Minimierung des RF-Effekts bei der Entwicklung von PCB-Verbindungen

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den HF-Effekt in einem Leiterplatten-Verbindungsdesign zu minimieren. Einige davon sind, sicherzustellen, dass die Leiterbahnen nicht in unmittelbarer Nähe zueinander liegen, ein Erdungsgitter zu verwenden und HF-Übertragungsleitungen von anderen Leiterbahnen zu trennen.

Mehrschichtige Konfiguration

HF-Effekte bei der Entwicklung von Leiterplattenverbindungen sind ein häufiges Problem. Dieser Effekt tritt hauptsächlich aufgrund nicht idealer Schaltungseigenschaften auf. Wenn beispielsweise ein IC auf zwei verschiedenen Leiterplatten platziert wird, unterscheiden sich sein Betriebsbereich, seine Oberwellenemissionen und seine Störanfälligkeit drastisch.

Um diesen Effekt zu minimieren, ist eine mehrlagige Konfiguration erforderlich. Eine solche Leiterplatte sollte ein vernünftiges Layout, eine hohe Impedanz für hohe Frequenzen und eine einfache Verdrahtung für niedrige Frequenzen aufweisen. Die Verwendung des richtigen Trägermaterials minimiert den Signalverlust und trägt dazu bei, dass die Impedanz in den Schaltkreisen gleich bleibt. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Signale von der Schaltung auf die Übertragungsleitungen übergehen und diese eine konstante Impedanz aufweisen müssen.

Die Impedanz ist ein weiteres Problem beim Entwurf von Leiterplattenverbindungen. Dabei handelt es sich um die relative Impedanz zweier Übertragungsleitungen, die an der Leiterplattenoberfläche beginnt und sich bis zum Stecker oder Koaxialkabel erstreckt. Je höher die Frequenz ist, desto schwieriger ist es, die Impedanz zu kontrollieren. Daher scheint die Verwendung höherer Frequenzen eine große Herausforderung für das Design zu sein.

Erstellen eines Bodengitters

Eine Möglichkeit zur Verringerung des HF-Effekts besteht darin, ein Erdungsgitter auf Ihrer Leiterplatte zu erstellen. Ein Massegitter ist eine Reihe von Kastenabschnitten, die durch Leiterbahnen mit der Masse verbunden sind. Sein Zweck ist es, den Signalrückweg zu minimieren und gleichzeitig eine niedrige Impedanz beizubehalten. Das Massegitter kann entweder aus einer einzelnen Leiterbahn oder aus einem Netz sich überlappender Leiterbahnen bestehen.

Die Grundplatte dient als Referenz für die Berechnung der Impedanz von Signalleitungen. In einem idealen System bleibt der Rückstrom auf der gleichen Ebene wie die Signalbahnen. In realen Systemen kann der Rückstrom jedoch aufgrund verschiedener Faktoren, wie z. B. Variationen in der Kupferbeschichtung der Leiterplatte und dem verwendeten Laminatmaterial, vom idealen Pfad abweichen.

Trennen von RF-Übertragungsleitungen von anderen Leiterbahnen

Beim Entwurf von Schaltungen mit mehreren Leiterbahnen ist es wichtig, die HF-Übertragungsleitungen vom Rest der Schaltung zu trennen. Die Trennung dieser Leiterbahnen ist wichtig, um ein Übersprechen zu verhindern. Um dies zu erreichen, sollten die HF-Übertragungsleitungen mindestens zwei Leiterbahnbreiten voneinander entfernt sein. Dieser Abstand verringert die Menge der abgestrahlten Emissionen und minimiert das Risiko der kapazitiven Kopplung.

HF-Übertragungsleitungen werden in der Regel durch Streifen (Striplines) von anderen Leiterbahnen getrennt. Bei mehrlagigen Leiterplatten lassen sich Striplines am einfachsten auf den inneren Lagen aufbauen. Wie Microstrip haben Striplines Masseebenen über und unter der HF-Übertragungsleitung. Striplines bieten zwar eine bessere Isolierung als Microstrip, haben aber tendenziell einen höheren HF-Verlust. Aus diesem Grund werden Striplines in der Regel für hochfrequente Signale verwendet.

Verwendung von PTFE-Keramik

HF-Effekte sind ein echtes Problem bei der Entwicklung von PCB-Verbindungen. Aufgrund hoher Frequenzen können sich die auf einer Leiterbahn übertragenen Signale verschieben. Dies führt dazu, dass sich die Dielektrizitätskonstante in Abhängigkeit von der Signalgeschwindigkeit und der Leiterbahngeometrie ändert. Die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats wirkt sich ebenfalls auf die Geschwindigkeit des Signals aus.

Beim Vergleich von Keramik mit Lot ist PTFE-Keramik gegenüber FEP-Keramik im Vorteil. Erstere ist zwar billiger und einfacher herzustellen, verringert aber die Zuverlässigkeit der Signale. Außerdem nimmt PTFE-Keramik weniger wahrscheinlich Feuchtigkeit auf. Wenn die PTFE-Keramik jedoch mit Kohlenwasserstoffen bedeckt ist, nimmt die Feuchtigkeitsaufnahme zu.

Verwendung der symmetrischen Streifenleiterverlegung

Das Stripline-Routing ist ein gängiger Ansatz bei der Entwicklung digitaler Schaltungen. Dabei wird eine dielektrische Schicht zwischen zwei Masseebenen mit signalführenden Leitern in der Mitte verwendet. Diese Methode wird als symmetrische Stripline bezeichnet. Typische Stripline-Abmessungen sind s=2,0, w=3,0, t=1,0 und b=5,0.

Diese Methode hat zwei wesentliche Vorteile gegenüber der Mikrostreifenleitung. Sie ermöglicht kleinere Leiterbahnen, die einen besseren Schutz vor aggressiven Signalen bieten. Darüber hinaus kann das Stripline-Routing dazu beitragen, die HF-Auswirkungen auf das Verbindungsdesign zu minimieren. Sie erfordert jedoch eine sorgfältige Berücksichtigung des Aufbaus der Leiterplattenschichten und der dielektrischen Materialien zwischen den Masseebenen.

Die Leiterbahnbreite sollte zwei Zoll nicht überschreiten. Dies ist wichtig für Hochgeschwindigkeitslogik, die eine Anstiegs-/Abfallzeit von fünf Nanosekunden hat. Es ist ratsam, Leiterbahnen für Hochgeschwindigkeitslogik mit einer charakteristischen Impedanz abzuschließen und Hohlräume in der Bezugsebene zu vermeiden.