Interaktives Tuning von Netzlängen - IM WORKSHOP - Tip #15

IM WORKSHOP – Tip #15

                                          Interaktives Tuning von
                                          Netzlängen
Summary                                   Damit wichtige Signale gleichzeitig ankommen, müssen ihre gerouteten
                                          Netzlängen gleich lang sein. Mit der neuen, interaktiven Net­Length­Tuning­
                                          Funktion ist dies einfach und problemlos möglich.
August 2007
Author: Phil Loughhead
                                          Zwei der entscheidenden Herausforderungen, die mit der Entflechtung eines
                                          High­Speed­Designs verbunden sind, sind Impedanz­kontrollierte Leitungen
                                          und die Abstimmung der Längen bei besonders wichtigen Netzen. Mit Hilfe
                                          einer Impedanz­kontrollierten Entflechtung lässt sich gewährleisten, dass das
                                          Signal eines Output­Pins von den vorgesehenen Input­Pins korrekt empfangen
                                          wird. Die Abstimmung der Routing­Längen sorgt dafür, dass zeitkritische
                                          Signale gleichzeitig bei den Ziel­Pins ankommen.

Ergänzend zu den Routing­Funktionen mit Impedanzkontrolle [siehe auch Artikel:
http://www.altium.com/files/AltiumDesigner6/LearningGuides/AP0107%20Impedance­Controlled%20Routing.pdf
wurde in Version 6.7 von Altium Designer eine interaktive Net­Length­Tuning­Funktion eingeführt.

Das interaktive Längen­Tuning ist eine dynamische Methode, um die Routing­Länge eines Netzes zu beeinflussen,
indem variable Amplituden­Muster oder “Akkordeon­Segmente” eingefügt werden. Dies erfolgt unter Berücksichtigung
des verfügbarem Platzes, sowie der vorgegebenen Regeln und vorhandenen Hindernisse des Design.

Tuning der Netzlänge
Besonders elegant an der Length­Tuning­Funktion von Altium Designer ist die clevere Kombination leistungsstarker
Softwarealgorithmen mit der intuitiven Benutzersteuerung. Length­Tuning­Segmente werden hinzugefügt, indem man
einfach mit dem Cursor an dem entsprechenden Leitungszug entlangfährt. Dabei werden die Dimensionen und
Positionen der verschiedenen Leiterbahnen und Bögen, aus denen sich die Tuning­Segmente zusammensetzen, von
Altium Designer automatisch berechnet und eingefügt. Mit Tastatur­Shortcuts lassen sich Art und Eigenschaften der
Tuning­Segmente zudem steuern.

Der Befehl Interactive Length Tuning wird vom Menü Tools aus gestartet und fordert Sie auf, eine Leitung auszuwählen.
Nachdem Sie ein Netz angeklickt haben (oder eine beliebige freie Leitung oder Leiterbahn), fahren Sie mit dem Cursor
einfach am entsprechenden Leiterzug entlang. Dabei ist es unerheblich, wenn sie einmal vom Pfad abkommen. Sobald
der Cursor auf dem richtigen Leiterzug zurück ist, fügt Altium Designer die Tuning­Segmente bis zu diesem Punkt hinzu.

Tuning­Segmente werden automatisch hinzugefügt, während der Cursor am entsprechenden Leiterpfad entlangbewegt wird.

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Steuerung von Tuning­Stil und Größe
Zwei Faktoren sind für das Verständnis des Length Tuning­Tools besonders wichtig: die Shortcuts
(Tastenkombinationen) und die Net­Length­Indicator­Anzeige.
Sie haben also den Befehl aufgerufen und ein Netz angeklickt und zeigen Ihren Kollegen jetzt ganz stolz, wie Sie sich
mit dem Length­Tuning auskennen. Probieren Sie die folgenden Shortcuts aus, während Sie mit dem Cursor an der
Leitung entlangfahren, und Sie werden auf jeden Fall Eindruck schinden:

          Shortcut                                                    Funktion
   Leertaste                Sie können zwischen drei Tuning­Mustern wählen: „rounded“, „mitered with
                            arcs“ und „mitered with lines“
   , (Komma)                Tuning­Amplitude reduzieren
   . (Punkt)                Tuning­Amplitude vergrößern
   3                        Tuning­Pitch reduzieren
   4                        Tuning­Pitch vergrößern
   1                        Corner Miter reduzieren
   2                        Corner Miter vergrößern
   Y                        Startrichtung umschalten
   Tab                      Den Interactive Length Tuning Dialog öffnen.

Wenn Sie Probleme haben, sich alle Shortcuts zu merken, ist das kein großes Problem. Der einzige Shortcut, an den Sie sich wirklich
erinnern müssen, ist Umsch+F1.

Dies ist der „Shortcut für Shortcuts“. Benutzen Sie diesen während eines beliebigen interaktiven Altium Designer­Befehls, um eine Liste
der möglichen Abkürzungen für diesen Befehl aufzurufen. Während der Platzierung von Bauteilen, des interaktiven Routings und des
Verschiebens von Leiterbahnen können Sie mit Umsch+F1 eine Liste der Shortcuts für den jeweiligen Befehl aufrufen.

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Die Ziellänge kontrollieren
Length Tuning bietet drei Möglichkeiten, um die Ziellänge zu spezifizieren. Die Länge kann

1. manuell definiert werden
2. auf einem Netz basieren, das bereits entflochten wurde
3. durch Design­Regeln definiert werden
Um auszuwählen, welche dieser Methoden genutzt werden soll, drücken Sie während des Length­Tuning auf Tab, um
den Interactive Tuning­Length­Dialog zu öffnen. Im unteren Bereich des Dialogfelds befinden sich Optionen, welche die
Form und Dimensionen des Tuning­Musters definieren. Sie wissen bereits, wie Sie diese mit Shortcuts einstellen können.
Die Auswahlmöglichkeiten für eine der drei Target Length­Modi finden Sie oben im Dialogfeld.

Manuell: Im Manual­Modus geben Sie die Länge in das Feld Target Length ein. Die Liste rechts zeigt Werte, die Sie
bereits einmal eingegeben haben, falls Sie einen davon erneut verwenden wollen.

auf Netzbasis: Wenn Sie „From Net“ wählen, können Sie ein Netz aus der Liste auf der rechten Seite auswählen. Die
Länge dieses Netzes wird dann zur Zielvorgabe (Target). Diese wird jedoch außer Kraft gesetzt, wenn restriktivere
Design­Regeln definiert wurden – wir werden uns diese Regeln gleich etwas genauer anschauen.

auf Regelbasis: Eine der Design­Regeln Length und Matched Length, oder auch beide, müssen definiert sein, damit Sie
diesen Modus verwenden können. Altium Designer wird sich dann an die striktere Kombination dieser Regeln halten.
Wenn Sie den Modus ausgewählt haben, sollten Sie sich den Beschreibungsbereich des Dialogfelds anschauen. Die
Beschreibung erklärt, wie das Length­Tuning­Tool momentan konfiguriert ist.

Die Ziellänge wird über Regeln festgelegt. Bitte beachten Sie, dass die strengste Kombination der Regeln genutzt wird, somit liegt der
Bereich zwischen 52,106 und 56. Die Ziellänge wird so festgelegt, dass sie genau in der Mitte zwischen diesen Werten liegt.

Konfiguration der Design­Regeln
Jetzt sollten wir uns die Design­Regeln etwas genauer anschauen. Am besten beginnen wir mit der Design­Regel
Matched­Length.
Die Design­Regel Matched­Net­Length spezifiziert, dass die Target Nets (Zielnetze) auf die gleiche Länge entflochten
werden müssen, und zwar innerhalb der vorgegebenen Toleranz. Ältere Versionen von Altium Designer enthielten
andere Constraint­Einstellungen für diese Regel. Diese werden vom Length­Tuning­Tool nicht genutzt und können
deshalb ignoriert werden.
Welches die Target Nets sind, das hängt von der Reichweite der Regel (Rule Scope) oder der Query ab. Wie Sie wissen,
wird das Objekt, auf das jede Regel abzielt, von dem Scope oder der Query festgelegt. Eine typische Query für diese Art
von Regel wäre InNetClass(‘MyEqualLengthNets’). Dies bedeutet, dass sich die Regel auf alle Netze in der Netzklasse
MyEqualLengthNets bezieht. Wählen Sie Design » Classes, um eine Netzklasse einzurichten.
Das Length­Tuning­Tool findet dann das längste Netz unter den Zielnetzen und gibt Ihnen einen gültigen Bereich dieser
Länge an, plus oder minus der in der Regel spezifizierten Toleranz.
Ergänzend zur Matched­Length­Regel spezifiziert die Length­Regel die entflochtene Gesamtlänge eines Netzes oder
einer Reihe von Netzen. Eine dieser Regeln oder beide können in Ihrem Design von Bedeutung sein. Dies hängt davon

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ab, ob Ihre potentiellen Probleme damit zu tun haben, dass Signale zu unterschiedlichen Zeiten ankommen (denken Sie
an die Matched­Length­Regel), oder damit, dass Signale insgesamt verzögert sind (denken Sie an die Length­Regel).
Die Matched­Length­Regel und die Length­Regel werden als Entfernungen spezifiziert, während Sie als Designer eher in
punkto Zeit denken – wie viel später kann dieses Signal nach dem anderen ankommen? Wie lange die Laufzeiten eines
Signals auf der Leiterplatte sind, hängt von einer Reihe von Faktoren wie den Leiterplatten­Materialien und der Lage ab
(Routing auf der Oberfläche oder im Inneren). Bei herkömmlichem FR­4 wird sich die Verzögerung im Bereich von 4 bis
6 Pikosekunden pro Millimeter bewegen. Das hört sich nach einer ziemlich geringen Verzögerung an. Es geht hier
jedoch um mehr als nur die Zeitfaktoren einer einzelnen Routingverbindung. Sie werden diese Verzögerungen in Ihr
allgemeines Zeitschema aufnehmen, damit Sie diese dann beim Layout entsprechend berücksichtigen können.
Wie bereits erwähnt, beachtet das Length Tuning­Tool beide Regeln und ermittelt den am besten passendsten Satz von
Constraints. Wenn also die maximale Länge, die von der Length­Regel spezifiziert wird, kürzer als die längste Länge ist,
die von der Match­Length­Regel vorgegeben wird (plus Toleranz), dann gewinnt die Length­Regel. Ihre Länge wird dann
während des Tunings verwendet. Wenn dies langsam unverständlich für Sie wird, dann behalten Sie einfach den
Beschreibungsbereich im Dialogfeld Net–Length­Tuning im Auge. Hier werden Sie informiert, wenn keine gültigen
Regeln vorliegen oder welche Zahlen aus den Regeln benutzt werden.

Verwendung des Net­Length­Indicators
Sobald Sie Tuning­Segmente mit dem Length­Tuning­Tool hinzufügen, wird dies vom Net­Length­Indicator gezeigt. Der
Net–Length­Indicator stellt visuell dar, in wie weit die aktuelle Routing­Länge der erforderlichen Länge entspricht.
Der Indicator besteht aus einem weißen Feld, zwei vertikalen gelben Balken und einem vertikalen grünen Balken.
Innerhalb des weißen Felds erscheint ein farbiger Schieber, der die aktuelle Länge des Netzes zeigt. Die genaue Länge
wird in Textform auf dem Schieber angezeigt.

Ist der aktuelle Target­Length­Modus manuell, so entspricht die untere Grenze des Schieberfelds der Länge des
aktuellen Netzes, und die obere Grenze entspricht der Länge des aktuellen Netzes plus zweimal der Differenz zwischen
der aktuellen Netzlänge und der Ziellänge.

Basiert die Ziellänge auf Design­Regeln, so werden die unteren und oberen Grenzwerte des Schieberfelds aus der
Length­Regel übernommen. Existiert keine Length­Regel, dann zeigt das Schieberfeld die Länge des aktuellen Netzes,
genau wie im Manual­Length­Modus.

Der grüne Balken im Net­Length­Indicator zeigt die Ziellänge, und die gelben Balken zeigen die erlaubten minimalen und
maximalen Längen. Minimum und Maximum basieren auf den engsten Constraints, die von den Design­Regeln definiert
werden.

Net­Length­Indicator mit den passenden Längen auf der Basis von Design­Regeln, wie im vorherigen Bild konfiguriert.
Beispiel für den Net–Length­Indicator
• Das Indicator­Minimum ist 40 (aus Length­Regel)
• Das Indicator­Maximum ist 56 (aus Matched–Net­Length­Regel)
• Zielminimum ist 55.106 ­ 3 = 52.106 (Länge des längsten Netzes unter den Zielnetzen minus Toleranz in Matched–Net­
Length­Regel).
• Zielmaximum ist 56 (aus Length­Regel, da dies weniger als die Länge des längsten Netzes plus Toleranz in Matched–
Net­Length­Regel ist)
• Die Ziellänge liegt genau in der Mitte zwischen Zielminimum und Zielmaximum (56 – 52.106) / 2 + 52.106 = 54.053I

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Was sollte ich sonst noch wissen?
Das Leiterplatten­Design ist ein sich oft wiederholender Prozess, bei dem viel hin­ und herverschoben wird, bis
schließlich die endgültige Platzierung und das endgültige Routing vorliegen. Was tun Sie also, wenn Sie Tuning­
Segmente verlagern müssen?

Tuning­Segmente lassen sich am einfachsten entfernen, indem man einfach über sie hinweg routet. Wie bei jedem
existierenden Routing wählen Sie Interactive Routing aus dem Menü Place, klicken und platzieren ein gerades Routing­
Segment direkt über dem Tuning­Segment. Sobald Sie das Routing beendet und mit der rechten Maustaste geklickt
haben, werden alle Tuning­Segmente entfernt.
Sind auch Nachteile mit dem Einsatz von, mäanderförmigenTuning­Segmenten verbunden? Es handelt sich hierbei
natürlich nur um eine weitere Methode, die zu gutem Design dazugehört. Wenn die aneinandergrenzenden Segmente zu
lange zu nah zusammen sind, dann kann das Signal durch Übersprechen (Crosstalk) verzerrt werden. Weitere
Informationen zum Thema Serpentine Delays finden Sie in einem Artikel des Branchenexperten Dr Howard Johnson [
http://www.signalintegrity.com/Pubs/edn/serpentine.htm].

Weitere nützliche Links:
TRAININGcentre Video zur Verwendung der Length­Tuning­Funktion (suchen Sie nach Length tuning)
http://www.altium.com/Community/TRAININGcenter/TrainingVideos/
Website von Eric Bogatin, Dozent zum Thema Signalintegrität und Branchenexperte
http://www.bethesignal.com/
Website von Dr. Howard Johnson, Dozent zum Thema High­Speed­Design und Branchenexperte
http://www.signalintegrity.com/
Website von Lee Ritchey, Dozent und Experte zum Thema High­Speed–PCB­Design
http://www.speedingedge.com/
Artikel zur Bedeutung von Signalintegritätssimulation, von Fred Saal, Quad Design Technology
http://www.edn.com/archives/1995/120795/25df3.htm
Beglückwünschen der kontrollierten Widerstandwegewahlfähigkeiten, Hinweis auf Artikel,
http://www.altium.com/files/AltiumDesigner6/LearningGuides/AP0107%20Impedance­Controlled%20Routing.pdf

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