Overspraak is een van de meest verraderlijke en moeilijkst op te lossen problemen bij printplaten. Het ergste is dat het meestal pas in de eindfase van een project optreedt en vaak op een intermitterende of niet gemakkelijk reproduceerbare manier. Het is daarom voor elke elektronica-ontwerper van belang om alle mogelijke oorzaken die bepalend zijn voor het ontstaan van overspraak op een printplaat vroegtijdig te elimineren. Overspraak veroorzaakt ongewenste effecten op kloksignalen, periodieke en besturingssignalen, datatransmissielijnen en I/O's. Als gevolg van overspraak kunnen stroom- en spanningsniveaus de typische drempels van logische apparatuur overschrijden, waardoor ‘valse’ logische toestanden worden gegenereerd die de werking van veel schakelingen kunnen beïnvloeden. Overspraak kan ook een negatieve invloed hebben op analoge signalen door ongewenste ruis toe te voegen. In de volgende paragrafen zullen we meer in detail bekijken waaruit overspraak bestaat en hoe dit verschijnsel kan worden geanalyseerd en geëlimineerd, vooral als de schakeling gebruik maakt van hoogfrequente signalen.
Overspraak op printplaten
De term overspraak verwijst naar de ongewenste elektromagnetische koppeling die ontstaat tussen de sporen van een printplaat. Een te hoge spanning of stroom op een spoor kan ongewenste effecten veroorzaken op een ander spoor, zonder dat de twee sporen fysiek met elkaar in contact staan. Dit verschijnsel doet zich meestal voor op printplaten waarbij de sporen niet ver genoeg uit elkaar liggen. De verklaring van het verschijnsel is zeer eenvoudig. Een geleider die wordt gekruist door een stroom elektrische ladingen genereert altijd een elektromagnetisch veld van een bepaalde intensiteit. Door de snelheid (frequentie) van het signaal te verhogen, neemt de kans toe dat het koppeling induceert op een aangrenzend signaal. Er zijn meer bepaald twee soorten van koppeling: inductieve (of magnetische) koppeling en capacitieve (of elektrische) koppeling.
Wanneer een stroom door een geleider loopt, zoals een printspoor, wordt een magnetisch veld opgewekt. Wanneer dit veld een aangrenzend spoor bereikt, induceert het een elektromotorische kracht (spanning) volgens de tweede inductiewet van Faraday. Dit verschijnsel staat bekend als magnetische of inductieve koppeling en wordt een probleem wanneer de geïnduceerde spanning voldoende is om de integriteit van het signaal op hetzelfde spoor in gevaar te brengen.
Naast het magnetische veld kan de stroom die in een printspoor vloeit ook een elektrisch veld opwekken. Wanneer dit een aangrenzend spoor bereikt, wordt een capacitieve koppeling tot stand gebracht, met als gevolg een verslechtering van de signaalintegriteit. Dit verschijnsel wordt ook wel parasitaire capaciteit genoemd. Figuur 1 toont een oogdiagram, een van de meest gebruikte technieken om signaalintegriteit te meten.
Figuur 1: schermafbeelding van een oogdiagram
Naast aan elkaar grenzende sporen die op dezelfde laag zijn geplaatst, kan er ook overspraak optreden tussen parallelle sporen die tot aan elkaar grenzende lagen behoren. Dit effect, ook wel dwarskoppeling genoemd, treedt op wanneer de twee lagen worden gescheiden door een diëlektrisch materiaal van geringe dikte. Deze dikte kan zo gering zijn als 4 mil (0,1 mm), gewoonlijk minder dan de afstand tussen twee sporen die op dezelfde laag zijn geplaatst Zoals we zo dadelijk zullen zien, is een van de trucs om overspraak te elimineren, voldoende ruimte te laten tussen de sporen die hogesnelheidssignalen vervoeren. Een vuistregel is om tussen aan elkaar grenzende sporen een ruimte te laten die ten minste driemaal hun breedte bedraagt.
Technieken om overspraak te beperken
Overspraak kan niet volledig worden geëlimineerd, maar kan wel zodanig worden beperkt dat het geen betekenisvol effect meer heeft op de signaalintegriteit. Nadat we hebben gezien waaruit overspraak bestaat, kunnen we de belangrijkste technieken analyseren die gewoonlijk worden gebruikt bij het ontwerp van printplaten om dit risico te verkleinen.
-
Minimumbreedte tussen sporen
Bij het definiëren van de printplaatlayout is het mogelijk om in de gebruikte CAD-tool enkele regels in te stellen, zoals de minimumafstand tussen twee sporen en de minimumafstand tussen elk spoor en de op de printplaat aanwezige componenten. Het is ook mogelijk om verschillende afstandswaarden in te stellen voor een bepaalde netlijst of voor de zone waarin de netlijst zal worden gerouteerd. Softwaretoepassingen voor het ontwerpen van printplaten bevatten vaak functies waarmee het mogelijk is de breedte en afstand van differentiële signaalparen op te geven, of op welke printplaatlagen netlijsten kunnen worden gerouteerd en welke voorkeursrichtingen de sporen kunnen nemen. Online zijn er ook verschillende calculators die de mate van overspraak kunnen schatten voor microstrip- of striplijnsporen. De algemene regel waarmee rekening moet worden gehouden is dat de koppeling, zowel inductief als capacitief, afneemt naarmate de afstand tussen de sporen groter wordt.
2. Houd de sporen op aan elkaar grenzende lagen loodrecht
Printplaatlagen moeten zodanig worden geconfigureerd dat de signalen die aan elkaar grenzende lagen kruisen, richtingen hebben die loodrecht op elkaar staan, waarbij absoluut moet worden vermeden dat hun sporen parallel lopen. Men zegt ook wel dat als op de ene laag de sporen de richting "van noord naar zuid" volgen, op de laag ernaast de sporen de richting "van oost naar west" moeten volgen. Met deze eenvoudige voorzorgsmaatregel kunt u de effecten van dwarskoppeling tot een minimum beperken. Een grafische voorstelling van deze techniek is te zien in Figuur 2: links de te vermijden layout, rechts de toe te passen layout.
Figuur 2: Wissel de richting van sporen op aan elkaar grenzende lagen af
-
Gebruik aardingsvlakken
Het is een goed idee om tussen twee aan elkaar grenzende signaallagen een aardingsvlak (of anders een voedingsvlak) aan te brengen. Dit verkleint de kans op het optreden van dwarskoppelingen. Deze oplossing heeft het dubbele voordeel dat de afstand tussen de lagen wordt vergroot en dat een beter retourpad naar de aarding wordt geboden dat nodig is voor de signaallagen. In figuur 3 zien we een klassieke printplaat met vier lagen, verdeeld in twee signaallagen (extern), een binnenlaag voor het aardingsvlak (0V) en een binnenlaag voor de voeding.
Figuur 3: Voorbeeld van een meerlaagse printplaat (bron: Micron)
-
Gebruik het retourpad naar de aarding
Hoewel het misschien in tegenspraak lijkt met wat eerder is gezegd, bestaat een alternatieve techniek voor het beperken van overspraak juist uit het benutten van het parallellisme tussen de sporen, door het retourpad naar de aarding te koppelen aan het hoogfrequentiesignaal. Aangezien het retourpad naar de aarding dezelfde amplitude maar een tegengestelde richting heeft ten opzichte van het signaal, worden de effecten geëlimineerd met als gevolg een beperking van overspraak.
5.Gebruik differentiële signalen
Een andere manier om de signaalintegriteit te waarborgen en de door overspraak veroorzaakte effecten te minimaliseren, is het gebruik van differentiële signalen, d.w.z. twee signaallijnen met dezelfde amplitude maar een tegengestelde polariteit die één enkel hogesnelheidssignaal vormen. Aangezien het signaal bij ontvangst wordt verkregen als het verschil tussen de spanningen van de twee signaallijnen, en aangezien de elektromagnetische ruis beide lijnen in gelijke mate beïnvloedt, behoudt het signaal een hoge integriteit, zelfs bij aanwezigheid van aanzienlijke externe ruis. Het advies is om de grootst mogelijke afstand te bewaren tussen de differentiële signaalparen en de andere printplaatsporen. Een vuistregel is een afstand te kiezen die ten minste driemaal de breedte van het spoor bedraagt.
6. Verminder de breedte van parallelle sporen
In alle gevallen waarin het niet mogelijk is parallellisme tussen sporen te vermijden, moet ervoor worden gezorgd dat hun lengte zo kort mogelijk is, zodat de omvang van de koppeling wordt beperkt.
7. Isoleer hoogfrequente signalen van andere sporen
Hoogfrequente signalen, zoals klokken, moeten zo ver mogelijk worden weggeleid van sporen waarop andere signalen worden vervoerd. Zelfs in dit geval kan de vuistregel worden toegepast, waarbij een minimale afstand wordt gekozen gelijk aan driemaal de spoorbreedte.
8. Isoleer asynchrone signalen
Asynchrone signalen, zoals reset- of onderbrekingslijnen, moeten sporen gebruiken die zo ver mogelijk verwijderd zijn van hoogfrequente signalen. Heel vaak worden de asynchrone signalen dicht bij voedingslijnen geplaatst of dicht bij signalen die het in- en uitschakelen regelen, omdat dit signalen zijn die alleen in bepaalde fasen van de werking van de schakeling worden gebruikt en niet continu.
Conclusie
Overspraak kan zeer desastreuze gevolgen hebben voor de werking van een schakeling, vooral wanneer deze gebruik maakt van hoogfrequente signalen. De huidige trend op de elektronicamarkt is dat schakelingen steeds kleiner en sneller moeten worden, met als gevolg dat printplaatsporen steeds minder ruimte hebben en steeds dichter bij elkaar komen te liggen. Dit aspect, vooral wanneer de sporen parallel lopen, verhoogt de kans dat het elektromagnetische veld dat binnen één spoor wordt opgewekt, het signaal van het andere zal verstoren. Daarom is het belangrijk dat de ontwerper van printplaten de meest geschikte technieken toepast om de door overspraak veroorzaakte effecten te elimineren of tot een minimum te beperken.
