. einer physischen Kupferbahn auf unserer Leiterplatte – und können leicht zu Ausschlägen in benachbarten Leiterbahnen führen.

Und nicht zu vergessen, die schrumpfenden Formfaktoren der meisten Produkte (und damit auch ihrer Leiterplatten) lassen wenig Spielraum bei der Platzierung und Trennung von Komponenten und Leiterbahnen. Außerdem können Kostengründe die Verwendung zusätzlicher Komponenten zur Rauschunterdrückung oder von zusätzlichem Kupfer zur Abschirmung der Leiterbahnen einschränken.

Wie lautet also die Lösung? Nun, wie mein Dozent vor vielen Jahren betonte, sollten Sie sicherstellen, dass Sie die unerwünschten Auswirkungen “ausplanen”. Das Einhalten etablierter Design-Regeln ist ein guter Anfang. Allerdings werden Sie Kompromisse eingehen müssen, wenn es darum geht, alle Projektziele zu erreichen, denn es geht auch um Kosten und Markteinführungszeiten.

Die Tipps, die Ralf in seinem Webinar gibt, sind in dieser Hinsicht für PCB Designer von unschätzbarem Wert – ohne zu versuchen, Sie gleich zu einem EMV-Experten zu machen. Wenn Sie das Webinar verpasst haben, keine Sorge, es ist immer noch als On-Demand-Version hier verfügbar. Ich kann es wärmstens empfehlen.

Blogposts von Ralf zu diesem Thema

• What PDN Target Impedance Means for PCB Designers
• EMV-gerechtes Leiterplattendesign: Alles andere als schwarze Magie
• Demystifying Power Integrity