Designtipps für Hochfrequenz-PCBs und Embedded Systems

Zachariah Peterson
|  Created: April 9, 2019  |  Updated: April 8, 2021
Hochfrequente plasmotische Schwingungen
Hochfrequente plasmotische Schwingungen

Wie bei einem Telefonspiel können Informationen in einem analogen Signal auf dem Weg zum Ziel leicht verzerrt werden. Wenn der Signalwechsel nicht richtig konzipiert wird, kann es zu Rauschen und Verzerrungen kommen, und für Ihre Nachricht wird es schwierig, sich von dem Lärm abzuheben.

Mit den hohen Frequenzen, die in drahtlosen Geräten und anderen Geräten, die mit analogem Equipment verbunden sind, verwendet werden – einschließlich embedded Systems (zu dt. eingebettete Systeme) – gibt es auf Ihrer Platine viele Möglichkeiten für analoge und digitale Signale, sich gegenseitig zu stören. Dies kann digitale Daten verfälschen, Verzerrungen in analogen Signalen verursachen und zu anderen Signalproblemen führen, die möglicherweise nicht so einfach zu diagnostizieren sind. Das richtige Layout und Routing sorgen dafür, dass Ihre Signale auf dem gesamten Gerät sauber bleiben.

Verhindern Sie Übersprechen in Geräten mit gemischten Signalen 

Im Vergleich zu digitalen Schaltungen, die in Sättigung betrieben werden, sind analoge ICs und Signale viel empfindlicher gegenüber Rauschen. Wenn eine analoge Leiterbahn der Übersprech-Aggressor gegen eine digitale Leiterbahn ist, induziert das analoge Signal ein Signal, das das digitale Signal überlagert. Jedoch reicht die Schwankung des digitalen Signals normalerweise nicht aus, um ein unbeabsichtigtes Schalten am Eingang einer Logikschaltung zu verursachen. Eine Ausnahme bildet das Schalten von Netzteilen, die in nahegelegenen digitalen Schaltkreisen zu einem unbeabsichtigten Schalten führen können.

Tatsächlich filtert eine digitale Schaltung, die in Sättigung betrieben wird, Rauschen mit niedrigem Pegel am Eingang heraus. Das Gegenteil ist nicht wahr. Wenn ein schaltender digitaler IC einen digitalen Impuls erzeugt, kann er einen starken Schub des Stromsignals in eine nahe gelegene analoge Spur induzieren. Analoge Geräte werden im Allgemeinen im linearen Bereich ohne Offset betrieben, sodass sich das induzierte Rauschen leicht in dem Ausgang des analogen IC ausbreitet.

Hochfrequenz-PCBs erfordern einige zusätzliche Überlegungen, insbesondere bei drahtlosen Geräten. Beispielsweise erfordert ein embedded System, das Daten von externen Sensoren sammelt, konvertierte digitale Daten verarbeitet und diese Daten dann über ein drahtloses Protokoll an ein anderes Gerät sendet, eine gewisse Segmentierung zwischen verschiedenen Teilen der Platine.

Mit den richtigen Routing- und Layoutoptionen können Sie verschiedene Teile Ihrer Platine trennen und so ein Übersprechen in Geräten mit gemischten Signalen verhindern. Sie können auch sicherstellen, dass sich analoge Signale mit unterschiedlichen Frequenzen und Signalstärken nicht gegenseitig stören.

Es beginnt mit einem Grundriss und einem Lagenaufbau

Wenn Sie mit einem rein analogen oder gemischten Signalgerät arbeiten, müssen Sie in Ihrem Lagenaufbau und Grundriss eine Reihe wichtiger Punkte berücksichtigen. Ihr Gerät benötigt eine Stromquelle, und ein Rauschen im Ausgangssignal Ihrer Stromquelle kann zu Problemen mit der Signalintegrität führen. Mit dem richtigen Lagenaufbau verhindern Sie, dass Stromintegritätsprobleme zu Signalintegritätsproblemen werden, und die richtigen Routing-Optionen verhindern, dass sich verschiedene Signalarten gegenseitig stören.

Embedded System mit analogen und digitalen Komponenten
Embedded System mit analogen und digitalen Komponenten

Zunächst sollten Sie Ihre Masseebenen in digitale und analoge Abschnitte unterteilen. Lassen Sie diese beiden Abschnitte jedoch in der Nähe der Rückleitung zur Stromversorgung verbunden, um einen Pfad mit niedriger Reaktanz zur Masse bereitzustellen. Wenn Sie HF-Signale hinzufügen, sollten Sie einen dritten analogen Masseabschnitt für die HF-Komponenten erstellen. Sie sollten dasselbe mit den Leistungsebenen tun. Überlappen Sie keine Masse- oder Leistungsebenen, die unterschiedliche Signalarten übertragen, da dies Strahlungen bei drahtlosen Frequenzen verursacht.

Im HF-Bereich müssen Sie die Strahlung Ihrer HF-Leistungsebene unterdrücken, damit diese nicht mit analogen Signalen in anderen Bereichen der Platine interagiert. Dies verhindert auch, dass Strahlung als Teil eines Mehrplatinensystems Probleme in anderen Platinen verursacht. Das Platzieren einer Via-Abschirmung um die HF-Leistungsebene bietet ein gutes Maß an Unterdrückung, da zwei phasenverschobene Strahler erzeugt werden. Wenn Ihr Lagenaufbau dies zulässt, sollten Sie die HF-Leistungsebene zwischen zwei Masseebenen platzieren, da dies die HF-Leistungs- und Masseebenen auf Ihrer Platine entkoppelt.

Routing Ihrer Signale

Nachdem Ihre analogen, digitalen und analogen HF-Abschnitte in verschiedene Abschnitte unterteilt sind, können Sie die Signale in jedem Abschnitt mithilfe von Best Practices ausführen. Da Hochfrequenzsignale Übertragungsleitungseffekte in kürzeren Leiterbahnen erzeugen können, ist es am besten, die Leiterbahnen so kurz wie möglich zu halten. Sie sollten auch die Impedanzsteuerung auf Ihrer Platine verwenden, um sicherzustellen, dass die Leiterbahnen auf der gesamten Platine eine gleichbleibende Impedanz haben.

Versuchen Sie beim Routing, Ihre Leiterbahnen so anzuordnen, dass die Verwendung von Durchkontaktierungen auf ein Minimum reduziert wird. Jede Durchkontaktierung fügt einer Leiterbahn eine Impedanz hinzu, und das Entwerfen von Durchkontaktierungen mit einer bestimmten Impedanz, die einer Leiterbahn entspricht, ist ziemlich schwierig. Bei allen Durchkontaktierungen sollte eine kontrollierte Tiefenbohrung durchgeführt werden, um Signalresonanzen zu vermeiden, und es sollte äußerst sorgfältig darauf geachtet werden, dass die Tiefenbohrung bei Differentialpaaren symmetrisch ist.

Bei Durchkontaktierungen auf HF-Leiterbahnen besteht eine Möglichkeit, Impedanzänderungen zu verhindern, darin, zwei Durchkontaktierungen parallel zu verwenden. Dies bietet zwei Vorteile. Erstens wird die zusätzliche Impedanz auf der Leiterbahn reduziert, was zum zweiten Vorteil führt. Die verringerte Gesamtimpedanz von zwei parallelen Durchkontaktierungen erhöht die niedrigste Resonanzfrequenz des Durchkontaktierungspaars. Idealerweise sollten Sie versuchen, die niedrigste Resonanzfrequenz so zu erhöhen, dass sie größer als die Frequenz des Signals auf der Leiterbahn ist, um Resonanz und Rückstrahlung zu vermeiden.

Eingebettetes Systemdesign auf einer grünen Leiterplatte
Eingebettetes Systemdesign auf einer grünen Leiterplatte

In Hochfrequenzschaltungen gibt es noch viel mehr zu beachten, insbesondere in embedded Systems mit drahtlosen Funktionen. Wir wären jedoch nachlässig, wenn wir nichts über Bauteile sagen würden. Planen Sie oberflächenmontierte Bauteile am besten in Hochgeschwindigkeits- und Hochfrequenzabschnitten der Platine. Wenn Durchgangsbohrungs-Bauteile verwendet werden, wirkt die verbleibende Stichleitung am Pin genauso wie die verbleibende Stichleitung an einer Durchkontaktierung. Dies erzeugt eine weitere Quelle der Signalreflexion, die die Signalqualität verschlechtern kann. Diese kleinen Stichleitungen wirken auch als Resonatoren, die zur EMI beitragen.

Hochfrequente drahtlose und eingebettete Systeme sind komplizierte Biester, die eine Mischung aus Designregeln erfordern. Wenn einige dieser Regeln missachtet werden, kann dies zu einer Reihe an Signalproblemen in Ihrem Gerät führen. Altium Designer enthält alle Tools, die Sie zum Entwerfen und Überprüfen der Funktionalität Ihres nächsten Embedded Systems in einer einheitlichen Umgebung benötigen.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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