Design Grundregeln für
Design Grundregeln für die Ausarbeitung Layout von Mixed-Signal-Leiterplatten Bild 1: Aufteilung der Schaltungen in einen analogen und einen digitalen Abschnitt Autoren: May Anne Porley Kevin Chesser Analog Devices www.analog.com Hier geht es um die verschiedenen Aspekte, die beim Design des Layouts von Mixed-Signal-Leiterplatten zu beachten sind. Neben der Platzierung der Bauelemente werden die Planung des Lagenaufbaus und Überlegungen zu den Masseflächen angesprochen. Insgesamt ergeben die behandelten Richtlinien ein praxisgerechtes Konzept für das Layout von Mixed-Signal- Leiterplatten, das für Entwickler mit unterschiedlichsten Vorkenntnissen hilfreich sein dürfte. Einführung Voraussetzung für das Design einer Mixed-Signal-Leiterplatte ist ein grundlegendes Verständnis der analogen und digitalen Schaltungen, damit etwaige Störbeeinflussungen unterbunden oder zumindest minimiert werden können. Da moderne Systeme meist Bauteile enthalten, die sowohl im analogen als auch im digitalen Bereich arbeiten, ist beim Design große Sorgfalt geboten, damit die Signalintegrität im gesamten System gewahrt werden kann. Das Leiterplatten-Layout, das einen wichtigen Bestandteil der Entwicklung eines Mixed-Signal- Systems darstellt, kann eine höchst anspruchsvolle Aufgabe sein, die sich keineswegs nur auf das Platzieren der Bauelemente beschränkt. Vielmehr gilt es eine Vielzahl weiterer Faktoren zu beachten. Dazu zählen u.a. die verschiedenen Lagen der Leiterplatte und deren korrektes Management, um damit Interferenzen infolge ungewollter parasitärer Kapazitäten, die sich ungewollt zwischen den verschiedenen Lagen bilden können, zu minimieren. Einen integralen Prozess beim Design des Leiterplatten-Layouts für ein Mixed-Signal-System stellt auch das Massekonzept dar. Um dieses Thema drehen sich in der Industrie zahlreiche Diskussionen, und die Definition einer standardisierten Herangehensweise muss nicht immer ganz einfach sein. Tatsächlich kann bereits ein einziges Problem bei der Qualität der Masse verbindung das gesamte Layout einer leistungsfähigen Mixed- Signal-Leiterplatte beeinträchtigen. Dieser Aspekt darf deshalb keineswegs unbeachtet bleiben. Platzierung der Bauelemente Ähnlich wie beim Bau eines Hauses, ist es auch bei einer Leiterplatte entscheidend, zunächst eine Art Grundriss des Systems (Floor- Plan) zu entwerfen, bevor die Bauteile der Schaltung platziert werden. Dieser Arbeitsgang legt die allgemeine Integrität des System- Designs fest und sollte helfen, Störbeeinflussungen zu vermeiden. Bei der Ausarbeitung des Floor- Plans ist es insbesondere bei Schaltungen mit hohen Signalfrequenzen ratsam, dem Signalpfad im Schaltplan zu folgen. Die physische Platzierung eines Bauteils ist ebenfalls ein kritischer Aspekt des Designs. Die wichtigsten Funktionsabschnitte und Signale sowie die Verbindungen zwischen den einzelnen Abschnitten sollten identifiziert werden, um die bestgeeignete Position der einzelnen Bauelemente des Systems zu bestimmen. Steckverbinder etwa werden am besten an den Rändern der Leiterplatte angeordnet, während Hilfsbauelemente wie etwa Entkopplungskondensatoren und Quarze so nah wie möglich am jeweiligen Mixed-Signal-Baustein platziert werden sollten. Aufteilung in analoge und digitale Blöcke Damit analoge und digitale Signale möglichst wenig gemeinsame Rücklaufwege nutzen, sollte eine Separierung der analogen und digitalen Schaltungsteile erwogen werden. Ein Beispiel für eine der- Über die Autoren May Anne Porley ist als Applications Engineer in der Automated Test Equipment (ATE) Group bei Analog Devices auf den Philippinen tätig. Sie kam 2012 zu ADI und arbeitet im Applikations-Support für Switches, Multi plexer, Pegelumsetzer und ungepufferte Crosspoint Switches. May Anne Porley absolvierte ein Elektrotechnik-Studium an der De La Salle University in Dasmariñas (Philippinen) mit einem Bachelor-Diplom. Kevin Chesser arbeitet als Product Application Engineer bei der SMX Group von ADI in Limerick (Irland). Die Elektronik ist ebenso seine Leidenschaft wie die Lösung praktischer Probleme mit technischen Mitteln. Chesser ist im Kunden-Support tätig und befasst sich schwerpunktmäßig mit den Switches und Multi plexern der ADG7xx- Familie. 44 1/2023
Design Bild 2: Beispiel einer Entkopplungstechnik für Stromversorgungs-Pins artige Separierung ist in Bild 1 zu sehen. Bei einer derartigen Aufteilung sind einige Dinge zu beachten: 1. Es ist sinnvoll, empfindliche analoge Bauteile, wie etwa Verstärker oder Spannungsreferenzen, im analogen Teil zu platzieren. Digitale Bauteile mit einem hohen Aufkommen an Störaussendungen, wie zum Beispiel Logik- oder Timing- Schaltungen, gehören dagegen in den digitalen Abschnitt. 2. Wenn ein System einen A/D- Wandler (ADC) oder einen D/A- Wandler (DAC) mit niedrigen digitalen Strömen enthält, können diese wie analoge Bauteile behandelt und im analogen Teil platziert werden. 3. In Designs, in denen mehr als nur ein ADC oder DAC mit hohen Strömen vorkommt, ist es sinnvoll, die analoge und die digitale Stromversorgung zu trennen. AVCC sollte also mit dem analogen Teil verbunden werden, DVDD dagegen mit dem digitalen Abschnitt. 4. Mikroprozessoren und Mikrocontroller benötigen unter Umständen viel Platz und erzeugen Wärme. Sie sollten deshalb im Interesse einer besseren Entwärmung in der Mitte der Leiterplatte angeordnet werden, gleichzeitig aber nicht weit von ihren zugehörigen Schaltungsblöcken entfernt sein. Der Stromversorgungsblock Als wichtiger Bestandteil der Schaltung sollte die Stromversorgung entsprechend vorrangig behandelt werden. Grundsätzlich gilt die 1/2023 Faustregel, dass der Stromversorgungsblock einerseits vom Rest der Schaltung isoliert werden sollte, andererseits aber möglichst nah an den versorgten Bauelementen zu platzieren ist. Komplexe Systeme mit Bausteinen, die mehrere Stromversorgungs- Pins aufweisen, können separate Stromversorgungen für die analogen und digitalen Abschnitte benutzen, um von den digitalen Schaltungen ausgehende Störbeeinflussungen zu vermeiden. Andererseits sollte das Routing der Stromversorgung möglichst kurz und direkt sowie mit breiten Leiterbahnen ausgeführt sein, um Induktivitäten zu reduzieren und eine Limitierung der Stromstärke zu vermeiden. Entkopplungstechniken Die Betriebsspannungs-Unterdrückung (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) gehört zu den wichtigen Parametern, die beim Design im Auge behalten werden müssen, wenn die angestrebte System-Performance erreicht werden soll. Der PSRR-Wert ist ein Maß dafür, wie empfindlich ein Bauelement auf Änderungen der Versorgungsspannung reagiert und letztendlich wird die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Gerätes von diesem Wert bestimmt. Um für einen optimalen PSRR- Wert zu sorgen, kommt es darauf an, hochfrequente Störgrößen von dem jeweiligen Bauelement fernzuhalten. Dies lässt sich erreichen, indem man die Stromversorgung des Bausteins mithilfe einer Kombination aus Elektrolyt- und Keramikkondensatoren zur niederohmigen Masse hin entkoppelt. Das gesamte Konzept der korrekten Entkopplung dreht sich darum, eine störungsarme Umgebung herzustellen, in der die fragliche Schaltung korrekt arbeiten kann. Der oberste Grundsatz lautet dabei, dem Strom einen einfachen, d.h. möglichst kurzen Rückweg anzubieten. Beim Design muss man sich stets damit auseinandersetzen, welche Empfehlungen für das jeweilige Bauelement bezüglich der Hochfrequenzfilterung gegeben werden. Praktische Checkliste Die folgende Checkliste soll vor diesem Hintergrund als Richtschnur Bild 3: Beispiel einer vierlagigen Leiterplatte dienen, indem sie allgemeine Entkopplungstechniken und ihre korrekte Umsetzung benennt: 1. Während Elektrolytkondensatoren als Ladungsreservoir für Stromspitzen fungieren, um niederfrequente Störgrößen auf den Versorgungen zu minimieren, dämmen Keramikkondensatoren mit geringer Induktivität die hochfrequenten Störgrößen ein. Optional können zusätzlich Ferritperlen eingesetzt werden, die für eine zusätzliche Isolation und Entkopplung hochfrequenter Störgrößen sorgen. 2. Entkopplungskondensatoren sind stets möglichst nah an den Stromversorgungs-Anschlüssen der jeweiligen Bauelemente zu platzieren. Um zusätzliche Serieninduktivitäten zu vermeiden, sollten diese Kondensatoren über ein Via oder eine kurze Leiterbahn mit einer nieder ohmigen, großen Massefläche verbunden sein. 3. Der kleinere Kondensator mit typisch 0,01 bis 0,1 µF sollte so nah wie es geometrisch irgendwie möglich ist an den Stromversorgungs- Pins des Bauelements platziert werden. Diese Anordnung vermeidet etwaige Instabilitäten, wenn der jeweilige Baustein mehrere gleichzeitig schaltende Ausgänge aufweist. Der Elektrolytkondensator mit typisch 10 bis 100 µF sollte dagegen höchstens 2,5 cm vom Stromversorgungs-Pin des Bausteins entfernt platziert werden. 4. Im Interesse einer einfacheren Implementierung können die Entkopplungskondensatoren mit einer T-Verbindung und mit Vias in der Nähe des GND-Pins des Bau- 45
