Optimierung des Rauschverhaltens von Mixed-Signal-Schaltungen
Fortsetzung des Artikels von Teil 5
Gemeinsame Wirkung von Proximity- und Skin-Effekt
IRP ist die Flächenstromdichte in der Referenz-Ebene in einer horizontalen Entfernung D von der Ausgangs-Leiterbahn, i ist der Signalstrom, H die vertikale Distanz der Signal-Leiterbahn von der Referenz-Ebene und D die horizontale Entfernung vom Rand der Leiterbahn.
Der Strom in der Rückstromfläche folgt sehr genau dem Ausgangsstrom in der darüber (oder auch darunter) liegenden Leiterbahn. Der Strom in der Entfernung D vom Leiterbahnrand geht auf weniger als 4 % des Stroms direkt unterhalb der Leiterbahn zurück, wenn das Verhältnis D/H 5 beträgt, und sinkt gar auf ca. 1 % bei einem Verhältnis von 10 zwischen D und H. Die Folge ist, dass sich der Wechselstrom in der Rückstromfläche weitgehend unter dem zugehörigen Ausgangsstromweg konzentriert. Ein sorgfältiges Leiterplatten-Layout vorausgesetzt, ist es aus diesem Grund nicht notwendig, die Massefläche aufzuteilen. Hinzu kommt, dass ein Teilen der Massefläche gravierende Störabstrahlungs-Probleme verursachen kann, die viele Designer – nicht selten vergeblich – mit aufwendigen Abschirmmaßnahmen in den Griff zu bekommen versuchen.
Wenn ein genügend großer Abstand zwischen den Leiterbahnen gewahrt bleibt, kommen sich die verschiedenen Rückströme nicht gegenseitig ins Gehege. Gerade die unerwünschte Vermischung von Strömen in der Rückstromfläche ist es nämlich, die zu Übersprechen, Interferenzen und Rauschen führt. Welcher Abstand einzuhalten ist, hängt von der vertikalen Distanz zwischen den Leiterbahnlagen ab (H in Bild 2 und Formel 1). Die Flächenstromdichte-Formel gibt Auskunft über die Flächenstromdichte auf jedem Punkt der Fläche, bezogen auf die Entfernung D zum Rand der Ausgangs-Leiterbahn.
Die typischen Werte für H hängen davon ab, auf welchen Leiterplattenlagen sich die Ausgangs-Leiterbahn und die Rückstromfläche befinden. Zwischen einer äußeren Lage und einer inneren Lage beträgt H bei vier- und sechslagigen Boards typisch ca. 1,9 mm. Zwischen den inneren Lagen ist H typisch ca. 1 mm für eine vierlagige Leiterplatte bzw. ca. 0,35 mm für eine sechslagige Leiterplatte. Informationen über den Lagenabstand der Leiterplatten sind von den jeweiligen Herstellern erhältlich.
Lässt man zwischen den Rändern der Leiterbahnen einen Abstand, der viermal so groß ist wie die Distanz zwischen Ausgangs-Leiterbahn und Rückstromfläche, reduziert sich das Übersprechen auf etwa 6 % der Signalamplitude.
Skin-Effekt und Proximity-Effekt gemeinsam haben zur Folge, dass der Strom nur in einem sehr kleinen Teil des Leiterquerschnitts fließt. In der Tat ist der stromdurchflossene Bereich deutlich kleiner als in Bild 3 gezeigt. Die Folge ist, dass sich der Wechselstromwiderstand des Leiters erhöht.
Jobangebote+ passend zum Thema
Als wären der Skin-Effekt und der Proximity-Effekt nicht schon genug, kommen bei Hochfrequenz-Stromkreisen als weiteres Problem die elektromagnetischen Interferenzen (EMI) hinzu. Dieses Problem hat sogar zwei Facetten: die Störaussendung (Abstrahlung) und die Störeinstrahlung.
Nahezu alle Industriestaaten haben Richtlinien hinsichtlich der maximalen Energie von Störaussendungen erlassen. Dies hat den Vorteil, dass Stromkreise grundsätzlich mit weniger Störenergie konfrontiert werden. Dennoch müssen Vorkehrungen getroffen werden, um Stromkreise vor Störaussendungen auf unerlaubten Frequenzen zu schützen. Es ist anzuraten, Schaltungen grundsätzlich gegen die Einstrahlung von Störsignalen zu schützen, denn schließlich kann niemals vorhergesagt werden, ob eine Schaltung starken Störfeldern ausgesetzt werden wird.
Hin- und Rückstrom umschließen eine Fläche. Je größer die Fläche dieser Schleife ist, umso stärker ist das elektrische Feld, das die Leiter umgibt. Da dieses elektromagnetische Feld auf Abstrahlung zurückzuführen ist, ist die abgestrahlte bzw. aufgenommene Energie um so größer, je größer die Schleifenfläche ist. Da außerdem hochfrequente Ströme auf einem schmalen Pfad in der Rückstromfläche fließen, wirkt auch diese große Fläche wie eine einfache Leiterbahn und kann dementsprechend abstrahlen, speziell wenn der Stromweg durch die Massefläche erzwungenermaßen einen anderen Verlauf nimmt als der Ausgangsstrom. Dies ist häufig bei geteilten Erdungsflächen der Fall, und so ist die Verwendung geteilter Erdungsflächen eindeutig nicht empfehlenswert.
- Optimierung des Rauschverhaltens von Mixed-Signal-Schaltungen
- Einfluss der Kondensatorqualität auf die Signalintegrität
- Optimierung des Rauschverhaltens von Mixed-Signal-Schaltungen
- Autor:
- Optimierung des Rauschverhaltens von Mixed-Signal-Schaltungen
- Gemeinsame Wirkung von Proximity- und Skin-Effekt
