12-2015

Design Layout-Gestaltung

Design Layout-Gestaltung im HF- und Mikrowellen-Bereich Für die Layout-Gestaltung bei Verstärkern, Multiplexern und anderen aktiven Bausteinen im HF- und Mikrowellen-Bereich gibt es allgemeine und spezielle Regeln. Werden sie nicht beachtet, sind Instabilitäten, wilde Schwingungen oder Verzerrungen oft die Folge. Allgemeine Richtlinien Allgemeine Regeln für Layout und Versorgungsspannungs-Entkopplung (Bypassing) spielen eine herausragende Rolle bei der Sicherung der zu erwartenden Performance in Hochfrequenz- und Mikrowellenschaltungen. Die diesbezüglich sensibelsten Anschlüsse eines Highspeed-Verstärkers sind der invertierender Ein- und Ausgang. Für die bestmögliche Leistungsfähigkeit sollte man folgende Punkte beachten: • Legen Sie eine ausgedehnte Massefläche (Ground Plane) auf der Platine an, um für alle Komponenten eine induktionsarme Masseverbindung zu gewährleisten. Verzichten Sie jedoch direkt unter dem Highspeed-Verstärker und rundherum darauf, damit Ein- und Ausgangspins möglichst frei von Streukapazität bleiben. • Setzen Sie möglichst Surface-mount- Komponenten ein, denn dies sichert geringst mögliche Verbindungsinduktivitäten. Falls bedrahtete Bauteile benutzt werden müssen, kürzen Sie die Anschlüsse, insbesondere die Leitung zum invertierenden Eingang, um die seriellen Induktivitäten gering zu halten. • Streben Sie ein kompaktes Layout an und minimieren Sie alle Verbindungslängen. • Verzichten Sie auf Sockel. Löten Sie das Surface-mount-Gehäuse direkt auf die Platine, das führt zu besten Ergebnissen. • Falls möglich, bevorzugen Sie Bauteilausführungen mit Flansch-Anschlüssen (flush-mount) gegenüber solchen, die eine höhere Induktivität vermuten lassen, wie High-Profile-Anschlüsse. In Bild 1 und 2 ist beispielhaft das vom Hersteller empfohlene Layout für einen High-Performance-Multiplexer gezeigt. Quelle: AN-6039, Fairchild Corp. frei übersetzt von FS Bild 1: Empfohlenes Layout für FHP3194 Bild 2: Massefläche für beste Performance Bild 3: Massefläche ohne Aussparung für den Rückkopplungspfad Beim Layout in Bild 3 wurde hingegen auf die Entfernung der Massefläche unter den gegenüber Streukapazität empfindlichen Widerständen für Rückkopplung/Verstärkung dieses stromrückgekoppelten Verstärkers verzichtet. Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit Bild 5 stellt die Frequenzgänge des Multiplexers/Verstärkers in den beiden Aufbauvarianten dar: • unter Anwendung der vorgestellten Regeln ohne Massefläche unter dem IC und in der Nähe der Ein- und Ausgangs-Pins sowie unter R f (feedback) und R g (gain) für geringste parasitäre Kapazität • unter Anwendung der vorgestellten Regeln, aber mit Massefläche auch unter dem IC und in Nähe der Ein- und Ausgangs-Pins sowie unter R f und R g Im zweiten Fall zeigt sich ein 1-dB-Peak vor dem Abfall der Verstärkung. Dies zeigt, wie wichtig es ist, die Massefläche im Bereich der Eingänge des Verstärker-ICs zu entfernen. Streukapazität an dieser Stelle kann erhebliche Nachteile bei Frequenzgang und Impulsverhalten bewirken. Dazu zeigt Bild 6 den Frequenzgang eines Highspeed-Verstärkers unter normalen Bedingungen und mit einem durch Streukapazität erheblich belasteten Eingangsbereich. Hier ist ein besonders nichtlineares Frequenzverhalten festzustellen. In Bild 7 sieht man das Impulsverhalten. Mit Streukapazität kommt es zu einem kräftigen Überschwingen bei steigender und fallender Flanke. Allgemeines zur Betriebsspannungs- Abblockung Jeder Betriebsspannungs-Pin muss sorgfältig abgeblockt werden. Die Abblockung bewirkt einen niederinduktiven Querpfad und erhöht dadurch signifikant die Stabilität und unterdrückt das von der Stromversorgung eingeschleppte Rauschen. Für die erste Aufgabe ist eine besonders induktionsarme kleine Kapazität, für die zweite Aufgabe eine Kapazität von gewisser Größe erforderlich (Bild 4). Ein einzelner Kondensator ist oft nur ein schlechter Kompromiss. In den Datenblättern findet man nähere Angaben zur Dimensionierung. Die Bild 4: Gegenkopplung mit R f und R g und Abblockung eines Verstärkers mit einfacher Versorgung 58 hf-praxis 12/2015

Design Bild 5: Die Frequenzgänge mit den beiden Layouts Bild 6: Frequenzgang bei korrekt gestalteter Massefläche und möglicher Frequenzgang bei Massefläche, welche gegen die Regeln verstößt Bild 7: Impulsverhalten bei korrekt gestalteter Massefläche und möglicher Frequenzgang bei Massefläche, welche gegen die Regeln verstößt Bild 8 + 9: Frequenzgang bei korrekt und unzureichend geblockter Betriebsspannung meisten Hersteller empfehlen einen 100-nF-Keramikkondensator und einen 6,8-μF-Tantal- Kondensator. Unverzichtbar ist der kleine Keramikkondensator. Er sollte nicht weiter als 0,1 inch vom Betriebsspannungs-Pin entfernt liegen, während beim 6,8-μF-Typ ein Abstand bis 0,75 inch zulässig ist. Die Nähe des kleinen Kondensators ist besonders wichtig. Bild 8 und 9 illustrieren das Thema am Beispiel eines nichtinvertierenden Single-Supply-Verstärkers. Diese Plots für Frequenzgang und Impulsverhalten sind durchaus typisch für übliche Highspeed-Verstärker bis 500 MHz Bandbreite. Gezeigt wird das normale Verhalten (beide Bypass-Kondensatoren vorschriftsmäßig angeschlossen) und das Verhalten bei Fehlen eines der beiden Kondensatoren sowie beim Nichtvorhandensein beider. Zusammenfassung Beim Design des Layouts für Highspeed-Verstärker-ICs sind folgende Grundregeln zu beachten: • Sehen Sie eine große Massefläche vor, aber machen Sie Aussparungen an Ein- und Ausgangs-Pins des ICs. • Verwenden Sie, wo immer es möglich ist, SMT-Bauteile. • Reduzieren Sie, soweit möglich, parasitäre Kapazität und Induktivität in Nähe der Einund Ausgangs-Anschlüsse der Platine. • Nehmen Sie eine sorgfältige Abblockung der Betriebsspannung aufgrund der Herstellerempfehlung vor. ◄ hf-praxis 12/2015 59