Techniken zur Implementierung von Hochgeschwindigkeits-Digital- und HF-Schaltungen auf einer einzigen Leiterplatte

PCB Stack-Up und Materialauswahl

Auswahl eines geeigneten Laminats

Das dielektrische Material der Leiterplatte hat einen tiefgreifenden Einfluss auf die digitale Signalintegrität und die HF-Leistung. Standard FR-4, obwohl wirtschaftlich, leidet unter hohem dielektrischen Verlust und inkonsistenter Permittivität bei Frequenzen oberhalb einiger hundert Megahertz. Für Designs, die HF-Schaltungen enthalten, die über 1 GHz arbeiten, werden Materialien mit geringem Verlust wie die Serie Rogers 4000, Isola IS410 oder Laminate auf PTFE-Basis bevorzugt. Diese Materialien bieten eine stabile Dielektrizitätskonstante (Dk) und einen niedrigen Dissipationsfaktor (Df), was die Signaldämpfung reduziert und die Anstiegszeiten beibehält. Es ist auch wichtig, den Glaswebeffekt zu berücksichtigen, der eine Dk-Variation auf der ganzen Linie verursacht.

Die Verwendung von Streuglas oder Gewebeglas mit engerer Konstruktion minimiert dies. Wenn Kostenbeschränkungen die Verwendung von FR-4 erzwingen, sollten Designer HF-Frequenzen auf unter 2 GHz beschränken und besonders auf die Spurlänge und die Abschirmung achten.

Stack-Up Organisation

Ein gut konzipierter Schichtstapel trennt die digitalen und HF-Domänen physisch und elektrisch. Ein typischer achtschichtiger Stapel könnte die oberen beiden Schichten HF-Komponenten und deren Massereferenz, die mittleren Schichten Hochgeschwindigkeits-Digitalrouting und -Leistung und die unteren Schichten zusätzliche digitale Signale oder eine zweite Masseebene zuweisen. Der Schlüssel ist, HF-Schaltungen auf Schichten neben einer kontinuierlichen Masseebene ohne Unterbrechungen zu platzieren. Bei digitalen Abschnitten tragen mehrere Masseebenen, die mit Vias genäht sind, dazu bei, Schleifenbereiche zu reduzieren und die Erdimpedanz zu senken. Wenn möglich, weisen Sie eine vollständige Schicht als dedizierte analoge (RF) Masseebene und eine andere als digitale Masseebene zu, die sie an einem einzigen Punkt verbinden - oft in der Nähe des ADC oder DAC, der die beiden Domänen überbrückt.

Fortgeschrittene Erdungstechniken

Split Ground Planes und Stitching Vias

Der ursprüngliche Artikel erwähnt, der separate Massebereiche verwendet, die an einem einzigen Punkt verbunden sind. In der Praxis hängt die Umsetzung vom Frequenzbereich ab. Bei Mixed-Signal-Boards, die unterhalb einiger hundert Megahertz arbeiten, kann eine geteilte Masseebene mit einer einzelnen Brücke oder Ferrit-Wulstverbindung effektiv sein. Für höhere Geschwindigkeiten und HF-Frequenzen über 500 MHz ist jedoch eine feste, ununterbrochene Masseebene oft überlegen. Die Aufteilung der Masseebene kann eine unbeabsichtigte Schlitzantenne erzeugen, die Rauschen abstrahlt.

Statt der Aufteilung verwenden viele Designer jetzt eine einzelne Masseebene und teilen sorgfältig Komponenten und Routing. Wenn die Aufteilung erforderlich ist, halten Sie den Spalt schmal (weniger als 1 mm) und bieten Sie viele Durchstechhilfen entlang der Grenze, um einen niederohmigen Rückweg aufrechtzuerhalten. Weitere Einzelheiten finden Sie in Analog Devices' guide on Grounding mixed-signal systems.

Erdung von HF-Komponenten

HF-Schaltungen wie LNAs, Leistungsverstärker und Mischer erfordern eine Masseverbindung mit geringer Induktivität. Verwenden Sie mehrere Vias direkt unter den Massepads der Komponente, um die Masseinduktivität zu minimieren. Für oberflächenmontierte Geräte sollten Sie Erddurchkontaktierungen im Pad selbst (via-in-pad) in Betracht ziehen, wenn der Hersteller dies zulässt. Diese Technik reduziert die parasitäre Induktivität auf nahezu Null. Die Erddurchkontaktierungen sollten sofort mit der Haupterdebene auf der nächsten Schicht verbunden sein, nicht durch andere Ebenen verkettet.

Über Placement für Ground Return

Jede Hochgeschwindigkeits-Digitalspur muss einen nahen Masserückführungspfad haben. Idealerweise sollte eine Masse-Durchkontaktierung innerhalb von 1 mm von jedem Signal platziert werden, das zwischen Schichten übergeht. Dadurch wird sichergestellt, dass der Rückstrom direkt unter der Signalspur fließt, wodurch Schleifenfläche und Strahlung minimiert werden. Bei differentiellen Paaren sollte eine Masse-Durchkontaktierung symmetrisch zwischen den beiden Signaldurchkontaktierungen platziert werden.

Design der kontrollierten Impedanz

Microstrip vs. Stripline

Die beiden gemeinsamen Übertragungsleitungsstrukturen sind Mikrostreifen (Spur auf einer äußeren Schicht mit einer Masseebene unten) und Streifenleitung (Spur zwischen zwei Masseebenen eingebettet). Mikrostreifen bietet einen leichteren Zugang für Komponenten und einen geringeren Verlust, ist aber anfälliger für externe EMI und Strahlung. Streifenleitung bietet eine bessere Isolation und eine engere Impedanzsteuerung, erhöht jedoch die Fertigungskomplexität und -dicke. Für empfindliche HF-Pfade, bei denen die Isolation kritisch ist, wird Streifenleitung bevorzugt. Die Impedanz wird durch die Spurbreite, Kupferdicke, Dielektrizitätshöhe (h) und Dielektrizitätskonstante (Dk) bestimmt.

Verwenden Sie einen zuverlässigen Impedanzrechner während des Layouts und stellen Sie sicher, dass der PCB-Hersteller die Zielimpedanz innerhalb von ±10% erreicht.

Spurweite und -freiheit

Für eine gegebene Impedanz skalieren die erforderlichen Leiterbahnen mit dielektrischer Höhe. Breitere Leiterbahnen sind im Allgemeinen weniger verlustreich und leichter herzustellen. Sie verbrauchen jedoch den Platz auf der Leiterplatte und können zu Kopplungsproblemen führen, wenn sie zu nahe an anderen Leiterbahnen platziert werden. Halten Sie mindestens das Dreifache der Leiterbahnbreite (3W) Abstand zu benachbarten Signalen, um das Übersprechen unter akzeptablen Werten zu halten. Für kritische HF-Netze verwenden Sie einen co-planaren Wellenleiter mit Masse (CPWG), indem Sie auf beiden Seiten der Leiterbahn Erdungsgießungen in einem bestimmten Abstand hinzufügen. Diese Struktur kann eine bessere Isolation bieten als ein einfacher Mikrostreifen.

Behinderung von digitalen Leitungen

Bei digitalen Bussen ist eine Wellenimpedanz von 50 Ω für Single-ended-Leitungen und 100 Ω für Differentialpaare anzustreben. Dies sind Standardwerte, die viele ICs ansteuern sollen. Es werden Serienabschlusswiderstände verwendet, die in der Nähe des Treibers angeordnet sind, um die Quellenimpedanz anzupassen und Reflexionen zu absorbieren. Bei DDR-Speicherschnittstellen ist die Vorbeiflugtopologie einzuhalten und sicherzustellen, dass alle Spuren innerhalb des Zeitbudgets längenangepasst sind.

Komponentenplatzierung und physische Partitionierung

Zonenbasiertes Layout

Teilen Sie die Leiterplatte in verschiedene physikalische Zonen: eine HF-Zone, eine digitale Hochgeschwindigkeitszone, eine digitale Niedriggeschwindigkeitszone und eine Leistungszone. Stellen Sie die HF-Zone in der Nähe des Randsteckers oder Antennenanschlusses, um die HF-Spurlänge zu minimieren. Die digitale Hochgeschwindigkeitszone sollte so weit wie möglich von der HF-Zone entfernt sein, idealerweise auf der gegenüberliegenden Seite der Platine. Halten Sie analoge und digitale Abschnitte mit einer klaren Grenze getrennt. Vermeiden Sie es, digitale Uhren oder Hochgeschwindigkeitssignalspuren durch die HF-Zone zu führen.

Wenn Kreuzungen unvermeidlich sind, führen Sie sie auf verschiedenen Schichten mit dazwischenliegenden Bodenebenen.

Komponenten an der Grenze

Analog-Digital-Wandler (ADC) und Digital-Analog-Wandler (DAC) befinden sich an der Schnittstelle zwischen digitalen und HF-Domänen. Stellen Sie diese Wandler an der Grenze der beiden Zonen mit ihren analogen Pins zur HF-Seite und digitalen Pins zur digitalen Seite. Verwenden Sie einen Masseausschnitt unter dem Wandler, wenn dies im Datenblatt empfohlen wird, um die Masseverbindung zwischen analogen und digitalen Massepins zu unterbrechen. Stellen Sie spezielle Entkopplungskondensatoren so nah wie möglich an jedem Versorgungspin bereit, wobei der kleinste Platzbedarf die Spannung toleriert.

Isolation durch Keepouts

Create ground keepout areas (no copper) under sensitive RF components such as inductors and VCOs to reduce parasitic capacitance to the ground plane. Similarly, keep high-speed digital traces at least 10 mm away from any RF component that is not shielded. If board space is tight, use a ground fence (rows of vias connected to ground) around the RF section to create a Faraday cage effect.

Power Distribution Network (PDN) Design für gemischte Signale

Separate Triebwerke

Digitales Schaltrauschen kann leicht durch gemeinsame Leistungsebenen in HF-Versorgungsleitungen gelangen. Es ist am besten, getrennte Leistungsebenen für den digitalen und HF-Abschnitt zuzuweisen. Wenn dies nicht möglich ist, verwenden Sie einen Stromausfall, um die beiden Domänen physisch zu trennen und sie durch eine schmale Spur oder einen Ferrit-Wulst zu verbinden. Der Ferrit-Wulst bietet eine hohe Impedanz bei HF-Frequenzen beim Passieren von DC. Beachten Sie jedoch, dass Ferrite bei hohen Strömen verlustbehaftet werden können und sättigen können; wählen Sie einen mit der entsprechenden Stromstärke und dem entsprechenden Impedanzprofil.

Entkopplung und Umgehung

Jeder aktive IC sollte Entkopplungskondensatoren für jeden Netzanschluss haben. Bei digitalen Geräten ist eine Kombination aus Elektrolyt-Volumenkondensatoren (10-100 μF) und kleinen mehrschichtigen Keramikkondensatoren (0,1 μF und 0,01 μF) so nah wie möglich am Netzanschluss zu verwenden. Bei HF-ICs sind Kondensatoren mit niedriger Induktivität (z. B. 100 pF und 10 pF) mit minimaler parasitärer Induktivität zu verwenden. Legen Sie sie auf die gleiche Schicht wie der IC und verbinden Sie sie mit kurzen, breiten Leiterbahnen direkt mit dem Via, das zur Netzebene führt. Vermeiden Sie gemeinsame Entkopplungskontakte zwischen mehreren Kondensatoren.

PDN-Impedanzziel

Das Stromverteilungsnetz muss über den gesamten interessierenden Frequenzbereich niederohmig sein. Bei digitalen Schaltungen ist die Zielimpedanz oft kleiner als 0,1 Ω von DC bis zur Schaltfrequenz. Bei HF-Schaltungen sollte die Impedanz bei der Betriebsfrequenz unter einigen Ohm bleiben. Verwenden Sie Simulationswerkzeuge wie SIwave oder PowerSI, um den PDN zu modellieren und Resonanzspitzen zu identifizieren, die möglicherweise gedämpft werden müssen, indem zusätzliche Entkopplungen oder ein verlustbehafteter Ferrit vorgenommen werden.

Routingstrategien für Mixed-Signal-Busse

Digital Bus Routing

Digitale Hochgeschwindigkeitsbusse (z. B. DDR4, PCIe, Gigabit Ethernet) müssen mit kontrollierter Impedanz und Längenanpassung geroutet werden. Halten Sie die Längen der Spuren so kurz wie möglich, um Verzögerungen und Reflexionen zu minimieren. Vermeiden Sie scharfe 90-Grad-Ecken; verwenden Sie stattdessen 45-Grad-Abschrägungen oder gekrümmte Spuren. Gruppenbezogene Signale (z. B. DQS, DQ) zusammen und leiten Sie auf derselben Schicht, um Schieflage zu minimieren. Verwenden Sie Schutzspuren mit Erddurchkontakten auf beiden Seiten des Busses, um eine Isolation von benachbarten analogen Signalen zu gewährleisten.

RF-Spurenführung

HF-Spuren sollten so kurz und direkt wie möglich sein. Jede Biegung erzeugt eine Impedanzunstetigkeit; Verwendung von Gehrungs-Biegen mit Kompensation zur Aufrechterhaltung einer konstanten elektrischen Länge. Vermeiden Sie laufende HF-Spuren über Lücken in der Masseebene, da dies den charakteristischen Impedanz ändert und Reflexionen verursacht. Wenn eine HF-Spur Schichten wechseln muss, legen Sie zwei oder mehr Masse-Vias neben den Via-Übergang, um einen kontinuierlichen Rückweg zu schaffen. Bei differentiellen HF-Signalen (z. B. in I/Q-Modulatoren oder ausgewogenen Mischern) stellen Sie sicher, dass die Paarlänge eng abgestimmt ist und dass die Leiterbahnen symmetrisch sind.

Uhr und sensible Signalführung

Taktsignale sind besonders problematisch, weil sie periodisch und oberschwingungsreich sind. Halten Sie alle Taktspuren so kurz wie möglich und leiten Sie sie auf derselben Schicht mit einer klaren Masseebene darunter. Leiten Sie keine Takte parallel zu einer HF-Spur; müssen sie sich kreuzen, verwenden Sie orthogonales Routing auf verschiedenen Schichten, die durch eine Masseebene getrennt sind. Verwenden Sie Serienwiderstände oder Ferritperlen an Taktausgängen, um Flankenrate und Oberwellengehalt zu reduzieren.

Abschirm- und Isolationstechniken

Metalldosen und Bodenzäune

Wenn der Abstand an Bord keine ausreichende Isolierung erreichen kann, ist eine Metallabschirmdose über HF-Abschnitten hinzuzufügen. Die Dose muss mit einem festen Massering auf der Leiterplatte mit vielen Erdungskontakten um den Umfang herum verlötet werden. Die Abschirmung muss keine Resonanzen innerhalb des Betriebsfrequenzbandes aufweisen. Für eine kostengünstigere Alternative ist ein Erdungszaun zu schaffen, indem eine Reihe von Kontaktkontakten in einem rechteckigen Muster um den HF-Bereich gelegt und dann ein dünnes Kupferband oder ein Metallclip oben verlötet werden. Dies bietet eine bescheidene Isolation (20-30 dB) und ist für Prototypen nützlich.

Vergrabene Kapazität und absorbierende Materialien

Einige Hochgeschwindigkeits-Digital- und HF-Designs profitieren von eingebetteten Kapazitätsschichten — sehr dünnes Dielektrikum zwischen Strom- und Masseebenen, um eine hochfrequente Entkopplung zu ermöglichen; außerdem können EMI-Absorber (z. B. Ferritplatten oder kohlenstoffbeladener Schaum) über verrauschte digitale Bereiche gelegt werden, um Strahlungsemissionen zu dämpfen; diese Materialien sind verlustbehaftet und sollten nur verwendet werden, wenn andere Techniken nicht ausreichen.

Filterung von I/O-Leitungen

Alle Signale, die von der digitalen Zone in die HF-Zone gelangen, sollten gefiltert werden. Verwenden Sie Tiefpass-RP-Filter mit Grenzfrequenzen unterhalb des HF-Bandes oder verwenden Sie Ferritperlen in Reihe mit der Signalleitung. Für digitale Steuerleitungen (z. B. SPI oder GPIO) kann ein Serienwiderstand von 10-100 Ω und ein kleiner Kondensator gegen Masse (10-100 pF) hochfrequentes Rauschen unterdrücken. Stellen Sie diese Filter an der Quelle (digitale Seite), um zu verhindern, dass Rauschen in den HF-Bereich gelangt.

Simulation und Verifikation

Pre-Layout-Simulation

Vor dem Layout sollten Vorlayout-Simulationen der PDN-Impedanz und kritischen Signalpfade durchgeführt werden. Tools wie Keysight ADS, Ansys HFSS oder Open-Source-Äquivalente wie OpenEMS können Übersprechen, Einfügeverlust und Rücklaufverlust vorhersagen. Dieser Schritt hilft bei der Auswahl geeigneter Stapelparameter und Komponentenwerte.

Nachlagssimulation

Nach dem Routing S-Parameter für die HF-Spuren extrahieren und Augendiagramme für digitale Hochgeschwindigkeitsbusse auswerten; sicherstellen, dass alle Impedanzziele erreicht sind und keine Spuren übermäßige Längenabweichung aufweisen; ferner die Kopplung zwischen Angreifer- und Opfernetzen mit Feldlösern simulieren; wenn die vorhergesagte Isolation unter 40 dB liegt, sollten zusätzliche Masse-Vias oder ein Abstand hinzugefügt werden.

Prototyp und Messung

Selbst bei gründlicher Simulation ist die Messung unerlässlich. Verwenden Sie einen Vektornetzwerkanalysator (VNA), um HF-Spuren zu charakterisieren und den Rückflussverlust zu messen. Ein Zeitbereichsreflektometer (TDR) kann Impedanzprofile digitaler Leitungen überprüfen. Verwenden Sie einen Spektrumanalysator und Nahfeldsonden, um Störflecken zu identifizieren. Iterieren Sie die Layoutänderungen, bis das Design die Spezifikation erfüllt.

Praktische Design Checkliste

• Wählen Sie ein verlustarmes, stabiles Dk-Laminat für Frequenzen über 1 GHz.
• Verwenden Sie einen 6- bis 12-Schichten-Stackup mit dedizierten Bodenflugzeugen für HF- und digitale Domänen.
• Teilen Sie das Board in RF, High-Speed-Digital- und Low-Speed-Digitalzonen mit klaren Grenzen.
• Eine feste, ununterbrochene Bodenebene einrichten; wenn Splits verwendet werden, mit einem einzigen Punkt und vielen Näh-Vias verbinden.
• Entwerfen Sie alle HF- und kritischen digitalen Leiterbahnen für eine kontrollierte Impedanz (50 Ω Single-Ende, 100 Ω Differential).
• Platzieren Sie Entkopplungskondensatoren so nah wie möglich an IC-Power-Pins mit minimaler Schleifenfläche.
• Fügen Sie Abschirmkäfige oder Bodenzäune um empfindliche HF-Blöcke hinzu.
• Filtern Sie alle I/O-Leitungen, die zwischen digitalen und RF-Domänen kreuzen.
• Simulieren Sie die PDN-Impedanz, Signalintegrität und EMI vor der Herstellung.
• Prototyp und Test mit VNA, TDR und Spektrumanalysator.

Durch die systematische Anwendung dieser Techniken können Ingenieure eine Mixed-Signal-PCB erreichen, die sowohl die Anforderungen an die digitale Hochgeschwindigkeits- als auch die HF-Leistung erfüllt. Der Schlüssel ist, die Platine nicht als zwei getrennte Designs zu behandeln, die auf einem Substrat koexistieren, sondern als ein einheitliches System, bei dem jede Entscheidung – von der Materialauswahl bis zur Platzierung – zur Gesamtintegrität beiträgt. Mit sorgfältiger Planung und strenger Simulation führt die Integration zu kleineren, schnelleren und zuverlässigeren Produkten.

Für weitere Informationen lesen Sie Microwave Journal’s guide on mixed-signal PCB design and the TI application note on grounding and layout for high-speed mixed-signal systems.