Hoe het RF-effect minimaliseren bij het PCB-interconnectieontwerp

Er zijn een aantal verschillende manieren om het RF-effect in een PCB-interconnectieontwerp te minimaliseren. Enkele daarvan zijn ervoor zorgen dat de sporen niet dicht bij elkaar liggen, een massaraster gebruiken en RF transmissielijnen scheiden van andere sporen.

Configuratie met meerdere lagen

RF-effect bij het ontwerpen van PCB-interconnecties is een veel voorkomend probleem. Dit effect treedt voornamelijk op door niet-ideale circuiteigenschappen. Als een IC bijvoorbeeld op twee verschillende printplaten wordt geplaatst, zullen het werkingsbereik, de harmonische emissies en de storingsgevoeligheid drastisch verschillen.

Om dit effect te minimaliseren is een meerlaagse configuratie nodig. Zo'n printplaat moet een redelijke lay-out hebben, impedantie voor hoge frequenties en eenvoudige bedrading voor lage frequenties. Het gebruik van het juiste substraatmateriaal minimaliseert signaalverlies en helpt om een consistente impedantie te behouden doorheen de circuits. Dit is cruciaal omdat signalen de overgang maken van het circuit naar de transmissielijnen en die moeten een constante impedantie hebben.

Impedantie is een ander aspect van PCB interconnectie-ontwerp. Het is de relatieve impedantie van twee transmissielijnen, beginnend bij het PCB-oppervlak en doorlopend naar de connector of coaxkabel. Hoe hoger de frequentie, hoe moeilijker het is om de impedantie te beheersen. Daarom lijkt het gebruik van hogere frequenties een belangrijke ontwerpuitdaging te zijn.

Een grondrooster maken

Een manier om het rf-effect te verminderen is het maken van een massaraster op je printplaat. Een massaraster is een serie doosjes die door middel van sporen met massa is verbonden. Het doel is om het signaalretourpad te minimaliseren en toch een lage impedantie te behouden. Het massaraster kan een enkel spoor zijn of een netwerk van overlappende sporen.

De massaplaat dient als referentie om de impedantie van signaalsporen te berekenen. In een ideaal systeem blijft de retourstroom op hetzelfde vlak als de signaalsporen. In echte systemen kan de retourstroom echter afwijken van het ideale pad door verschillende factoren, waaronder variaties in de koperbeplating van de printplaat en het gebruikte laminaatmateriaal.

RF transmissielijnen scheiden van andere sporen

Bij het ontwerpen van schakelingen met meerdere sporen is het belangrijk om RF transmissielijnen te scheiden van de rest van het circuit. Scheiding van deze sporen is belangrijk om overspraak te voorkomen. Om dit te bereiken, is het het beste om RF transmissielijnen minstens twee spoorbreedtes uit elkaar te plaatsen. Deze afstand vermindert de hoeveelheid uitgestraalde emissies en minimaliseert het risico op capacitieve koppeling.

RF transmissielijnen worden meestal van andere sporen gescheiden door striplijnen. In printplaten met meerdere lagen zijn striplijnen het gemakkelijkst aan te leggen op de binnenste lagen. Net als microstrip hebben striplijnen massaplaten boven en onder de RF transmissielijn. Hoewel striplijnen een betere isolatie bieden dan microstrip, hebben ze meestal een hoger RF-verlies. Daarom worden striplijnen meestal gebruikt voor RF-signalen op hoog niveau.

Gebruik van PTFE-keramiek

RF-effecten zijn een reëel probleem bij het ontwerpen van PCB-interconnecties. Door hoge frequenties kunnen de signalen die over een spoor lopen, verschuiven. Hierdoor verandert de diëlektrische constante afhankelijk van de snelheid van het signaal en de geometrie van het tracé. De diëlektrische constante van het materiaal van het PCB-substraat beïnvloedt ook de snelheid van het signaal.

Bij het vergelijken van keramiek met soldeer heeft PTFE-keramiek een streepje voor op FEP-keramiek. Hoewel eerstgenoemde goedkoper is en gemakkelijker te vervaardigen, zal het de betrouwbaarheid van het signaal verminderen. Bovendien neemt PTFE-keramiek minder snel vocht op. Als de PTFE-keramiek echter bedekt is met koolwaterstoffen, zal de vochtopname toenemen.

Gebruik van symmetrische striplijnroutering

Stripline routing is een veelgebruikte aanpak bij het ontwerpen van digitale schakelingen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een diëlektrische laag ingeklemd tussen twee massaplaten met signaalvoerende geleiders in het midden. Deze methode wordt symmetrische striplijn genoemd. Typische striplijn afmetingen zijn s=2.0, w=3.0, t=1.0, en b=5.0.

Deze methode heeft twee grote voordelen ten opzichte van microstrip. Het maakt kleinere sporen mogelijk, die meer bescherming bieden tegen agressorsignalen. Bovendien kan het frezen van striplijnen de RF-impact op het interconnectieontwerp minimaliseren. Het vereist echter een zorgvuldige afweging van de opbouw van de printplaatlaag en de diëlektrische materialen tussen de grondvlakken.

De printspoorbreedte mag niet groter zijn dan twee inch. Dit is belangrijk voor hogesnelheidslogica, die een stijg- en daaltijd van vijf nanoseconden heeft. Het is aan te raden om high-speed logic printsporen af te sluiten met een karakteristieke impedantie en om holtes in het referentievlak te vermijden.