PCB-Design-Regeln für analoge Schaltungen

Zachariah Peterson
|  Erstellt: March 18, 2019  |  Aktualisiert am: December 8, 2020

Glowing vacuum tube on a blue background

Manche Leute verstehen einfach nicht, wie Elektronikingenieure die Welt sehen. Manchmal ist es so, als wären wir Neo am Ende von „The Matrix“ und betrachten alles als digitale Daten. Analoges Design erscheint wie ein Rückzug in die reale Welt.

Auch wenn die Konstruktion analoger Systeme wie eine Reise in die Zeit der Vakuumröhren erscheinen mag, so ist die analoge Signalverarbeitung noch lange kein Auslaufmodell. Rein analoge Platinen und Mixed-Signal-Boards sind immer noch in vielen Produkten von Bedeutung, und Neueinsteiger sollten einige wichtige PCB-Designregeln für analoge Schaltungen beachten.

Entflechtungsregeln für analoge Leiterplatten

Die Leiterbahnen auf Ihrer analogen Platine sollten aus mehreren Gründen so kurz wie möglich gehalten werden. Erstens verhalten sich Leiter, die analoge Signale führen, wie eine Übertragungsleitung, wenn diese zu lang sind – genau wie solche, die digitale Signale führen. Gelegentlich spricht man von diesem Vorgang, wenn die Laufzeitverzögerung größer als ein Viertel der Schwingungsdauer des Analogsignals ist – der tatsächliche Übergang ist natürlich eher fließend. Um festzustellen, ob eine Leiterbahn ein Übertragungsleitungsverhalten zeigt, müssen Sie deren charakteristische Impedanz mit der Eingangsimpedanz der Schaltung abgleichen und jede Abweichung vom idealen Eingangsimpedanzwert, den Ihr Treiber sieht, untersuchen. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie die kritische Länge der Übertragungsleitung bestimmen können. Wenn die Leiterbahn kurz genug ist, spielt ihre Impedanz praktisch keine Rolle mehr und die Eingangsimpedanz (Leitung + Empfänger) scheint einfach die Impedanz des Empfängers zu sein.

Halten Sie daher die Leiterbahnen kurz, besonders in Schaltungen mit höheren Frequenzen, um Übertragungsleitungseffekte zu vermeiden. Beim Übergang zum Übertragungsleitungsverhalten können analoge Signale an einer Impedanzfehlanpassung reflektiert werden, was möglicherweise zu einer entsprechenden Signalresonanz auf der Leiterbahn führt. Dann bildet sich eine stehende Welle auf der Übertragungsleitung, die wiederum ein starkes Übersprechen (EMI) in benachbarte Komponenten hervorrufen können.

Die Verwendung von Durchkontaktierungen auf kritischen Leiterbahnen sollte ebenfalls minimiert werden. Alle Durchsteiger haben aufgrund ihrer Geometrie eine inhärente Eigeninduktivität. Während die Signalresonanz bei Vias typischerweise im GHz-Bereich liegt, erhöht sich die Induktivität, wenn mehrere von ihnen in Reihe geschaltet werden, wodurch die Resonanzfrequenz für die betreffende Leiterbahn sinkt. Ein weiteres Problem beim Verlegen von analogen Leiterbahnen zwischen den Lagen besteht darin, dass Durchkontaktierungen Öffnungen in Masseebenen provozieren und damit eine Impedanzdiskontinuität entsteht, die Masseschleifen verursachen kann. Versuchen Sie stattdessen, alle analogen Signalbahnen auf einer einzigen Ebene zu führen.

Stromversorgungs- und Masseflächen

Die Platzierung von Stromversorgungs- und Masseflächen auf Ihrem Multi-Layer-Board ist für die Gewährleistung der Signalintegrität entscheidend. Diese Ebenen überschneiden sich meist und sind bei einer Digitalbaugruppe mit einem Kondensator entkoppelt. Im Gegensatz dazu sollten sich vergleichbare Ebenen für die analoge Stromversorgung und Masse nicht überschneiden.

Bei Mixed-Signal-Platinen müssen Sie eine Kombination aus digitalen und analogen Regeln anwenden. Digitale und analoger Schaltungsteil sollten durch Aufteilung der Massefläche getrennt werden. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Signale auf die gleiche Masse bezogen sind. Die Verbindung zwischen der digitalen und der analogen Masseebene sollte so nah wie möglich an der Masseverbindung für die Spannungsversorgung liegen.

Die digitalen und analogen Versorgungslagen sollten sich zudem nicht überschneiden. Überlappen sich diese beiden Ebenen, dann herrscht zwischen ihnen eine gewisse Kapazität. Dies kann zu HF-Emissionen führen, die sich zwischen diesen beiden Layern ausbreiten.

Wenn Sie eine PLL zur Frequenzsynthese mit einem Analogsignal verwenden, um einen Referenzoszillator oder Taktgenerator zu bilden, müssen Sie den Taktausgang sehr sorgfältig in den Digitalteil zurückführen – mitunter eine knifflige Sache, wenn Sie statt eines PLL-ICs einen eigenen aus separaten Komponenten aufbauen wollen.

Im digitalen Schaltungsbereich der Baugruppe kann es sinnvoll sein, eine oder mehrere Signallagen zwischen den digitalen Stromversorgungs- und Masseflächen zu definieren. Hier können Sie Signalleitungen verlegen, die vor EMI geschützt werden müsse. Diese wird von den beiden großen Leitungsflächen abgeschirmt. Vermeiden Sie unbedingt die übermäßige Verwendung von Durchkontaktierungen zwischen diesen inneren Signalebenen, da diese sehr leicht Störungen in die bzw. aus der Versorgungsebene einkoppeln können.

Wenn digitale Leiterbahnen über die digitale Massefläche geführt werden, entweder auf der Oberfläche oder im Inneren, hilft dies, sicherzustellen, dass Ihr Rücksignal nur in der Massefläche induziert wird und zum Masseanschluss des Netzteils wandert. Die Masseebene unterdrückt jegliche Signalinduktion in der Stromversorgungsebene. Bei empfindlichen Signalleitungen, die zwischen der Leistungs- und der Masseebene verlegt werden, kann der Entkopplungskondensator ein in die Stromversorgungsebene induziertes digitales Signal kompensieren.

Computer-Motherboard mit digitalen und analogen Anschlüssen

Durchsteck- vs. oberflächenmontierte Bauteile

Durchsteckkomponenten werden normalerweise auf Platinen verwendet, bei denen der Platzbedarf eine untergeordnete Rolle spielt. Ist Bauraum auf Ihrer Platine jedoch begrenzt, ist es besser, oberflächenmontierbare Bauelemente zu verwenden. Durchsteckbauteile sind oft auch belastbarer als SMDs.

Wenn Sie durchkontaktierte passive Bauteile verwenden müssen, vermeiden Sie nach Möglichkeit eine vertikale Montage, insbesondere bei High-Speed-Platinen. Kürzere Anschlüsse, die Sie horizontal strecken können, verkleinern die von Ihrer Schaltung umschlossene Fläche und minimieren die Selbstinduktivität. Dies trägt auch zur Minimierung von EMI in andere Komponenten bei, insbesondere in Hochfrequenzschaltungen.

Eine sauberere Alternative, sowohl aus Sicht der Signalintegrität als auch der Ästhetik, ist die Verwendung oberflächenmontierter passiver Komponenten. Obwohl durchkontaktierte Bauteile billiger sind, kann die Herstellung einer Platine zur Aufnahme von diesen Bauteilen aufgrund der zusätzlich erforderlichen Bohrarbeitsschritte teurer werden.

Umgang mit unbenutzten Operationsverstärkern

Eine Komponente, die in analogen Schaltungen zwangsläufig vorkommt, ist der Operationsverstärker. In vielen Operationsverstärker-ICs bleiben einige der OP-Amps unbenutzt. Alle unbenutzten Leitungen des ICs sollten ordnungsgemäß abgeschlossen werden; nicht abgeschlossen bilden sich Rauschquellen, die im IC die Signalintegrität beeinträchtigen.

Wenn Sie eine einzelne Spannungsversorgung verwenden, sollten Sie zunächst den Ausgang direkt mit dem invertierenden Eingang verbinden. Dies erzeugt eine negative Rückkopplung und stellt sicher, dass der Ausgang dem Eingang richtig folgt. Als Nächstes schließen Sie einen Spannungsteiler mit gleichen Widerständen an den nicht-invertierenden Eingang und den Masse-Pin an. Dadurch wird das Eingangspotenzial auf den Mittelpunkt des linearen Bereichs eingestellt. Wenn Sie eine geteilte Spannungsversorgung verwenden, können Sie den Ausgang einfach mit dem invertierenden Eingang kurzschließen und den nicht-invertierenden Eingang erden.

Oberflächenmontierter IC in einer Pinzette über einer blauen Leiterplatte

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

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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