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10-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Design Störarme und

Design Störarme und EMV-gerechte Gestaltung von HF-Leiterplatten, Teil 1 Dieser zweiteilige Beitrag stellt Richtlinien für das Design von HF-Leiterplatten vor. Ziel ist es, dem Entwickler Erfolg versprechende und Zeit sparende Techniken zu vermitteln, um hohe Störresistenz sowie geringste Störaussendungen sicherzustellen und zudem eine unkomplizierte Schaltungsoptimierung zu ermöglichen. Der vorliegende Teil 1 behandelt die allgemeinen Grundlagen, während Teil 2 in der nächsten Ausgabe speziell das Vorgehen bei Empfängern, Oszillatoren, Sendern und Transceivern unter die Lupe nimmt. Vier- und Zweilagen- Platinen Semtech bietet sowohl Vier- als auch Zweilagen-Referenzdesigns für ihre RF-IC-Familien an. Das obige Bild zeigt ein typisches Vierlagen-Design. Der Vorteil gegenüber zwei Lagen besteht in erster Linie darin, dass eine breit verteilte HF- Entkopplung der Versorgung leicht erreichbar ist durch eine Quelle: Semtech Application Note AN 1200.04 RF Design Guidelines: PCB Layout and Circuit Optimization frei übersetzt von FS mögliche Massefläche (Ground Plane ) über der DC-Power- Fläche. Neben dieser Ground Plane, die elektrisch zum HF- Teil hin abschirmt, wirkt in die andere Richtung die Massefläche des Stromversorgungsteils elektrisch schirmend. Diesen Sandwich-Aufbau lässt die Grafik gut erkennen. Im Zweilagen- Konzept ist eine solche konsequente Schirmung nicht möglich. Liegt eine vorgeschriebene Power-Massefläche zwischen zwei mit Masse verbundenen Schichten oder Flächen, dann entsteht eine kalkulierbare Koppelkapazität zwischen Versorgungsteil und Masse. Die elektrische Abschirmwirkung ist sehr gut. Zusätzlich ist es möglich, die Massefläche der Stromversorgung sehr induktionsarm auszuführen, sodass mögliche HF- Einkopplungen keine störenden Spannungen bzw. Ströme bewirken können. Die Power Plane sollte von einer Masseleitung umgeben sein. Per Vias sollten die Massegebiete gutleitend und induktivitätsarm verbunden werden. Dies verhindert jede elektrische Störemission vom Board aus und schirmt es gleichzeitig gut gegen äußere elektrische Felder ab. Bei der im obigen Bild gezeigten Gestaltung wurde die wirksame Power Plane zudem noch möglichst nur unter der letzten Stufe des Sender-Anpassnetzwerks angeordnet, sodass der Sender selbst vor einer möglichen Beeinträchtigung durch parasitäre Kopplung weitestgehend geschützt ist. Ein Vierlagen- oder Multilayer- PCB-Layout ist in aller Regel unvermeidbar, wenn zusätzlich noch ein HF-Leistungsverstärker erforderlich wird. Dann nämlich wird dessen Stromversorgung die kritischste Baugruppe bezüglich Störbeeinflussung darstellen. Nur ein Multilayer-Konzept macht hier eine separate und Bild 1: Ein typisches Zweilagen-Referenzdesign niederinduktive Power Supply Plane für den Leistungsverstärker möglich und sichert somit die Durchsetzung einer kontinuierlichen Grounding-Strategie. Als Alternative sind separate Masseflächen für HF- und DC-Power- Teil möglich, die man an einem gemeinsamen Punkt („Sternpunkt”) verbindet. Diese Technik der „Sternpunkterdung” ist aus der NF-Technik gut bekannt. Der beste „Sternpunkt” ist meist der möglichst kurze und gutleitende Anschluss des Lade- oder Entkoppelkondensators in der Stromversorgung. Dennoch ist hier Sorgfalt angebracht, um abzusichern, dass kein Rückstrompfad unter sensible HF- Schaltungsteile gelegt wird. Während eine gemeinsame niederinduktive Massefläche grundsätzlich eine robuste praktische Lösung darstellt, gibt es hier keine allgemeine Regel, und die richtige Stromversorgungs- und Grounding-Philosophie hängt immer von der speziellen Applikation ab. Ein weiterer Vorteil des Vierlagen-Design ist, dass für eine übliche Platinenstärke von 1,6 mm (0,063 inch) der Abstand zwischen PCB-Komponentenund Verbindungsschicht sowie erster Massefläche die Einführung von Microstrip-Leitungen 24 hf-praxis 10/2015

Design Bild 2: Schaltkreisentkopplung und Stromschleifenminimierung begünstigt. Genauso wie das HF- Leitungs-Routing auf der Schicht zwischen den Masseflächen oder sorgfältig entkoppelten Power Planes zur optimalen Signalübertragung beiträgt, kann diese Stripline-Technik angewandt werden, um die optimalen Wellenwiderstände und somit Reflexionsfreiheit und bestmögliche Anpassung zu erhalten. Zweilagen-Designs erfordern typischerweise ein wenig mehr Sorgfalt beim PCB-Routing, können aber in einfacheren Konzepten erfolgreich angewandt werden, wie beispielsweise nach Bild 1. Die Stromversorgungsleitungen sollten so breit als möglich ausgeführt werden. Auch beim Zweilagen-Konzept sind relativ große Masseflächen oft noch gut realisierbar. Wo immer die Möglichkeit besteht, sollte man die Oberseite der Platine so gestalten, dass auf der Unterseite eine solide Ground Plane für den HF-Teil angelegt werden kann. Stromschleifen und Entkopplung Masseschleifen befördern unerwünschte, störende Stromflüsse und sind daher allgemein beim PCB-Layout zu vermeiden. Man erkennt diese Stromschleifen an geschlossenen freiliegenden (ausgeätzten) Gebieten innerhalb der Massefläche. Mit einem Schlitz zum nächstliegenden Rand der Platine hin wird der Stromfluss durch diese Schleife unterbrochen. Man muss darauf achten, dass beim Einbau der Platine nicht etwa eine äußere Verbindung wieder zustande kommt. Sind Stromschleifen unvermeidbar, sollte man sie kurz und induktionsarm halten, denn im Endeffekt störend sind nicht die Ströme, sondern die über der Scheife abfallenden Differenzspannungen. So überlagern sich beispielsweise Wechselanteile im DC-Versorgungsstrom mit dem Signal. Bild 2 bringt Beispiele für Entkopplungen mit zwei bzw. drei parallelen Bypass-Kondensatoren und minimierten Stromschleifen. Die Stromversorgungs-Pins wurden so eng wie möglich mit den Kapazitäten versehen. Diese wiederum haben eine breite und somit induktivitätsarme Verbindung über mehrere Vias zur Haupt-Massefläche hin. L5 und C10 bilden einen Resonanzkreis für die LO-Frequenz. Durch das Minimieren bzw. Vermeiden von Masseschleifen und konsequentes Entkoppeln der Stromversorgungs-Pins ist es möglich, zu verhindern, dass Störungen von störenden Stufen oder Baugruppen, wie Stromversorgung, digitale Stufen, PLL- Synthesizer oder Referenzoszillatoren, in empfindliche Schaltungsteile, wie LNA oder VCO, eingekoppelt werden. Parasiten der Platine Ein Punkt, der beim Platinen- Design oft übersehen wird, ist das elektrische Verhalten des PCB-Materials, der Komponentenanschlüsse und der Vias. Die elektrischen Kennwerte der Platine haben bei höheren Frequenzen einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des gesamten Produkts. Dieses Problem der “PCB Parasitics” zeigt sich beispielsweise bei der Gestaltung von Signalpfaden, deren elektrisches Verhalten das Isoliermaterial der Platine über sein Dielektrikum mitbestimmt. Denn das Dielektrikum beeinflusst die Kapazität zwischen einer Leitung und der unten liegenden Massefläche. Ebenfalls oft übersehen bzw. als parasitäre Komponente nicht wahrgenommen wird ein Via, besonders wenn es dazu dient, eine PCB-Schicht mit einer anderen zu verbinden. Bild 3 zeigt ein Standard PCB Through-Hole Via und bringt die Faustformeln zur Bestimmung von parasitärer Induktivität und Kapazität. Diese bilden einen Parallelschwingkreis. Ein typisches Via für 1,6 mm dickes PCB-Material hat 1,2 nH und 0,5 pF. Störende Effekte können minimiert werden, wenn die Via-Abmessungen kleiner als 1/30 der Wellenlänge des Signals sind. Manchmal können die physikalischen Eigenschaften des PCBs vorteilhaft beim Design ausgenutzt werden. Beispielsweise ist eine kleine, direkt auf der Platine realisierte Induktivität kostengünstiger und oft stabiler als ein extra Bauteil. Die Fläche oder Fahne zur Wärmeableitung auf der Unterseite von HF-Bauelementen sorgt auch für eine solide elektrische Masseanbindung des Chips. Sie sollte idealerweise schon auf der Komponentenseite an Masse führen, welche wiederum über mehrere Vias mit der Haupt- Massefläche verbunden ist. Bild Um Microstrip/Stripline-Übertragungsleitungen zu ermöglichen, sollte die Stärke der Leiterplatte 0,8 bis 1 mm (0,031 bis 0,039 inch) nicht überschreiten, da sonst die Breite der Leitung kritisch (zu groß) wird. PCBs dieser Stärke sind auf eine bestimmte Größe begrenzt, da sonst zu instabil. Kurze Leitungslängen sind also oft anzustreben. Weitere mögliche Verkopplungen lassen sich dadurch verhindern, dass jede Schaltungsstufe ihren eigenen Entkoppelkondensator erhält. Hierbei kommt es besonders darauf an, dass jeder dieser Kondensatoren seine eigene Via-Verbindung nach Masse besitzt. Grundsätzlich sollten sich verschiedene Komponenten nicht Vias teilen müssen. Bild 3: Wichtige Informationen zu einem typischen Via hf-praxis 10/2015 25

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel