I. Bestimmung der Schleifenfläche auf Basis der Strahlung
Die Reflexionseigenschaften offener Übertragungsleitungen bestimmen die maximale Leitungslänge. Aufgrund verbindlicher Anforderungen an die elektromagnetische Strahlung von Produkten sind sowohl die Schleifenfläche als auch die Leitungslänge begrenzt. Bei Verwendung eines ungeschirmten Gehäuses werden diese Einschränkungen direkt durch die Leiterplatte umgesetzt.
- Hinweis: Bei der Verwendung von Reihenabschlusswiderständen in asynchronen Logikschaltungen muss die Quasistabilität berücksichtigt werden. Symmetrische Logikeingangsschaltungen können nicht feststellen, ob das Eingangssignal hoch oder niedrig ist, was unter Umständen zu undefinierten Ausgangszuständen führen kann.
Bei Logiksignalen im Frequenzbereich ist die spektrale Stromamplitude umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenz oberhalb der Bandbreite des Logiksignals (= 1/πτr). Ausgedrückt in Kreisfrequenz bleibt die abgestrahlte Impedanz der Schleife proportional zum Quadrat der Frequenz. Folglich lässt sich die maximale Schleifenfläche berechnen, die von der Takt- bzw. Wiederholrate, der Anstiegszeit bzw. Bandbreite des Logiksignals und der Stromamplitude im Zeitbereich abhängt. Die Stromwellenform wird durch die Spannungswellenform bestimmt, wobei die Stromhalbwertsbreite annähernd der Spannungsanstiegszeit entspricht.
Die Stromamplitude kann durch die Kreisfrequenz (=1/π·τ_r) ausgedrückt werden als:
I(f) = 2·I·τ_r/T
Wo:
I = Zeitbereichsstromamplitude;
T = Kehrwert der Taktfrequenz, d. h. die Periode;
τ_r = Spannungsanstiegszeit, annähernd gleich der Stromhalbwertszeit τ_H.
Diese Gleichung ermöglicht die Berechnung der maximalen Schleifenfläche für eine gegebene Logikschaltung bei einer bestimmten Taktfrequenz. Tabelle 5 zeigt die entsprechenden Schleifenflächen. Die maximale Schleifenfläche wird durch die Taktfrequenz, den Logikschaltungstyp (Ausgangsstrom) und die Anzahl n der gleichzeitig auf der Leiterplatte aktiven Schaltschleifen bestimmt.
Bei Taktraten über 30 MHz sind mehrlagige Leiterplatten erforderlich. Die Dicke der Epoxidschicht variiert in diesem Fall mit der Lagenanzahl und liegt zwischen 60 und 300 µm. Akzeptable Ergebnisse auf zweilagigen Leiterplatten lassen sich nur dann erzielen, wenn die Anzahl der Hochgeschwindigkeits-Taktsignale auf der Leiterplatte durch sorgfältiges Routing mittels Lage-zu-Lage-Leiterbahnen begrenzt ist.
Hinweis: In solchen Fällen können Standard-DIL-Gehäuse die zulässigen Schleifenflächen überschreiten, was zusätzliche Abschirmungsmaßnahmen und eine geeignete Filterung erforderlich macht.
Alle Verbindungen zu anderen Panels und Komponenten müssen so nah wie möglich beieinander liegen. Dadurch wird verhindert, dass Gleichtaktströme aus den Kabeln in die Leiterbahnen der Leiterplatte fließen und Spannungsabfälle zwischen Referenzpunkten auf der Leiterplatte durch Anregung von (Antennen-)Kabeln entstehen.
Um Gleichtaktstörungen zu vermeiden, muss die Referenzmasse in der Nähe des Steckers von der Massefläche, dem Massegitter oder der Schaltungsmasse auf der Leiterplatte isoliert sein. Diese Masseflächen sollten nach Möglichkeit mit dem Metallgehäuse des Produkts verbunden werden. Zwischen dieser Massefläche dürfen nur hochohmige Bauteile wie Induktivitäten, Widerstände, Reed-Relais und Optokoppler angeschlossen werden. Alle Stecker sollten so nah wie möglich beieinander platziert werden, um zu verhindern, dass externe Ströme über Leiterbahnen oder die Referenzmasse fließen.
II. Richtige Auswahl von Kabeln und Steckverbindern in Leiterplattendesign
Die Kabelauswahl richtet sich nach der Signalstärke und den Frequenzkomponenten, die durch das Kabel übertragen werden. Bei Kabeln außerhalb des Produkts ist eine Schirmung (gemäß den Produktanforderungen) zwingend erforderlich, wenn Datensignale mit Taktraten über 10 kHz übertragen werden. Die Schirmung muss an beiden Kabelenden (bei Produkten mit Metallgehäuse) geerdet sein, um eine Abschirmung gegen elektrische und magnetische Felder zu gewährleisten.
Bei Verwendung einer separaten Erdung schließen Sie die Verbindung an die “Steckverbinder-Erdung” und nicht an die “Schaltungs-Erdung” an.”
Bei Taktraten zwischen 10 kHz und 1 MHz kann durch die Einhaltung einer möglichst kurzen Anstiegszeit der Logikschaltung eine optische Abdeckung von über 80% oder eine Übertragungsimpedanz unter 10 nH/m erreicht werden. Für Taktraten über 1 MHz sind besser abgeschirmte Kabel erforderlich.
Generell sollte die Abschirmung von Kabeln, mit Ausnahme von Koaxialkabeln, nicht als Signalschleife verwendet werden.
Durch das Einfügen passiver Filter zwischen Signal-Ein-/Ausgängen und Masse-/Referenzpunkten zur Reduzierung von HF-Komponenten sind hochwertige Schirmungen und entsprechende Steckverbinder unter Umständen nicht erforderlich. Gut geschirmte Kabel sollten jedoch mit geeigneten Steckverbindern ausgestattet sein.
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