Hints voor printplaatontwerp met hoge snelheid

De afgelopen jaren zijn we getuige geweest van een voortdurende opwaartse evolutie van elektronische apparatuur, steeds rijker aan nieuwe mogelijkheden, snel en met uiterst compacte afmetingen. Elektronische apparaten van de vorige generaties gebruikten besturings-, data- en kloksignalen met lagere frequenties, hogere piek-tot-piek amplitudes en betere marges van ongevoeligheid voor ruis - met andere woorden, zij waren gemakkelijker te ontwerpen. Aspecten die tegenwoordig van primair belang zijn, zoals impedantieregeling, lijnafsluitingen, crosstalk en signaalintegriteit, werden minder benadrukt. Vandaag moet elke hardware-ontwerper rekening houden met de aspecten die verband houden met signalen met hoge frequentie, vanaf de eerste ontwikkeling van de printplaat. Een printplaat voor signalen met hoge frequenties heeft immers een hoge dichtheid van sterk geïntegreerde componenten, waardoor het verplicht is om meerlagige printplaten te gebruiken die kruisinterferentie tussen signalen en parasitaire inducties kunnen beperken, alsook de aardverbindingen kunnen verbeteren.

Printplaat met hoge snelheid

Niet alle printplaten die met digitale signalen werken moeten noodzakelijkerwijs als printplaten met hoge snelheid worden beschouwd. In vele gevallen volstaat het immers de standaardregels en -conventies te volgen met betrekking tot de layout-definitie: positionering en volgorde van de elektronische componenten, definitie van signaallagen, voedings- en massavlakken, toevoeging van de nodige via's, en manuele of automatische routing van de tracks. Een printplaat voor signalen met hoge frequentie vereist daarentegen een nauwkeurig en specifiek ontwerp, dat de signaalintegriteit in alle bedrijfsomstandigheden kan garanderen. Dit is een van de redenen waarom fabrikanten van componenten met hoge dichtheid en hoge frequentie (FPGA's, GPU's, SoC's, en RF-modules) zelf de productevaluatieprintplaat ontwerpen en leveren. In het algemeen kan een printplaat als "High Speed" worden beschouwd wanneer het schakelen van signalen gebeurt met frequenties in de orde van megahertz of gigahertz. In deze gevallen is het noodzakelijk specifieke regels voor printplaatontwerp vast te stellen, die worden toegevoegd aan de basisregels, die voor alle soorten printplaten gelden:

• de door het stroomdistributienet gegenereerde ruis onder controle houden (vooral in het geval van schakelende voedingen);
• crosstalk-verschijnselen tussen aangrenzende printbanen verminderen. Wanneer de signaalfrequentie hoog is, kunnen gemakkelijk capacitieve crosstalk-verschijnselen ontstaan omdat de geïnduceerde stromen een capacitieve impedantie hebben;
• de effecten verminderen die worden veroorzaakt door het stuiteren van de aardreferentie (massakaatsing). Deze effecten, die rechtstreeks verband houden met de signaalintegriteit, worden verminderd door de printplaat op de juiste wijze te stapelen en de verschillende delen van de printplaat te ontkoppelen (b.v. scheiding tussen logische en analoge gebieden);
• streven naar de best mogelijke impedantieovereenstemming
• eliminatie van transiënt rinkelen, vaak veroorzaakt door te smalle sporen
• voorzien in de juiste afsluiting voor elke signaallijn. Dit aspect, samen met de controle van de ingangs-, belastings- en transmissie-impedanties, maakt het mogelijk de signaalreflectie te elimineren;
• hoge mate van ongevoeligheid voor elektromagnetische interferentie (EMI), zowel geleid als uitgestraald.

Ontwerprichtlijnen

Een eerste ontwerpaspect dat in acht moet worden genomen is de impedantieregeling. De kritische stijgtijd van een printplaat met hoge frequentie, in de orde van enkele nanoseconden, vertegenwoordigt de minimale schakeltijd waaronder geen enkel op de printplaat aanwezig signaal kan dalen. Deze tijd is afhankelijk van het impedantieverschil dat bestaat tussen de uiteinden van elke printbaan, hoe hoger hoe langer de printbaan is. Als de printbanen niet erg kort zijn, moet voor elke printbaan tijdens de routing een impedantieaanpassing worden uitgevoerd, om signaalreflecties te elimineren. In elk geval is het noodzakelijk, zelfs voor korte sporen, de signaalintegriteit te bewaren, een doelstelling die kan worden bereikt door een passende beëindiging van de lijnen en een correcte definitie van de opeenstapeling. Er zijn twee hoofdafsluitingstechnieken: bronafsluiting en eindafsluiting. Zoals in figuur 1 is aangegeven, is bronafsluiting gebaseerd op de aansluiting van een weerstand in serie op de transmissielijn, die zo dicht mogelijk bij de bron wordt geplaatst. De waarde R_S van de afsluitende serieweerstand moet voldoen aan de voorwaarde: R_D + R_S = Z₀, waarbij R_D de uitgangsimpedantie van de lijn is en Z₀ de impedantie van de transmissielijn. Deze techniek elimineert reflecties, aangezien de gereflecteerde golf op de terugweg naar de bron wordt geabsorbeerd. Eindafsluiting gebruikt daarentegen een weerstand in een pull-up of pull-down configuratie die op het eindpunt van de transmissielijn wordt geplaatst. De weerstandswaarde moet overeenkomen met die van de transmissielijn.

Figuur 1: de twee methoden voor signaalafsluiting

Zeer belangrijk is de materiaalkeuze en de definitie van de printplaatstapeling. In het algemeen kan een goedkoop en algemeen aanvaard substraatmateriaal als FR-4 worden gebruikt voor frequenties onder één gigahertz. Men mag echter niet vergeten dat de snelheid waarmee een signaal zich op de printplaat verplaatst afhankelijk is van de diëlektrische constante van het specifieke materiaal. Indien deze constante (Dk) varieert met de frequentie, zullen verschillende componenten van het signaal de belasting op verschillende tijdstippen bereiken, hetgeen aanleiding zal geven tot signaalvervorming. Daarom worden voor frequenties boven 1 GHz specifieke materialen zoals Rogers-laminaten gebruikt, die dezelfde diëlektrische constantewaarde in het frequentiegebied tussen 0 en meer dan 15 GHz kunnen garanderen, plus een uitstekende thermische dissipatie.

Wat de stapeling van een meerlagige printplaat met hoge frequentie betreft, is het in de eerste plaats noodzakelijk de signalen met hoge frequentie in de binnenste lagen te plaatsen, grenzend aan een referentievlak (aarde of voeding), en wel zodanig dat een afscherming wordt gevormd tegen de straling die van buitenaf komt. Vermijd vervolgens het plaatsen van twee signalen met hoge frequentie op twee aangrenzende lagen: voeg altijd een referentievlak toe als scheiding tussen beide. Het grondvlak en het voedingsvlak moeten gescheiden zijn; voorzie eventueel meer grondvlakken om de impedantie en de gemeenschappelijke straling te verminderen. Figuur 2 toont een voorbeeld van een zeslaagse printplaatstapeling voor signalen met hoge frequentie. Het soldeermasker helpt om de impedantiewaarde te verlagen, terwijl in de diëlektrische vlakken materialen en substraten zoals Rogers of dergelijke worden gebruikt.

Figuur 2: Voorbeeld van een 6-laagse stapeling

Er moeten bijzondere voorzorgsmaatregelen worden genomen bij het bepalen van de lay-out van de printbanen, of de routing. Om crosstalk te verminderen, moet de afstand tussen de signaalbanen eerst zoveel mogelijk worden vergroot, door ze dicht bij het massavlak te plaatsen. Zorg er bovendien voor dat de afstand tussen de middelpunten van twee aangrenzende printbanen ten minste vier maal de baanbreedte bedraagt. Kloklijnen moeten loodrecht op, in plaats van evenwijdig aan, de signaallijnen lopen en moeten op de juiste wijze worden afgesloten om reflecties te minimaliseren. Om koppeling te verminderen, moeten enkelvoudige signalen op verschillende en loodrecht op elkaar staande lagen worden geplaatst.

Om de signaalintegriteit te verbeteren, moeten de printbanen recht en zo kort mogelijk zijn. Als gebogen printbanen gebruikt moeten worden, gebruik dan bogen van 45° en vermijd rechte hoeken. De kloksignalen moeten op een enkele laag worden geplaatst (als dit intern is, moet het tussen twee referentievlakken liggen), correct worden afgesloten om reflectieverschijnselen te minimaliseren en vrij zijn van via's, aangezien deze variaties in impedantie en reflecties kunnen veroorzaken. Het massavlak moet ook zo dicht mogelijk bij de buitenste laag worden geplaatst om ruis te verminderen. Indien de printbanen differentiële in plaats van enkelvoudige signalen dragen, moet dezelfde afstand worden aangehouden tussen de sporen van de differentiële paren, en deze moeten altijd dezelfde lengte hebben.

Tenslotte kunnen, om de massakaatsing te verminderen, verschillende technieken worden gebruikt, waaronder:

• gebruik van korte en brede printbanen tussen via's en aansluitpinnen van condensatoren;
• de printbanen tussen voedingspennen en voedingsvlak zo kort en breed mogelijk houden om impedantie en spanningsval te verminderen;
• de massa van elke pin of via afzonderlijk met het massavlak verbinden en serieschakeling van verbindingen vermijden;
• ontkoppelingscondensatoren toevoegen voor elk paar V_CC/GND-signalen en ze dicht bij de bijbehorende pinnen plaatsen. Kies bovendien condensatoren met een lage ESR en ESL om de inductie te minimaliseren;
• I/O-signalen voor algemene doeleinden mogen nooit open worden gelaten of zweven, maar moeten worden geconfigureerd als uitgangssignalen die naar de massa of naar V_CC worden getrokken.

Conclusie

Om de signaalintegriteit, een hoge elektromagnetische compatibiliteit en een correct thermisch beheer onder alle bedrijfsomstandigheden te garanderen, moeten printplaten voor signalen met hoge frequenties worden ontworpen door de juiste materialen te kiezen en door de stapeling, de routing van de printbanen en de massa-, voedings- en signaalvlakken te definiëren.