Entwurf und Analyse von Schaltungen für hohe Datenraten (ENAS)5 ECTS
(englische Bezeichnung: Design and Characterisation of High Speed Digital Circuits)
(Prüfungsordnungsmodul: Entwurf und Analyse von Schaltungen für hohe Datenraten)

Lehrveranstaltungen:

• • Entwurf und Analyse von Schaltungen für hohe Datenraten
    (Vorlesung, 2 SWS, Klaus Helmreich, Do, 10:15 - 11:45, HF-Technik: SR 5.14)
  • Entwurf und Analyse von Schaltungen für hohe Datenraten Übung
    (Übung, 2 SWS, Klaus Helmreich et al., Mo, 14:15 - 15:45, HF-Technik: SR 5.14)

Inhalt:

Motivation
Beim Entwurf von Schaltungen für hohe Datenraten oder hohe Frequenzen auf Leiterplattenebene, aber auch in integrierten Schaltungen, kann man schaltungstechnisch alles richtig machen - aber die Schaltung funktioniert trotzdem nicht recht! Häufiger Grund ist mangelnde Signalintegrität: Signaleigenschaften werden beim Durchlaufen der Signalpfade unzulässig beeinträchtigt.

Gliederung
Die Veranstaltung behandelt Aspekte des Schaltungsentwurfs, die entscheidend sind für die Erzielung funktionsnotwendiger Signalqualität auf Schnittstellen und Verbindungselementen. Nach Einführung der notwendigen theoretischen Grundlagen werden diese auf konkrete Fragestellungen unter gegenwärtigen technologischen Randbedingungen angewendet. Signalpfade und Leistungsversorgung werden unter Gesichtspunkten der Signalintegrität analysiert und Entwurfsregeln abgeleitet. Meß-, Charakterisierungs- und Prüfverfahren werden erläutert und geeignete Modelle für Simulationen untersucht.

1 Signaleigenschaften
Begriffe und Definitionen, Kenngrößen eines Datensignals, Flankenübergangszeit und Bandbreite, Leistungsdichtespektrum eines Datensignals, Jitter: Maße und Komponenten, Augendiagramm, Bitfehlerrate und die „Badewannenkurve“

2 Signalquellen und Lasten
Impedanz und Leistungsübertragung, Zeitmittelwerte

3 Leitungen: Eigenschaften
Begriffe, Leitungsmodell für Zweileiteranordnung, Ausbreitungskoeffizient und Leitungswellenwiderstand, Frequenzabhängigkeiten von Dämpfungsbelag, Phasenlaufzeitbelag und Wellenwiderstand

4 Leitungen und Signalintegrität
Auswirkung der Frequenzabhängigkeiten auf Form von Datensignalen, Reflexion und ihre Auswirkung auf Datensignale, Signallaufdiagramm bei Verzweigungen, Entwurf von Verzweigungen ohne Signalbeeinträchtigung, Analyse von Signalpfaden: Reflektometrie im Zeit- und Frequenzbereich, Systemstruktur und Systemantwort, Signaturen verschiedener Störstellen im Wellenwiderstandsprofil und ihre Auswirkung im Augendiagramm

5 Leitungen: Material und Oberfläche
Charakteristika von Dielektrika und Leitern, Leitungsquerschnitte in Kabeln, Leiterplatten und integrierten Schaltungen, relative Permittivität und Verlustmechanismen, Messung dielektrischer Eigenschaften, „scheinbare“ relative Permittivität und Entwurfsperspektiven, Einfluß der Rauhigkeit von Leiteroberflächen

6 Leiterplatten
Leiterplatten als Schaltungsbestandteil, Aufbau und Herstellung von Mehrlagen-Leiterplatten, Durchkontaktierungen und ihre Auswirkungen auf Signalintegrität, Varianten für hohe Frequenzen und Datenraten, Materialien und Eigenschaften, Inhomogenität und Anisotropie, Herausforderungen bei Leiterplatten für hohe Datenraten

7 Integrierte Schaltungen
Gattereigenschaften: Schaltleistung und Schaltzeiten, Auswirkung der Schaltzeit auf Signalintegrität, Leitungen in integrierten Schaltungen, Laufzeitverhalten, Fehlermodelle bei hohen Datenraten, IC-Gehäuse und ihre Auswirkungen auf Signalintegrität

8 Leistungsversorgung
Signalintegrität und Versorgungsspannung: Zeitverlauf des Leistungsbedarfs synchroner Schaltungen, Lastwechselreaktion „Simultaneous Switching Noise“: Modell und quantitative Behandlung, Entwurf von Entkopplungsnetzwerken

Lernziele und Kompetenzen:

Die Studierenden arbeiten an den folgenden Fachkompetenzen

Fachkompetenz

Wissen

• wesentliche Kenngrößen eines Datensgnals nennen

• Begriff „Jitter“ abgrenzen

• Jitterkomponenten erläutern

• wesentliche Leiterplattenmaterialklassen und deren relevante Kenngrößen nennen
  

Verstehen

• Augendiagramm und „Badewannenkurve“ interpretieren und beurteilen

• Zweileiter-Leitungsmodell erläutern und zugehörige Begriffe definieren

• Reflexion an Störstellen qualitativ und quantitativ beschreiben

• relevante Materialeigenschaften von Dielektrika und Leitern angeben und erklären und Meßverfahren dafür beschreiben

• Aufbau und Herstellung von Mehrlagen-Leiterplatten beschreiben
  

Anwenden

• Flankenübergangszeit und Bandbreite ineinander umrechnen

• Entwurfsregeln für Signalintegrität anwenden

• Flankenübergangszeit und Signalpfadbandbreite für Datenrate geeignet auslegen
  

Analysieren

• Frequenzabhängigkeiten von Leitungsparametern begründen und deren Auswirkung auf Form von Datensignalen diskutieren

• Leitungsverhalten von LC- / RC-Leitungen gegenüberstellen
  

Evaluieren (Beurteilen)

• Jitterkomponenten anhand der Jitterverteilung ermitteln

• verschiedene Ausbildungen von Durchkontaktierungen hinsichtlich ihrer Auswirkung auf Signalintegrität bewerten

• IC-Gehäuse hinsichtlich ihrer Eignung für hohe Datenraten / Frequenzen beurteilen
  

Erschaffen

• Signalpfade und Topologien für hohe Datenraten / Frequenzen konzipieren

• Entkopplungsnetzwerke gezielt für bestehende Anforderungen entwerfen
  

Lern- bzw. Methodenkompetenz

Lernziele hinsichtlich Lern- und Arbeitsmethoden:

• Meß- und Charakterisierungsverfahren zielgerichtet anwenden und Ergebnisse differenziert interpretieren

• Belange der Signalintegrität beim Systementwurf erkennen und berücksichtigen
  

Selbstkompetenz

Lernziele hinsichtlich persönlicher Weiterentwicklung:

(keine)

Sozialkompetenz

Lernziele hinsichtlich des Umgangs mit Menschen:

• Übungsaufgabenstellungen gemeinsam in Kleingruppen lösen

Weitere Informationen:

Verwendbarkeit des Moduls / Einpassung in den Musterstudienplan:

1. Berufspädagogik Technik (Bachelor of Science)
   (Po-Vers. 2020w | TechFak | Berufspädagogik Technik (Bachelor of Science) | Gesamtkonto | Wahlpflichtmodule Fachwissenschaft | Entwurf und Analyse von Schaltungen für hohe Datenraten)

Studien-/Prüfungsleistungen:

Entwurf und Analyse von Schaltungen für hohe Datenraten_ (Prüfungsnummer: 61801)

Prüfungsleistung, mündliche Prüfung, Dauer (in Minuten): 30, benotet, 5 ECTS

Anteil an der Berechnung der Modulnote: 100.0 %

weitere Erläuterungen:
Gemäß Corona-Satzung wird als alternative Prüfungsform festgelegt: digitale Fernprüfung von 30 Minuten Dauer mittels ZOOM.

Erstablegung: SS 2021, 1. Wdh.: WS 2021/2022, 2. Wdh.: SS 2022

1. Prüfer:

Klaus Helmreich