Inleiding
De elektronische schakelingen van de laatste generatie stellen steeds hogere eisen, zoals miniaturisatie, gebruik van hoogfrequente signalen, hoge componentdichtheid en steeds complexere functionaliteiten. Het ontwerp van de printplaat, die het basiselement vormt van elke elektronische schakeling, is dus geëvolueerd om steeds complexere toepassingen te beheren, met signalen waarvan de frequentie voortdurend toeneemt. In deze context speelt impedantiecontrole een relevante rol, een fundamentele bewerking om de integriteit van het signaal te garanderen, d.w.z. de correcte voortplanting van het signaal zonder vervormingen in elke bedrijfstoestand van de schakeling.
Naarmate de frequentie toeneemt, gedragen printsporen zich als transmissielijnen, met een precieze impedantiewaarde op elk punt van het spoor. Indien de impedantie, in plaats van constant te blijven, varieert van punt tot punt, wordt een reflectie van het signaal opgewekt. Het gereflecteerde signaal, dat zich in de tegenovergestelde richting van het oorspronkelijke signaal verplaatst, is strikt afhankelijk van het verschil tussen de impedantiewaarden. Daarom moet de impedantiewaarde zo constant mogelijk worden gehouden, wat weer afhangt van de breedte van het spoor, de dikte van het spoor, de diëlektrische constante van het voor het substraat gebruikte materiaal (Ɛr), de dikte van het substraat en de lay-out van de sporen op de printplaat. Gangbare impedantiewaarden liggen tussen 25 en 120 Ω.
Impedantiemeting
Om het ontwerp van een printplaat te valideren en op praktisch niveau de impedantiewaarde langs de transmissielijnen te verifiëren, wordt meestal de TDR-meettechniek (Time Domain Reflectometry) gebruikt. Wanneer een signaal langs een transmissielijn reist, is er in theorie geen reflectie naar de bron en bereikt alle energie van het signaal zijn bestemming. Daartoe is het noodzakelijk dat de impedantie op elk punt van de transmissielijn en de impedantie van de eindlijn gelijk zijn aan de uitgangsimpedantie van de signaalbron. Indien de impedantie echter niet constant wordt gehouden, zal een deel van het signaal onvermijdelijk worden gereflecteerd.
TDR is een techniek die het impedantieprofiel van een te testen apparaat (DUT) meet en is gebaseerd op het gebruik van een pulsgenerator en een oscilloscoop (figuur 1). Een zeer snelle puls wordt naar het DUT gezonden: als er een discontinuïteit in de impedantie is, zal een deel van deze puls worden gereflecteerd naar de oscilloscoop, die als monitoringsysteem wordt gebruikt. Het punt langs de transmissielijn waar de discontinuïteit zich voordeed, kan dan worden bepaald door de tijd te meten die het gereflecteerde signaal nodig heeft om terug te keren naar de oscilloscoop, bekend als de voortplantingssnelheid van het signaal langs de transmissielijn. Ten slotte kan de amplitude van de discontinuïteit (en dus het verschil in impedantie) worden bepaald door de amplitude van de gereflecteerde puls te vergelijken met die van de oorspronkelijke puls die naar de DUT is gezonden. Aangezien de uitgezonden puls breedbandig is, levert de TDR-techniek nuttige informatie op over de mogelijke impedantievariaties langs een breed spectrum van frequenties.
Regel 1 – Microstrip en striplijn: met welke parameters moet rekening worden gehouden?
Microstripsporen, die worden gebruikt op de buitenste lagen van de printplaat, bieden een hoge karakteristieke impedantie, die afhangt van de diëlektrische constante en de dikte van het isolatiemateriaal, alsook van de breedte en dikte van het spoor. De diëlektrische constante van het isolatiemateriaal moet worden bepaald op basis van de bedrijfsfrequentie van de schakeling. Aangezien de signaaloverdrachtssnelheid afneemt naarmate de diëlektrische constante toeneemt, moet de waarde ervan zo laag mogelijk worden gehouden in geval van bedrijf met signalen met een hoge frequentie (1 GHz of hoger). Na de diëlektrische constante zijn de andere parameters waarmee rekening moet worden gehouden de breedte en dikte van de sporen. Deze factoren hebben een grote invloed op de impedantiewaarde en moeten daarom in het ontwerpstadium ook worden gekozen om aan deze eis te voldoen, naast die van maximale stroom en maximale temperatuurvariatie. De dikte van het isolatiemateriaal is een ander cruciaal element dat bijdraagt tot de bepaling van de karakteristieke impedantie. Een toename van de laminaatdikte met slechts 0,025 mm kan immers resulteren in een impedantievariatie tussen 5 en 8 Ω. Tijdens de productie van de printplaat is het dus mogelijk de dikte van het laminaat zodanig aan te passen dat de gewenste impedantiewaarde wordt verkregen, bij gelijkblijvende waarde van de andere parameters. Microstrips zijn een soort transmissielijn die veel wordt gebruikt in hoogfrequente schakelingen, zoals antennes, filters, koppelingen en vermogensverdelers. Aangezien zelfs een kleine variatie in de breedte of dikte van het spoor, in de diëlektrische constante of in de dikte van het isolatiemateriaal tot een aanzienlijke variatie in impedantie kan leiden, wordt het van essentieel belang om, zowel in de ontwerpfase als tijdens de productie, een directe controle over deze parameters te houden om de verwachte impedantiewaarden te garanderen.
Striplijnen, in de jaren vijftig uitgevonden door M. Barrett in het Cambridge Research Center van de luchtmacht, vormen de eerste soort vlakke transmissielijn. Een striplijn, rechts te zien in figuur 2, bestaat uit een vlakke strip metaal ingesloten tussen twee parallelle aardingsvlakken, terwijl het isolerende materiaal van het substraat een diëlektricum vormt. De breedte van de geleidende strip, de dikte van het substraat en de relatieve elektrische permittiviteit van het materiaal bepalen de karakteristieke impedantie van de striplijn. Merk op dat de centrale geleider zich niet noodzakelijkerwijs op gelijke afstand van de aardingsvlakken hoeft te bevinden en dat de eigenschappen van het diëlektrische materiaal boven en onder de geleidende strip verschillend kunnen zijn.
De impedantiewaarden, zowel voor microstrips als voor striplijnen, kunnen met een goede benaderingsmarge worden berekend met behulp van een van de vele online beschikbare hulpmiddelen, of met speciale softwaretoepassingen die op uw pc moeten worden geïnstalleerd.
Figuur 2: microstrip- en striplijntransmissielijnen
Regel 2 – Selecteer de signalen
In het algemeen is het een goede regel dat ontwerpers van printplaten uitdrukkelijk aangeven voor welke signalen impedantiecontrole nodig is. Het gegevensblad van de component is hierbij van fundamenteel belang, omdat daarin meestal gedetailleerde informatie wordt gegeven over elke signaalklasse en over de bijbehorende impedantiewaarden. Heel vaak wordt ook aangegeven op welke laag de afzonderlijke signalen het best kunnen worden gerouteerd en welke afstandsregels tussen de sporen moeten worden gehanteerd. Voorbeelden van signalen waarvoor het van fundamenteel belang is deze regel te volgen zijn de klok- of datalijnen van DDR-geheugens, audio- en videosignalen (zoals de HDMI-interface), gigabit-ethernetsignalen of radiofrequentiesignalen (RF).
Het is bijgevolg belangrijk dat de ontwerper specificeert
- welke signalen impedantiecontrole vereisen
- of de signalen behoren tot differentiële paren (waarvan de typische impedantiewaarden 100Ω, 90Ω, of 85Ω zijn) of dat het eenzijdige signalen zijn (waarvan de typische impedantiewaarden 40Ω, 50Ω, 55Ω, 60Ω, of 75Ω zijn).
Regel 3 – Houd de sporen voldoende gescheiden
Het is van fundamenteel belang dat de sporen met gecontroleerde impedantie voldoende van elkaar liggen, evenals de andere sporen en de diverse componenten die op de printplaat zijn aangebracht. Een zeer gebruikelijke, maar ook doeltreffende vuistregel is een minimumafstand van "2W" (nog beter, een afstand van "3W"), waarbij "W" staat voor de breedte van het spoor dat aan impedantiecontrole wordt onderworpen.
Om de overspraak te verminderen, of zo mogelijk te elimineren, moet de afstand tussen de sporen ook in dit geval de "3W"- of "2W"-regel volgen. Opgemerkt moet worden dat dit verschijnsel vooral microstriptransmissielijnen treft, terwijl striplijnen (die in isolerend materiaal zitten) minder onderhevig zijn aan dit verschijnsel.
In het geval van hoogfrequente signalen moet de minimumafstand worden verhoogd tot "5W", waarbij een minimumafstand van 0,75 mm tot elk ander type signaal moet worden aangehouden. In het geval van periodieke signalen (zoals klokken) moet deze afstand worden verhoogd tot 1,25 mm om een betere isolatie te bereiken.
Regel 4 – Beperk het gebruik van via’s en ontkoppelcondensatoren
Componenten en via-gaten mogen nooit tussen paren differentiële signalen worden geplaatst, zelfs niet als de signalen er symmetrisch omheen worden geleid. Componenten en via-gaten creëren namelijk discontinuïteiten in de impedantiewaarde, wat leidt tot mogelijke signaalintegriteitsproblemen.
Als er op de printplaat paren differentiële hogesnelheidssignalen zijn met seriële koppelcondensatoren, dan moeten deze symmetrisch worden geplaatst. Aangezien condensatoren discontinuïteiten in de impedantiewaarde creëren, vermindert symmetrische plaatsing de omvang van de signaalonderbreking.
Regel 5 – Stem de spoorlengte af
In de hypothese dat de voortplantingssnelheid van het signaal constant blijft op alle sporen, kan door het uitbalanceren van de lengte van de sporen vermeden worden dat er een voortplantingsvertraging ontstaat tussen verschillende signalen. Dit is typisch het geval voor groepen signalen die samen met een hoge snelheid reizen en waarvan wordt verwacht dat zij hun bestemming tegelijkertijd (of binnen een kleine tolerantie) bereiken. Een voorbeeld hiervan zijn de datalijnen van een DDR-geheugen.
Hetzelfde geldt voor de lengte van de sporen die behoren bij een paar differentiële signalen. Indien de lengte niet uitgebalanceerd wordt, zal er een onaanvaardbare vertraging optreden tussen de positieve en negatieve signalen. In de praktijk worden verschillende technieken gebruikt om een uitlijning van de lengte te verkrijgen, waarvan de meest gebruikelijke is om serpentijn in de kortere sporen aan te brengen om hun lengte ten opzichte van de andere te compenseren (zie figuur 3). De geometrie van de serpentijnsporen moet zorgvuldig worden gekozen om de impedantiediscontinuïteit te verminderen.
Figuur 3: Inbrenging van serpentijn in de kortere sporen (Bron: Altium)
