Optimierung des Rauschverhaltens von Mixed-Signal-Schaltungen

Das Minimieren des Rauschens in Mixed-Signal-Schaltungen war lange Zeit ein Problem für die meisten Schaltungsdesigner. Die Schwierigkeiten verschärfen sich, je höher die Frequenzen und je steiler die Flanken der digitalen Signale werden. Neueste Datenwandler kommen bei 8 bit Auflösung...

Das Minimieren des Rauschens in Mixed-Signal-Schaltungen war lange Zeit ein Problem für die meisten Schaltungsdesigner. Die Schwierigkeiten verschärfen sich, je höher die Frequenzen und je steiler die Flanken der digitalen Signale werden. Neueste Datenwandler kommen bei 8 bit Auflösung auf Abtastraten über 3 GSPS, während bei 11 bis 14 bit Auflösung immer noch 100 MSPS erreicht werden. Bei Abtastraten dieser Größenordnung und bei hohen Signalfrequenzen stellt das Rauschen ein gravierendes Problem dar.

Thema dieses Beitrages ist einerseits Signalintegrität bzw. wie sich die Signalintegrität auf das Rauschen in Mixed-Signal-Systemen auswirkt (siehe Kasten auf S. 60/61), und andererseits der Proximity-Effekt sowie die Frage, wie das Wissen über dieses Phänomen und den Skin-Effekt helfen kann, das Leiterplatten-Layout und das Signal-Routing so zu wählen, dass sich das Rauschen möglichst wenig auswirkt. Es werden außerdem weitere Rauschquellen und Methoden zur Verringerung dieses Rauschens diskutiert, um das Rauschaufkommen in diesen Schaltungen insgesamt zu minimieren.

Bei zwei Leitern, in denen ein hochfrequenter Hin- bzw. Rückstrom fließt, sorgt der Proximity-Effekt dafür, dass sich der Strom an den einander zugewandten Seiten der Leiter konzentriert (Bild 1). Bekanntlich fließen Wechselströme aufgrund des Skin-Effekts hauptsächlich nahe der Oberfläche der Leiter. Nähert man die Leiter einander an und/oder erhöht man die Frequenz, haben die Ströme in den benachbarten Leitern infolge des Proximity-Effekts die Tendenz, sich noch weiter aneinander anzunähern. Die Begründung für den Proximity-Effekt ist, dass sich der Strom stets den Weg des geringsten Widerstands sucht. Der geringste Widerstand aber entsteht unter anderem dann, wenn die Leiter von einem minimalen Feld umgeben sind.

Während Gleichstrom-Rückflüsse den Leiter in seinem gesamten Querschnitt ausfüllen, ist dies bei Wechselströmen nicht der Fall. Die niedrigste Impedanz weist der Stromweg dann auf, wenn die magnetischen Felder, die den Hin- und Rückstromweg umgeben, eng miteinander verbunden sind. Das veranlasst die Ströme, ihren Abstand zu minimieren. Dieser Effekt hat ebenfalls zur Folge, dass sich Ströme in Rückstromflächen tendenziell auf einen Bereich direkt unterhalb des zugehörigen Ausgangsstroms konzentrieren, als handele es sich nicht um eine ganze Fläche, sondern nur um eine Leiterbahn (Bild 2).

Zu beachten ist, dass hier von der Rückstromfläche und nicht von einer Masse- oder Erdungsfläche gesprochen wird. Grund: Der Rückstrom fließt manchmal in der Massefläche, gelegentlich aber auch in der Stromversorgungs-Fläche. Als Rückstromfläche bezeichnet man stets diejenige Fläche, in der der Rückstrom fließt.

Die Flächenstromdichte IRP in der Rückstromfläche nimmt mit zunehmender Entfernung vom Rand der Leiterbahn, in der der Ausgangsstrom fließt, steil ab: