Leiterplatten-Entwicklung Bei HF genau hinschauen

Zulieferer müssen sich den kurzen Entwicklungszyklen bei OEMs von Elektronikprodukten stellen. Dies verlangt nicht nur neue Techniken bei den Bauteilen, sondern auch bei den Leiterplatten. Denn nur eine impedanzkontrollierte Platine gewährleistet saubere Signale zwischen den Bauteilen.

von Volker Feyerabend, Geschäftsführer von APROS Int. Consulting + Firmenservices.

Bauteile und Leiterplatten unterliegen Fertigungstoleranzen, und diese beeinflussen die Funktionsweise und Haltbarkeit des fertigen Produkts ganz wesentlich. So muss eine Leiterplatte neben mechanischen Qualitätskriterien und Funktionseigenschaften auch bestimmte elektrische aufweisen. Nur so lassen sich solide und sichere Geräte bauen.

Applikationsingenieure und Elektronikentwickler der Bauteilehersteller arbeiten Hand in Hand, um den neuen Herausforderungen bezüglich Miniaturisierung und Steigerung der Arbeitsfrequenzen Herr zu werden. Steigende Frequenzen und kleinere Abstände zwischen den Leiterbahnen führen unweigerlich dazu, dass diese sich stärker gegenseitig beeinflussen. Parallel verlaufende Leiterbahnen wirken wie Kapazitäten, deren Blindwiderstände umgekehrt mit der Signalfrequenz abnehmen. Außerdem gilt: Je länger die Leitungen parallel verlaufen, desto größer wird die Kapazität. Auf der anderen Seite steigt bei immer schmäleren Leiterbahnen deren Induktivität. Doch je größer Kapazität und Impedanz werden, desto niedriger wird die Grenzfrequenz.

Damit werden gerade hohe Frequenzen immer stärker gedämpft. Aus einem sauberen Rechtecksignal macht ein solcher Tiefpassfilter ein mehr oder weniger verschliffenes Signal. Im Extremfall bleibt die Sinusgrundwelle übrig. Gemäß Fourieranalyse lässt sich jedes beliebige Signal in einzelne Sinusschwingungen zerlegen. Dabei variieren die Amplituden und Phasenverschiebungen je nach Signal. Fügt man am Ende der Übertragungsstrecke diese einzelnen Schwingungen wieder zusammen, sollte daraus normalerweise das Originalsignal entstehen. Fehlt jedoch aufgrund des Tiefpassverhaltens der Übertragungsstrecke die eine oder andere Oberwelle oder sind deren Amplituden bzw. Phasenlagen verändert, folgen daraus zwingend Abweichungen vom Originalsignal.

Aufgabe von Layouter und Entwickler

Wie groß diese Abweichungen sein dürfen, hängt von vielen Faktoren ab. Zum einen muss der Signaleingang der integrierten Schaltung das empfangene Signal so weiterverarbeiten, als sei es das Originalsignal, zum anderen müssen zwei gleichzeitig generierte Signale an unterschiedlichen Eingängen auch wieder gleichzeitig ankommen (Laufzeit). In der Signalform und der zeitlichen Abfolge der Signale steckt letztendlich die Information, die das System verarbeiten soll.

Ein IC-Hersteller ist für die korrekte Signalweiterleitung innerhalb seines ICs verantwortlich. Er definiert in seinem Datenblatt die Spezifikationen, mit denen jedes Bauteil betrieben werden muss, damit keine Fehlfunktionen auftreten. Layouter und der Elektronikentwickler, die viele dieser Bauteile miteinander verschalten, müssen dafür sorgen, dass auch der Signalweg – was also mit dem Signal
zwischen den Bauteilen passiert – in der geforderten Spezifikation liegt. Damit beispielsweise ein Schaltkreis die Dauer eines Eingangsimpulses auch richtig an seinem Ausgang ausgeben kann, sind entsprechend steile Flanken am Eingang notwendig. Angenommen, die vorherige Funktionsstufe liefert einen absolut sauberen Rechteckimpuls, aber die Übertragungsstrecke dämpft die hohen Signalanteile zu stark, dann ist die Anstiegsflanke des Signals dadurch deutlich flacher, was ein verspätetes Durchschalten der Eingangsstufe zur Folge hat. Damit ergibt sich ein zeitlicher Versatz zwischen den Signalen.