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Optimierung der Hochfrequenz-Leiterplattenleistung: 4 Hauptstörfaktoren und ihre Lösungen

2024-07-24Reporter: SprintPCB

Beim Hochfrequenz-PCB-Design werden Interferenzprobleme mit steigenden Frequenzen und immer kleineren und kostengünstigeren Schaltungen immer komplexer. Zu den wichtigsten Störfaktoren zählen Stromrauschen, Störungen der Übertragungsleitungen, Kopplung und elektromagnetische Störungen (EMI). Hier finden Sie eine detaillierte Erklärung und Lösungen:

1. Stromrauschen

Bei Hochfrequenz-Leiterplattendesigns beeinflusst Stromrauschen Hochfrequenzsignale erheblich. Daher ist eine rauscharme Stromversorgung sowie saubere Masse- und Stromleitungen unerlässlich. Strom hat eine inhärente Impedanz, und Rauschen kann die Stromversorgung überlagern. Um die Stromimpedanz zu minimieren, sind dedizierte Strom- und Masselagen vorzuziehen. Stromlagen sind im Allgemeinen besser als Bus-Designs, da sie Signalschleifen minimieren und Rauschen reduzieren.

Methoden zur Beseitigung von Stromrauschen :

Via-Management : Vermeiden Sie große Öffnungen in den Versorgungsebenen, die Signalschleifen unterbrechen. Große Öffnungen können Signale zu Umwegen zwingen, wodurch die Schleifenfläche und das Rauschen vergrößert werden.
Ausreichende Masseleitungen : Jedes Signal benötigt einen eigenen Rückweg mit parallelen Signal- und Rückwegen, um die Schleifenfläche zu minimieren.
Trennen Sie analoge und digitale Stromversorgung : Hochfrequenzgeräte reagieren empfindlich auf digitales Rauschen. Trennen Sie sie daher und führen Sie sie am Stromeingangspunkt zusammen, wobei Sie Schleifen für sich kreuzende Signale platzieren.
Vermeiden Sie überlappende Leistungsschichten : Verhindern Sie Rauschkopplung durch parasitäre Kapazität.
Isolieren Sie empfindliche Komponenten : Zum Beispiel PLLs.
Platzieren Sie Stromleitungen : Reduzieren Sie das Rauschen, indem Sie Stromleitungen neben Signalleitungen platzieren.

2. Übertragungsleitungen

Bei der Entwicklung von Hochfrequenz-Leiterplatten treten Reflexionen in Übertragungsleitungen auf, die die Signalqualität beeinträchtigen und das Systemrauschen erhöhen. Die primäre Lösung ist die Impedanzanpassung, um Diskontinuitäten in der Übertragungsleitungsimpedanz zu vermeiden.

Methoden zur Beseitigung von Übertragungsleitungsstörungen :

Vermeiden Sie Impedanzdiskontinuitäten : Verwenden Sie 45°-Winkel oder -Kurven anstelle von rechten Winkeln und minimieren Sie die Verwendung von Durchkontaktierungen, da jede Durchkontaktierung einen Punkt mit Impedanzdiskontinuität darstellt.
Vermeiden Sie Stichleitungen : Kurze Stichleitungen können abgeschlossen werden; lange Stichleitungen sollten vermieden werden, da sie erhebliche Reflexionen verursachen.

3. Kupplung

Zu den gemeinsamen Kopplungskanälen im Hochfrequenz-PCB-Design zählen die gemeinsame Impedanzkopplung, die Gleichtaktkopplung, die Gegentaktkopplung und das Übersprechen.

Methoden zur Beseitigung von Übersprechen :

Richtige Terminierung : Terminieren Sie empfindliche Signalleitungen, um Störungen zu reduzieren.
Vergrößern Sie den Abstand zwischen den Signalleitungen : Nutzen Sie das Erdungsschichtmanagement und reduzieren Sie die Leitungsinduktivität.
Masseleitungen einfügen : Zwischen benachbarten Signalleitungen, wobei die Masseleitungen alle 1/4 Wellenlänge mit der Massefläche verbunden sind.
Schleifenbereiche minimieren : Reduzieren Sie die Schleifengröße, wo immer möglich.
Vermeiden Sie gemeinsame Signalschleifen : Stellen Sie sicher, dass jedes Signal einen eindeutigen Rückweg hat.
Konzentrieren Sie sich auf die Signalintegrität : Verwenden Sie beim Löten Abschlusstechniken und Kupferfolienabschirmung für Mikrostreifenlängen.

4. Elektromagnetische Interferenzen (EMI)

Beim Hochfrequenz-PCB-Design werden EMI-Probleme mit zunehmender Geschwindigkeit immer bedeutender, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsgeräten.

Methoden zur Beseitigung elektromagnetischer Störungen :

Schleifen reduzieren : Minimieren Sie die Anzahl und Größe der Schleifen, vermeiden Sie künstliche Schleifen und verwenden Sie Power Planes.
Filterung : Verwenden Sie Entkopplungskondensatoren, EMI-Filter und magnetische Komponenten auf Strom- und Signalleitungen.
Abschirmung : Implementieren Sie Abschirmmaßnahmen, wie z. B. Abschirmdosen oder -schichten.
Geringere Geschwindigkeit von Hochfrequenzgeräten : Wählen Sie Geräte mit geringerer Geschwindigkeit, um die elektromagnetische Störung zu reduzieren.
Erhöhen Sie die Dielektrizitätskonstante und Dicke der Leiterplatte : Reduzieren Sie die Strahlung von Hochfrequenzteilen und verhindern Sie elektromagnetische Leckagen.

Zusammenfassende Grundsätze für das Hochfrequenz-PCB-Design :

Einheitliche und stabile Strom- und Erdungsleitungen : Sorgen Sie für niederohmige, saubere Strom- und Erdungsleitungen.
Sorgfältiges Routing und Terminierung : Eliminieren Sie Reflexionen und reduzieren Sie Übersprechen.
Rauschunterdrückung : Verwenden Sie Filterung, Abschirmung und optimiertes Design, um die EMV-Anforderungen zu erfüllen.