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4-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Praxis Bild 21: Board

Praxis Bild 21: Board mit analogem und digitalem Teil und festen Anschlusspunkten Bild 22: Senkrechter Schnitt zur Abtrennung des analogen Signalteils Bild 23: Senkrechter Schnitt zur Abtrennung des gesamten Analogteils logen und den digitalen Teilen verhindern. Dieser Schnitt ließe sich nach rechts an den Rand der Platine erweitern. Jedoch würden dann die Schnittstellensignale zwischen dem Digital- und dem Analogteil an diesem Schnitt entlang laufen. Dies würde bedeuten, dass sie eine lange, indirekte Strecke zurücklegen müssen, was ziemlich unpraktisch sein könnte, besonders wenn es viele Signale gibt oder wenn sie besonders schnell sind. Eine andere Lösungsmöglichkeit wäre ein senkrechter Schnitt zwischen den analogen Schaltkreisen und den analogen Spannungsreglern. Dies würde den digitalen Versorgungsstrom dazu zwingen, von den analogen Schaltkreisen weg zu fließen. Dies würde aber auch verlangen, den analogen Versorgungsstrom um den Schnitt herum zu führen. Bild 22 zeigt, wie dies aussehen würde. Der Weg des geringsten Widerstands von den digitalen Schaltkreisen zum Anschlusspunkt der Versorgung ist jetzt keine gerade Strecke mehr, sondern ein Pfad, der über dem Schnitt verläuft und die analogen Schaltkreise in ihrem gesamten Umfang auf diese Art umgeht. Es könnte sein, dass diese Anordnung im Ergebnis adäquat zur vorigen ist. Jedoch kann es auch hinderlich sein, wenn es mehrere analoge Versorgungsanschlüsse gibt. Manchmal sind die Spannungsregler stör- und rauschempfindlich. Bild 23 zeigt hierfür eine andere Anordnung. Das Konzept ist das gleiche wie vorhin, nur die analogen Spannungsregler befinden sich auf derselben Seite des Schnitts wie die analogen Schaltkreise. Einfache analoge Spannungsregler sind mehr oder weniger selbst Produzenten von Rauschen oder empfindlich auf von der Rohspannung stammendes Rauschen. Diese der Versorgungsspannung überlagerte Rauschspannung kann dann die analogen Schaltkreise stören. Durch Filter oder rauscharme lineare Regler für die analogen Schaltkreise kann man das 20 hf-praxis 4/2015

Praxis Problem lösen. Flankierend sollte man entscheiden, wohin die rauschenden Regler gestellt werden. um möglichst wenig zu stören. Hierbei muss man immer daran denken, wohin die Ströme fließen. Eine andere Problematik, auf welche Entwickler zunehmend stoßen, ist die Integrität von hochfrequenten Signalen. Bei Frequenzen im GHz-Bereich findet Nebensprechen zwischen Leiterbahnen statt, wenn sie nah und parallel zueinander verlaufen. Dies macht die Entwicklung komplizierter. Wie bereits in der Simulation für 1 MHz dargestellt und allgemein berechnet, sind die von den Rückkehrströmen genutzten Bereiche direkt unter den Signalleitungen viel breiter als diese. Es ist leicht einzusehen, dass bei nahen parallelen Leitungen dann die Rückkehrströme gemeinsame Bereiche nutzen. Je näher die Leitungen elektrisch (bezüglich der Wellenlänge der Signale) zueinander liegen, also praktisch je höher die Frequenzen, umso wahrscheinlicher ist es, dass sich zwei Signale gegenseitig korrumpieren. Fazit: Beachten Sie den Stromfluss! Viele Probleme beim PCD-Entwurf mit gemischten ICs können durch das Befolgen einfacher Regeln vermieden werden. Die wichtigste: Achten Sie darauf, wo(hin) der Strom unterhalb der Platine fließt. Für die meisten Fälle genügt es, sich an zwei Grundprinzipien zu erinnern: 1. Gleichstrom und niederfrequenter Strom fließt hauptsächlich im geradlinigen Pfad mit dem geringsten Widerstand zwischen Quelle und Belastung. 2. Hochfrequente Signale folgen dem homogenen Pfad direkt unter der Signalspur, da dieser die schädliche Wirkung der parasitären Induktivitäten und Kapazitäten vermeidet. Signale mit mittleren Frequenzen fließen in beiden Pfaden und zwischen diesen.Schnitte zur Vermeidung von Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Stromkreisen sind unnötig, solange man die Komponenten richtig platziert und die Leiterbahnen klug verlegt. Es geht darum Überkreuzungen und gemeinsame Verläufe zu verhindern. Nur manchmal wird ein ebener Schnitt gebraucht, und zwar immer dann, wenn der Entwickler nicht frei über die Lage der Komponenten entscheiden kann. Doch auch dieser Schnitt mus dann mit Überlegung definiert werden mit Blick auf den damit erzwungenen Stromfluss. Keine Leitung oberhalb der Platine sollte einen Schnitt überqueren. Behalten Sie also im Auge, wohin die Elektronen fließen wollen, und Sie machen Ihren Job leicht und gut! Erinnern Sie sich daran, dass Sie dem Stromfluss oberhalb der Platine immer vertrauen können, während der Stromfluss im Massebereich genauerer Überlegung bedarf. Bleibt schließlich anzumerken, dass die Herleitung der Strategie der richtigen PCB-Gestaltung einen gewissen Umfang verlangt, während die Strategie selbst eigentlich recht simpel und gut realisierbar ist. Quellen Ott, Henry W.: Electromagnetic Compatibility Engineering, John Wiley und Söhne, Hoboken, NJ, 2009, S. 392, 393 Archambeault, Bruce: IEEE EMC Society Newsletter, Fall 2008, Ausgabe 219, Teil II: Resistive vs. Inductive Return Current Paths, S. 81-83 Brokaw, Paul: An IC Amplifier User´s Guide to Decoupling, Grounding, and Masking Things Go Right for an Change, Analog Devices Application Note AN-202 Application Note 4636, Avoid PC-Layout `Gotchas`in ISM- RF Products Johnson, Howard W., Ph. D. und Graham, Martin, Ph. D.: High- Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ, 1993 ◄ NI (formerly AWR), der Innovations führer bei Hochfrequenz-EDA-Software, liefert Software, welche die Entwicklung von High-Tech-Produkten beschleunigt. Mit NI AWR Software als Ihre Hochfrequenz-Design- Plattform können Sie neuartige, preiswerte HF und RF Produkte schneller und zuverlässiger entwickeln. Finden Sie heraus, was NI AWR Software für Sie tun kann: ■ Microwave Office für die Entwicklung von MMICs, Modulen und HF -Leiterplatten. ■ Visual System Simulator für die Konzeptionierung von Kommunikationsarchitekturen. ■ Analog Office für das Design von RFICs. ■ AXIEM für 3D-Planar-Elektromagnetik-Analyse. ■ Analyst für 3D-FEM-Elektromagnetik-Analyse. NI Germany | AWR Group | Olivier Pelhâtre | Tel: +49 170 916 4110 ©2014 National Instruments. All rights reserved. Analog Office, AXIEM, AWR, Microwave Office, National Instruments, NI, and ni.com are trademarks of National Instruments. Other product and company names listed are trademarks or trade names of their respective companies. hf-praxis 4/2015 21

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