Ruis is een constante valkuil voor elk elektronisch apparaat: zelfs als het niet volledig kan worden geëlimineerd, zijn er technieken die, als ze worden toegepast, het tot een minimum kunnen beperken. In het algemeen kunnen we stellen dat ruis geen probleem is zolang het de prestaties van het systeem niet hindert. Als ruis niet op de juiste wijze wordt tegengegaan, kan het nadelige gevolgen hebben voor de werking van veel printplaten. Dit geldt vooral voor schakelingen die op hoge frequenties werken, d.w.z. boven één megahertz. Bij deze frequenties ontstaan elektromagnetische golven rond de sporen van de printplaten en in de componenten zelf, die kunnen interfereren met de signalen die langs andere sporen van dezelfde printplaat lopen. Het effect van deze interferenties op de stroom- en spanningswaarden leidt tot een verslechtering van de prestaties van de schakeling en levert ernstige problemen op met de signaalintegriteit.
Mogelijke bronnen van ruis in een printplaat
In een printplaat wordt ruis meestal veroorzaakt door stroompieken die op sommige elektrische signalen optreden. In digitale schakelingen worden stroompieken veroorzaakt door het schakelen van transistors (overgang aan-uit en uit-aan), terwijl ze in analoge schakelingen worden bepaald door veranderingen in de belastingsstroom. Vaak kan overmatige ruis ook te wijten zijn aan een zwevend aarding of aan een verkeerde aardverbinding. Als de maximumfrequentie van de signalen op de printplaat minder dan 1 MHz bedraagt, is een enkel aardpunt over het algemeen voldoende, terwijl voor hoogfrequente schakelingen een meerpunts- of stervormige aarding de voorkeur verdient, zoals getoond in figuur 1. Er is ook de hybride configuratie, waarbij zowel één enkel aardpunt voor lage frequenties als een meerpuntsaarding voor hoge frequenties worden gebruikt.
Figuur 1: meerpuntsaardverbinding
De belangrijkste ruisbronnen kunnen als volgt worden ingedeeld
- grondstuitering: in digitale schakelingen hebben elektrische signalen door de snelle en niet aflatende stijging van de schakelfrequenties steeds minder tijd om terug te keren naar het grondreferentieniveau. Dit kan ertoe leiden dat het signaal boven het grondniveau ‘stuitert’, waardoor onverwachte stroompieken worden opgewekt en ruis in het uitgangssignaal ontstaat. In het geval van meervoudige gelijktijdige schakelingen kan de hoeveelheid ruis ook valse of dubbele schakelingen veroorzaken, met een storing van de schakeling tot gevolg;
- overspraak: als de printsporen niet voldoende uit elkaar liggen, kan het gebeuren dat een signaal (hoge frequentie of hoge stroom) het gedrag beïnvloedt van een signaal dat over een naastgelegen spoor loopt. Dit verschijnsel van ongewenste elektromagnetische koppeling wordt overspraak genoemd en kan zich zowel voordoen wanneer de sporen horizontaal op dezelfde laag als verticaal op aangrenzende lagen te dicht bij elkaar liggen;
- EMI (elektromagnetische interferentie): elektromagnetische interferentie kan door talrijke bronnen worden veroorzaakt, hoewel het meest voorkomende geval betrekking heeft op verkeerd ontworpen grondretourpaden. De algemene regel om deze verschijnselen te vermijden is de sporen van de signalen tussen het voedingsvlak en het aardingsvlak in te voegen, zodat een vloeiend retourpad naar het aardingsvlak mogelijk is. Wanneer dit niet wordt gedaan, zal het retoursignaal onregelmatige paden volgen om zijn weg naar de aarde te vinden, waardoor interferentie en ruis wordt gegenereerd.
Na een overzicht van de belangrijkste bronnen van ruis in een printplaat gaan we over tot de analyse van de vijf meest doeltreffende technieken om dit probleem te bestrijden.
1 – Voeg aardings- en voedingsvlakken toe
Probeer bij het bepalen van de lay-out van de printplaat een zo groot mogelijk deel van de printplaat te bedekken met aardings- en voedingsvlakken, en reserveer eventueel één laag voor het aardingsvlak en één voor het voedingsvlak. Voedingsvlakken moeten zodanig worden ontworpen dat er een duidelijk gedefinieerd retourpad naar de aarde is, vooral voor hoogfrequente signalen, waarbij onderbrekingen of overmatig gebruik van via’s moeten worden vermeden.
Indien het om ruimte- of budgetredenen niet mogelijk is hele aardingsvlakken te maken, gebruik dan één enkel aardpunt (lage frequenties) of een stervormige aarding (hoge frequenties), waarbij alle aardingssporen op het gemeenschappelijke aardpunt worden aangesloten. Deze methode vermindert de gemeenschappelijke impedantiekoppeling tussen de verschillende subsystemen. Sporen die voedingssignalen geleiden, moeten zoveel mogelijk parallel lopen met aardingssporen.
2 – Optimaliseer de spoorgrootte
Signaalsporen die door de printplaat lopen moeten zo kort en dun mogelijk zijn. Breng indien nodig via-gaten aan om de sporen kort te houden. Sporen van minder dan 8 millimeter dik en 4 tot 8 mil breed worden over het algemeen beschouwd als een goede oplossing om capacitieve koppeling en bijgevolg ruis te verminderen, vooral bij hoge frequenties. De afstand tussen aangrenzende sporen moet ook altijd groter zijn dan hun breedte, zodat het risico van overspraak wordt beperkt. Meerlaagse printplaten verdienen over het algemeen de voorkeur, omdat zij afzonderlijke lagen voor aarding, voeding en signalen mogelijk maken.
De inductie van een geleider is omgekeerd evenredig met de logaritme van de diameter en recht evenredig met de lengte. Om de inductie te beperken, moeten dus zo kort en breed mogelijke sporen worden gebruikt. Voedingslijnen en alle ingangssignalen van printplaten moeten worden gefilterd door enkeltraps- of meertrapsfilters om ruis te onderdrukken.
3 – Scheid de verschillende zones van de printplaat
De lay-out van de printplaatstackup is van fundamenteel belang, aangezien hij zowel de signaalintegriteit als de ruisonderdrukking beïnvloedt. Sporen die op signaallagen worden geplaatst, moeten hetzij de microstrip of de striplijn gebruiken, afhankelijk van de plaats die de laag inneemt in de stackup. De wijze waarop deze lagen zijn gerangschikt bepaalt zowel de hoeveelheid elektromagnetische straling die door de printplaat wordt gegenereerd als de mate van ongevoeligheid voor straling van externe bronnen.
Houd analoge en digitale schakelingen gescheiden op de printplaat. Deze laatste zijn verantwoordelijk voor het ontstaan van hoogfrequente digitale ruis die fouten kan veroorzaken in zowel digitale als analoge schakelingen, vooral als deze schakelingen niet voldoende van elkaar gescheiden zijn. Een soortgelijk criterium kan worden toegepast op frequentie en daarom kan het een goede keuze zijn hoogfrequente schakelingen gescheiden te houden van laagfrequente. Een voorbeeld van zonering is te zien in figuur 2.
Figuur 2: Zonering van de printplaat
4 – Gebruik ontkoppelcondensatoren
Hoe de componenten op de printplaat geplaatst zijn, speelt ook een belangrijke rol bij ruisonderdrukking. Voedingscomponenten moeten dicht bij elkaar en op dezelfde laag worden geplaatst om de inductantie te beperken die tussen de via-gaten kan ontstaan. Componenten voor hoge frequenties moeten zo worden geplaatst dat hun sporen zo kort mogelijk zijn. De ontkoppelings- (of bypass-) condensatoren moeten zo dicht mogelijk bij elke voedingspen van de actieve componenten worden geplaatst, zodat de stroompieken tijdens het schakelen van het signaal worden verminderd en terugkaatsing naar de aarde wordt vermeden. Hoewel ze duurder zijn, bieden tantaalcondensatoren met hoge capaciteit een superieure kwaliteit en betere prestaties dan traditionele elektrolytische condensatoren. Om geïntegreerde schakelingen van elkaar los te koppelen, kunnen keramische meerlaagse condensatoren worden gebruikt, waarvan de capaciteitswaarden worden gekozen overeenkomstig de signaalfrequentie (bijvoorbeeld 0,1 µF voor frequenties tot 15 MHz en 0,01 µF voor hogere frequenties.
5 – Traceer de routering
We hebben reeds eerder gezegd dat, in het algemeen, hoe korter en breder de sporen op de printplaat zijn, hoe beter de werking is om ruis te verminderen of in te dammen, aangezien de inductantie van de sporen zelf wordt verminderd. Dit geldt vooral voor sporen die signalen met een hoge stroomsterkte of hoge frequentie vervoeren. Als er twee aangrenzende signaallagen zijn in de printplaatstackup, moet u ervoor zorgen dat de routering horizontaal is op de ene laag en verticaal op de andere. Dit vermindert het risico op koppeling (overspraak) tussen de sporen op de twee lagen.
Sporen met gevoelige signalen moeten uit de buurt van oscillerende schakelingen worden gehouden; dit geldt zowel wanneer het spoor op dezelfde laag als de oscillator wordt geplaatst, als wanneer het op een aangrenzende laag wordt geplaatst. Als algemene regel geldt: vermijd het gebruik van bochten van 90° in uw sporen en vervang rechte hoeken door twee hoeken van 45°.
