Rauschen ist bei jedem elektronischen Gerät eine ständige Stolperfalle: Auch wenn es nicht vollständig eliminiert werden kann, so gibt es doch Techniken, mit denen es sich auf ein Minimum reduzieren lässt. Im Allgemeinen kann man sagen, dass Rauschen kein Problem ist, solange es die Systemleistung nicht beeinträchtigt. Wird dem Rauschen nicht entsprechend entgegengewirkt, kann es sich negativ auf den Betrieb vieler Leiterplatten auswirken. Dies gilt vor allem für Schaltkreise, die mit hohen Frequenzen (beispielsweise über 1 Megahertz) betrieben werden. Bei dieser Frequenz entstehen rund um die Leiterplattenbahnen und in den Komponenten selbst elektromagnetische Wellen, die zu Interferenzen mit jenen Signalen führen können, die sich durch andere Bahnen der gleichen Leiterplatte bewegen. Die durch diese Interferenzen erzeugten Auswirkungen auf die Werte von Stromstärke und Spannung führen zu einer Leistungsminderung im Schaltkreis und zu ernsten Problemen mit der Signalintegrität.
Mögliche Rauschquellen in einer Leiterplatte
In einer Leiterplatte entsteht Rauschen in der Regel durch Stromspitzen, die bei manchen elektrischen Signalen auftreten. In digitalen Schaltkreisen entstehen Stromspitzen während der Transistorschaltung (Ein – Aus und Aus – Ein), in analogen Schaltkreisen werden sie durch Änderungen des Laststroms verursacht. Häufig kann es auch aufgrund eines erdungsfreien Zustands oder einer falschen Erdung zu einem übermäßigen Rauschen kommen. Beträgt die maximale Frequenz der Signale auf der Leiterplatte unter 1 MHz, reicht meist ein einzelner Erdungspunkt aus; bei Schaltkreisen mit höheren Frequenzen empfiehlt sich eine Mehrpunkt- oder Sternerdung wie in Abbildung 1 gezeigt. Es gibt auch eine Hybridkonfiguration sowohl mit einem einzelnen Erdungspunkt für niedrige Frequenzen als auch mit einer Mehrpunkterdung für hohe Frequenzen.
Mehrpunkterdung.
Die wichtigsten Rauschquellen lassen sich wie folgt klassifizieren:
- Ground bounce (Spannungsanstieg): In digitalen Schaltkreisen bedeutet der rasche und abrupte Anstieg der Schaltfrequenzen, dass elektrische Signale immer weniger Zeit haben, zum Referenzmassepegel zurückzukehren. Dies kann dazu führen, dass das Signal über dem Massepegel „springt“, wodurch unerwartete Stromspitzen erzeugt werden und es zu einem Rauschen im Ausgabesignal kommt. Im Falle eines mehrfachen gleichzeitigen Schaltens kann die Rauschmenge auch zu einem falschen oder doppelten Schalten führen, wodurch es zu einer Fehlfunktion im Schaltkreis kommt.
- Übersprechen: Ist der Abstand zwischen den Leiterplattenbahnen nicht groß genug, kann ein Signal (mit hoher Frequenz oder hoher Stromstärke) das Verhalten eines Signals auf einer benachbarten Bahn beeinflussen. Dieses Phänomen einer unerwünschten elektromagnetischen Kopplung wird als „Übersprechen“ bezeichnet und kann auftreten, wenn die Bahnen horizontal auf der gleichen Ebene oder vertikal auf unterschiedlichen Ebenen zu nah aneinander liegen.
- EMI (Elektromagnetische Interferenz): Elektromagnetische Interferenz kann durch zahlreiche Quellen entstehen; am häufigsten sind jedoch falsch designte Masserückleiter betroffen. Die allgemeine Regel zur Vermeidung dieser Phänomene lautet, die Signalbahnen zwischen die Leistungs- und Erdungsbahnen einzufügen, wodurch ein reibungsloser Rückleiter zur Erdungsebene gewährleistet wird. Erfolgt dies nicht, folgt das Rücksignal auf dem Weg zur Erdung unregelmäßigen Bahnen und erzeugt so Interferenzen und Rauschen.
Nach einer Überprüfung der wichtigsten Rauschquellen auf Leiterplatten konnten wir die fünf effektivsten Techniken zur Lösung dieses Problems ermitteln.
1 – Erdungs- und Leistungsebenen hinzufügen
Versuchen Sie beim Festlegen des Leiterplattenlayouts, auf der Platte so viel Platz wie möglich mit Erdungs- und Leistungsebenen zu füllen, und planen Sie nach Möglichkeit eine Ebene für die Erdung und eine Ebene für die Leistung ein. Erdungsebenen müssen so designt werden, dass es vor allem bei hochfrequenten Signalen einen gut definierten Rückleiter zur Erdung gibt, um Unterbrechungen oder zu viele Durchkontaktierungen zu vermeiden.
Können aus Platz- oder Budgetgründen keine vollständigen Erdungsebenen geschaffen werden, verwenden Sie eine Einzelpunkt- (bei niedrigen Frequenzen) oder Sternerdung (bei hohen Frequenzen) und verbinden Sie alle Erdungsbahnen mit dem gemeinsamen Erdungspunkt. Diese Methode reduziert die häufig auftretende Impedanzkupplung zwischen den einzelnen Untersystemen. Leiterbahnen mit Leistungssignalen sollten möglichst stets parallel zu Erdungsbahnen verlaufen.
2 – Optimierung der Leiterbahngröße
Signalleiterbahnen, welche die Leiterplatte passieren, sollten so kurz und dünn wie möglich sein. Fügen Sie bei Bedarf Durchkontaktierungslöcher ein, um die Leiterbahnen kurz zu halten. Im Allgemeinen gelten Leiterbahnen unter einer Dicke von 8 mm und einer Breite von 4 bis 8 mm vor allem bei hohen Frequenzen als gute Lösung zur Reduktion der kapazitiven Kopplung und somit des Rauschens. Der Abstand zwischen benachbarten Leiterbahnen sollte auch stets größer sein als ihre Breite, um das Risiko eines Übersprechens zu reduzieren. Mehrschichtige Leiterplatten sollten generell bevorzugt werden, da sie separate Ebenen für Erdung, Leistung und Signale ermöglichen.
Die Induktivität eines Leiters verhält sich umgekehrt proportional zum Logarithmus des Durchmessers und direkt proportional zu seiner Länge. Daraus folgt, dass die Leiterbahnen zur Reduktion der Induktivität so kurz und breit wie möglich sein müssen. Leistungsleitungen und alle Eingangssignale der Leiterplatte sollten durch ein- oder mehrstufige Filter gefiltert werden, um das Rauschen abzumildern.
3 – Die unterschiedlichen Bereiche der Leiterplatte voneinander trennen
Das Layout des Lagenaufbaus einer Leiterplatte ist von grundlegender Bedeutung, da dies sowohl die Signalintegrität als auch die Rauschreduktion beeinflusst. Leiterbahnen, die sich auf Signalebenen befinden, sollten je nach der im Lagenaufbau von der Ebene belegten Position entweder eine Microstrip- oder eine Striplinekonfiguration aufweisen. Die Art und Weise, wie diese Ebenen angeordnet sind, beeinflusst sowohl die Menge der von der Leiterplatte erzeugten elektromagnetischen Strahlung als auch die Immunität gegenüber Strahlung aus externen Quellen.
Halten Sie auf der Leiterplatte die analogen und digitalen Schaltkreise voneinander getrennt. Letztere sind für das Erzeugen von digitalem Hochfrequenzrauschen verantwortlich, das zu Fehlern sowohl auf digitalen als auch auf analogen Schaltkreisen führen kann – vor allem dann, wenn diese Schaltkreise nicht ausreichend voneinander getrennt sind. Ein ähnliches Kriterium gilt für die Frequenz; somit sollten Schaltkreise mit hoher Frequenz besser von solchen mit niedriger Frequenz getrennt werden. Ein Beispiel für diese Bereiche sehen Sie in Abbildung 2.
Bereiche der Leiterplatte.
4 – Einsatz von Entkoppelkondensatoren
Auch die Art und Weise, wie die Komponenten auf der Leiterplatte platziert werden, spielt bei der Rauschreduktion eine wichtige Rolle. Leistungskomponenten sollten nahe aneinander auf der gleichen Ebene positioniert werden, um die Induktivität zwischen den Durchkontaktierungen zu reduzieren. Hochfrequenzkomponenten sollten so positioniert werden, dass ihre Leiterbahnen so kurz wie möglich sind. Entkoppel- oder Bypasskondensatoren sollten möglichst nah an jedem Leistungspin der aktiven Komponenten positioniert werden, um so Stromspitzen während des Signalschaltens zu reduzieren und ein Zurückspringen auf die Erdung zu verhindern. Tantalkondensatoren mit hoher Kapazität sind zwar teurer, bieten jedoch eine bessere Qualität und Leistung als herkömmliche Elektrolytkondensatoren. Zum Entkoppeln integrierter Schaltkreise können auch mehrschichtige Keramikkondensatoren eingesetzt werden; ihre Kapazität muss entsprechend der Signalfrequenz (z. B. 0,1 µF für eine Frequenz bis zu 15 MHz und 0,01 µF für eine höhere Frequenz) gewählt werden.
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5 – Die Leiterbahnen routen
Wir haben bereits erwähnt: Je kürzer und breiter die Leiterbahnen auf der Leiterplatte, desto besser kann das Rauschen reduziert oder unterdrückt werden, da die Induktivität der Leiterbahnen selbst reduziert wird. Dies gilt vor allem für Leiterbahnen, die Signale mit hoher Stromstärke oder hoher Frequenz führen. Befinden sich im Lagenaufbau zwei benachbarte Signalebenen, muss darauf geachtet werden, dass das Routing auf einer Ebene horizontal und auf der anderen Ebene vertikal verläuft. Dies reduziert das Risiko einer Kopplung („Übersprechen“) zwischen den auf diesen Ebenen befindlichen Leiterbahnen.
Leiterbahnen mit empfindlichen Signalen sollten von Schwingkreisen ferngehalten werden; dies gilt sowohl, wenn die Leiterbahn auf der gleichen Ebene wie der Oszillator platziert ist, als auch dann, wenn sie sich auf einer benachbarten Ebene befindet. Generell sollten auf den Leiterbahnen 90°-Kurven vermieden und durch zwei 45°-Kurven ersetzt werden.
