De laatste jaren is het ontwerpen van printplaten een steeds grotere uitdaging geworden die in de meeste gevallen te wijten is aan de gecombineerde aanwezigheid van digitale, gemengde en radiofrequentie(RF)-signalen. In het algemeen kan een printplaat als van het RF-type worden beschouwd wanneer de frequentie van de betrokken signalen hoger is dan, ten minste, 100 MHz. De lay-out en routering van een RF-printplaat vereisen enkele speciale overwegingen en een andere aanpak dan die voor een laagfrequente printplaat. Naarmate de frequentie toeneemt, wordt de golflengte van het RF-signaal vergelijkbaar met de geometrische dimensies van de sporen; bijgevolg is het noodzakelijk de volledige schakeling te beschouwen als een gedistribueerd parametersysteem, waarbij zowel de amplitude als de faseverschuiving die het signaal langs de transmissielijn ondergaat, in aanmerking moeten worden genomen om mogelijke signaalreflecties te vermijden. Verschijnselen zoals het huideffect (bepaald door onvolkomenheden en ruwheid op de kopersporen), capacitieve koppeling tussen signalen die langs aangrenzende sporen lopen, elektromagnetische interferentie en impedantiecontrole zijn slechts enkele van de belangrijkste uitdagingen waarmee elektronicaontwerpers te maken krijgen.
Belangrijkste richtlijnen
Een eerste aspect waarmee rekening moet worden gehouden bij RF-signaalroutering betreft de impedantie-aanpassing. Een schakeling zonder impedantie-aanpassing genereert namelijk niet alleen aanzienlijke vermogensverliezen, maar ook gevaarlijke signaalreflecties langs de printplaatsporen. De stelling van de maximale vermogensoverdracht zegt dat het overgedragen vermogen maximaal is wanneer de belastingsweerstand gelijk is aan de inwendige weerstand van de bron. Uitgebreid tot het domein van wisselstromen stelt de stelling dat de impedantie van de belasting gelijk moet zijn aan de complexe geconjugeerde van de impedantie van de bron. Om de vermogensoverdracht te maximaliseren, is het dus van essentieel belang rekening te houden met de impedantie-aanpassing. Aangezien de meeste systemen en RF-modules een impedantie van 50 Ω hebben, verdient het de voorkeur dat de sporen van een RF-printplaat een karakteristieke impedantie van 50 Ω hebben. De twee meest gebruikte printsporen op printplaten zijn microstrips, waarbij de sporen op de buitenste lagen van de printplaat worden gelegd (meestal boven een aardingsplaat) en striplijnen, waarbij elk spoor tussen twee aardingsplaten wordt ingeklemd. Figuur 1 toont de twee soorten sporen: zodra de impedantie Z op 50 Ω is vastgesteld, kan de breedte W worden berekend als functie van de dikte T en de afstand H tussen het spoor en de aardingsplaat, met behulp van de formules van de IPC2141A-norm.
Figuur 1: microstrip- en striplijntransmissielijnen
In het algemeen kan worden gesteld dat de breedte van een lijn relevant wordt wanneer de lengte groter is dan een tiende van de golflengte van het signaal dat er doorheen loopt. Bijvoorbeeld, de frequentie f = 1 GHz komt overeen met een golflengte λ = c / f = 30 cm (waarbij c de lichtsnelheid in vacuüm is) en de kritische lengte van het spoor is dus gelijk aan ongeveer 3 cm. Op de printplaat is de voortplantingssnelheid van het signaal echter kleiner dan de lichtsnelheid; in het bijzonder neemt deze af met het kwadraat van de relatieve diëlektrische constante van het materiaal, die in het geval van FR-4 ongeveer 4,3 bedraagt. Daarom wordt de kritische lengte bij 1 GHz ongeveer 16 mm: elk spoor (of liever, elke transmissielijn) met een lengte groter dan deze waarde moet een juist berekende breedte hebben. Transmissielijnen moeten zo lang mogelijk recht worden gehouden. Wanneer het voor de routering noodzakelijk is van richting te veranderen, is het raadzaam een kromtestraal te gebruiken die gelijk is aan ten minste driemaal de spoorbreedte, zoals getoond in de afbeelding links in figuur 2. Hierdoor wordt de variatie in de karakteristieke impedantie langs de gehele kromming geminimaliseerd. Als het niet mogelijk is een gebogen spoor te plaatsen, moet bij de routering een afgeronde rechte hoek worden toegepast, zoals aangegeven in de afbeelding rechts van figuur 2.
Figuur 2: routering van gebogen sporen
Wanneer een transmissielijn, omwille van de lay-out, meerdere lagen moet beslaan, is het noodzakelijk om via-gaten aan te brengen, waarbij voor elke overgang ten minste twee gaten moeten worden gebruikt om de belastingsinductantie te minimaliseren. Zeer belangrijk is ook de juiste keuze van de afmetingen van de SMD-componenten, aangezien deze in de handel verkrijgbaar zijn in een groot aantal formaten. Wat passieve SMD-componenten (weerstanden en condensatoren) betreft, is een veel gebruikte regel de keuze van componenten met een breedte die vergelijkbaar is met die van een spoor met een impedantie van 50 Ω, zodat er minder problemen zijn met de impedantieaanpassing tussen het spoor en de componentpads.
Een andere belangrijke factor die de routering beïnvloedt, is de keuze van de opbouw, d.w.z. het aantal en het type lagen waaruit de gedrukte schakeling is opgebouwd. RF-printplaten bestaan meestal uit 2 of 4 lagen, maar in sommige gevallen kunnen ze oplopen tot 8 lagen. Bij dubbelzijdige printplaten bevinden de componenten en de sporen zich op de bovenste laag, terwijl de onderste laag wordt gebruikt als aardingsvlak, dat de kortste weg vormt voor aardretourstromen. Een dubbelzijdige printplaat is een zeer kosteneffectieve oplossing, maar vereist een zeer zorgvuldige routering en plaatsing van de componenten, gezien de beperkte beschikbare ruimte. De dikte van een dubbelzijdige printplaat ligt meestal tussen 0,8 en 1 mm, omdat grotere diktes (op basis van wat eerder is gezegd over impedantie) zouden leiden tot een te grote breedte van de sporen. Een 4-laagse printplaat vergemakkelijkt de routering aanzienlijk, omdat er meer ruimte beschikbaar is voor de componenten en omdat zowel de aardings- als vermogensvlakken kunnen worden gebruikt. De aanbevolen opbouw is te zien in figuur 3. Merk op hoe in deze structuur altijd een aardingsvlak aanwezig moet zijn onder de toplaag, die de componenten en de sporen bevat. Een 4-laagse printplaat geeft, dankzij zijn grotere dikte, ook een grotere sterkte en mechanische weerstand aan de schakeling.
Figuur 3: een 4-laagse printplaatopbouw
Met betrekking tot de lay-out van figuur 3 moeten we ervoor zorgen dat RF-signalen goed geïsoleerd zijn, zodat ongewenste koppeling met andere signalen wordt vermeden. Dit betreft vooral de radiofrequentietransmissielijnen (bijvoorbeeld de Rx- en Tx-lijnen van een draadloze zendontvanger), hoogfrequente signalen (bijvoorbeeld klok- of PLL-signalen) en voedingslijnen. Het is ook noodzakelijk ontkoppelingscondensatoren te plaatsen zo dicht mogelijk bij elke pin, of distributiepunt, van de VCC-voedingsspanning. Hun functie is om een laag impedantietraject voor hoogfrequente ruis te verschaffen. De capaciteit van deze condensatoren moet worden gekozen overeenkomstig de frequentie van de RF-signalen die over de schakeling gaan, waarbij het ook belangrijk is de SRF-parameter (zelfresonantiefrequentie) te kennen, omdat boven deze waarde de condensator zich als een spoel gedraagt en dus niet langer de ontkoppelings- of bypassfunctie kan vervullen. Zoals in figuur 3 te zien is, is het gebruikelijk een massief (ononderbroken) aardingsvlak te gebruiken, dat onmiddellijk onder de bovenste laag wordt geplaatst waarop de componenten en transmissielijnen worden geplaatst. RF-signalen, die gekenmerkt worden door zeer steile opgaande flanken, vereisen een aardingsplaat in de onmiddellijke nabijheid die in staat is de retourstroom te dragen. Indien dit niet gebeurt, kunnen stroomlussen ontstaan met ongewenste signaalstraling en een daaruit voortvloeiende vervorming van het RF-signaal. Zelfs de geringste onderbreking in het aardingsvlak leidt ertoe dat het retoursignaal een andere weg gaat volgen, met aanzienlijke signaalproblemen tot gevolg. Precies om die reden worden microstripsporen gebruikt, waarvan de breedte en afstand tot de aardingsplaat kunnen worden geregeld om een precieze impedantiewaarde te verkrijgen die de signaalreflecties tot een minimum beperkt. Een massief aardingsvlak maakt ook, via speciale via-gaten, een gemakkelijke verbinding met de aarding van de pads mogelijk. Als algemene regel geldt dat de afstand tussen twee via-gaten die met het aardingsvlak verbonden zijn, niet groter mag zijn dan een tiende van de golflengte van de maximale bedrijfsfrequentie in de schakeling. Bijvoorbeeld, als de maximale bedrijfsfrequentie 2,4 GHz is, moeten de via-gaten 6 mm uit elkaar liggen. Het is ook belangrijk om deze via-gaten rond de randen van de printplaat te plaatsen, om zo RF-verliezen door het printplaatlaminaat te beperken.
De aardingsplaat heeft ook een belangrijke secundaire functie, namelijk het bieden van een effectieve manier voor warmtedissipatie. Ook in dit opzicht is het noodzakelijk een passend aantal via-gaten aan te brengen, eventueel door alle lagen van de printplaat heen, en aan de binnenzijde te bekleden met geleidende thermische pasta om het thermisch beheer te verbeteren.
