Die Leiterbahnführung auf der Leiterplatte hat einen erheblichen Einfluss auf deren elektromagnetische Verträglichkeit. Um den einwandfreien Betrieb der Schaltungen zu gewährleisten, sollte die Leiterbahnführung gemäß den in diesem Dokument beschriebenen Einschränkungen optimiert werden. Dies umfasst das Layout von Bauteilen/Steckverbindern sowie von Entkopplungsschaltungen für bestimmte integrierte Schaltungen (ICs).
I. Auswahl des Leiterplattenmaterials
Durch die gezielte Auswahl von Leiterplattenmaterialien und Leiterbahnführungen lassen sich Übertragungsleitungen mit geringer Kopplung zu anderen Leitungen realisieren. Ist der Abstand d zwischen den Leitern einer Übertragungsleitung kleiner als der Abstand zu benachbarten Leitern, kann eine geringere Kopplung bzw. ein reduziertes Übersprechen erreicht werden.
Vor der Konstruktion kann die wirtschaftlichste Leiterplattenform anhand der folgenden Kriterien ausgewählt werden:
EMV-Anforderungen
• Leiterplattendichte
• Montage- und Fertigungskapazitäten
• Fähigkeiten des CAD-Systems
• Designkosten
• Leiterplattenanzahl
• Kosten für elektromagnetische Abschirmung
Bei der Verwendung ungeschirmter Gehäusekonstruktionen ist besonderes Augenmerk auf die Gesamtkosten, die Bauteilanordnung, die Pinbelegung, den Leiterplattenformfaktor, die elektromagnetische Abschirmung sowie die Konstruktion und Montage zu legen. In vielen Fällen kann durch die Wahl eines geeigneten Leiterplattenformfaktors die Notwendigkeit eines zusätzlichen Metallabschirmungsgehäuses innerhalb des Kunststoffgehäuses entfallen.
Zur Verbesserung der Störfestigkeit von Hochgeschwindigkeits-Analogschaltungen und allen digitalen Anwendungen bei gleichzeitiger Reduzierung schädlicher Strahlung sind Übertragungsleitungstechniken erforderlich. Abhängig von der Ausgangssignalwandlung müssen Übertragungsleitungen zwischen S-VCC, S-VEE und VEE-VCC realisiert werden, wie in Abbildung 1 dargestellt.
Der Signalstrom wird durch die Symmetrie der Ausgangsstufe der Schaltung bestimmt. Bei MOS-Schaltungen gilt IOL = IOH, während bei TTL-Schaltungen IOL > IOH gilt.
Funktions-/Logiktyp ZO(Ω)
Netzteil (typisch) <<10
ECL-Logik 50
TTL-Logik 100
HC(T) Logik 200
II. Signalleitungen und Signalschleifen
Um die Abstrahlung aus dem umschlossenen Schleifenbereich zu verhindern und die magnetische Permeabilität der induzierten Spannung in der Schleife zu verringern, sollten die Signalleitungen so nah wie möglich an ihren Signalschleifen verlegt werden.
Typischerweise beträgt der Kopplungskoeffizient etwa 0,5 bis 0,6, wenn der Abstand zwischen zwei Leitungen der Leitungsbreite entspricht. Dadurch verringert sich die effektive Selbstinduktivität von 1 μH/m auf 0,4–0,5 μH/m.
Dies bedeutet, dass der Signalstrom von 40% nach 50% ungehindert zu anderen Leitungen auf der Leiterplatte fließen kann.
Beim Übergang von einem hohen zu einem niedrigen Pegel in TTL-Logikschaltungen übersteigt der Senkenstrom den Quellstrom. In solchen Fällen wird die Übertragungsleitung typischerweise zwischen Vcc und S definiert, anstatt zwischen VEE und S. Durch die Verwendung von Ferritringen lässt sich der Stromfluss sowohl in der Signalleitung als auch in der Signalrückleitung vollständig steuern.
Bei parallelen Leitern wird die charakteristische Impedanz der Übertragungsleitung durch das Ferrit beeinflusst. Bei Koaxialkabeln hingegen beeinflusst das Ferrit nur die äußeren Kabelparameter.
Daher sollten benachbarte Leiterbahnen so schmal wie möglich sein, während vertikal gestapelte Leiterbahnen das Gegenteil aufweisen sollten (typischerweise weniger als 1,5 mm Abstand bzw. die Dicke des Epoxidharzes auf einer Doppelschichtplatine). Beim Routing sollten Signalleiterbahnen und ihre Rückleitungen so nah wie möglich beieinander liegen (gilt sowohl für Signal- als auch für Versorgungsleitungen). Ist die Kopplung zwischen den Leitern unzureichend, können Ferritringe eingesetzt werden.
III. IC-Entkopplung
Die Entkopplung von integrierten Schaltungen (ICs) erfolgt typischerweise ausschließlich über Kondensatoren. Da Kondensatoren nicht perfekt sind, kann Resonanz auftreten. Oberhalb der Resonanzfrequenz verhalten sich Kondensatoren wie Induktivitäten und begrenzen die Stromänderungsrate (di/dt). Die Kondensatorwerte werden durch die zulässige Restwelligkeit der Versorgungsspannung zwischen den IC-Pins bestimmt. Erfahrungsgemäß sollte die Restwelligkeit weniger als 251πT des maximalen Rauschtoleranzwerts der Signalleitung betragen.
Bei schnellen Logikschaltungen kann die Kapazität des Entkopplungskondensators unwirksam werden, wenn dieser eine signifikante Serieninduktivität aufweist (bedingt durch seine Struktur, lange Zuleitungen oder Leiterbahnen auf der Leiterplatte). In solchen Fällen sollte ein zusätzlicher kleiner Keramikkondensator (100–100 pF) möglichst nahe am IC-Pin parallel zum “LF-”-Entkopplungskondensator geschaltet werden. Die Resonanzfrequenz des Keramikkondensators (einschließlich der Leiterbahnlänge zum IC-Versorgungsanschluss) sollte die Bandbreite der Logikschaltung [1/(π·τr)] überschreiten, wobei τr die Spannungsanstiegszeit in der Logikschaltung ist.
Wenn jeder IC über einen eigenen Entkopplungskondensator verfügt, können die Signalstromkreise den günstigsten Pfad – VEE oder VCC – wählen, der durch die gegenseitige Kopplung zwischen Signal- und Leistungsleitern bestimmt wird.
Zwischen den beiden Entkopplungskondensatoren (einer pro IC) und der Induktivität L<sub>trace</sub> der Stromversorgungsleitung bildet sich ein Serienschwingkreis. Diese Resonanz tritt nur bei niedrigen Frequenzen (<1 MHz) oder bei niedrigem Gütefaktor (<2) des Schwingkreises auf.
Durch die Reihenschaltung einer Drosselspule mit hohen HF-Verlusten zwischen dem Vcc-Netzwerk und dem zu entkoppelnden IC kann die Resonanzfrequenz unter 1 MHz gehalten werden. Sind die HF-Verluste zu gering, können sie durch parallel oder in Reihe geschaltete Widerstände kompensiert werden.
Die Drosselspule sollte immer einen geschlossenen Kern verwenden; andernfalls kann sie zu einem HF-Sender oder einem Magnetfeldsensor werden.
Beispiel: 1 MHz * 1 μHz Z1 = 6,28 Ω Rs = 3,14 Ω Q < 2 Rp = 12,56 Ω
Oberhalb der Resonanzfrequenz beträgt die charakteristische Impedanz Z0 der “Übertragungsleitung” (wobei die Impedanz des IC als Last der Stromversorgung behandelt wird): Z0 = √(Ltrace/Cdecoupling).
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