Hinweise zu kristall- und oszillator-gedruckten Leiterplattendesigns

Wenn das Auslegen Ihrer gedruckten Leiterplatte (Englisch: Printed Circuit Board, PCB) zur Aufnahme von Komponenten, damit diese bestmöglich Höchstleistungen erbringen, eine komplizierte Aufgabe ist, wie beispielsweise bei Taktsignalen und ihrem Routing. Wenn wir ein paar branchenspezifische Regeln beachten, können Probleme mit elektromagnetischen Störungen minimiert werden, ohne dass komplizierte Formeln und teure Simulationstools benötigt werden.

Der Grund, warum das PCB-Layout zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist der Trend zur Reduzierung der Leiterplattengröße und Verbesserung der Integration. Kleinere Formfaktoren und leistungsärmere Elektronik haben jeweils weitere Überlegungen zur Folge. Je höher die Schaltfrequenzen, umso mehr Strahlung wird erzeugt. Mit einem guten Layout können viele EMI-Probleme minimiert werden, um die erforderlichen Spezifikationen zu erfüllen. Im Folgenden finden Sie einige Empfehlungen, denen Sie auf Anraten von ESC Inc. International entsprechend der guten Ingenieurpraxis folgen sollten.

•  Designrichtlinien kristall-gedruckte Leiterplatte (PCB)
• •  Schließen Sie den Kristallkondensator und den externen Lastkondensator an die PCB an, und zwar so nah wie möglich an den Oszillator-Eingangs- und Ausgangspins des Chips.
• •  Die Länge der Leiterbahnen in der Oszillationsschaltung sollte so kurz wie möglich sein und darf keine anderen Signalleitungen kreuzen.
• •  Vermeiden Sie rechtwinklige Biegungen auf Leiterbahnen.
• •  Stellen Sie sicher, dass die Lastkondensatoren CX1, CX2 und CX3 eine gemeinsame Masseplatte besitzen, falls ein drittes Oberton-Kristall verwendet wird.
• •  Schleifen müssen so klein wie möglich gestaltet sein, um das Rauschen zu minimieren, das durch die PCB eingekoppelt wird und um Störeffekte so weit wie möglich zu reduzieren.
• •  Legen Sie das Erdungsmuster (GND) nicht unter der Kristalleinheit aus.
• •  Führen Sie keine digitalen / RF-Signalleitungen oder Strom unter der Kristalleinheit für mehrschichtige PCB.

•  Designrichtlinien oszillator-gedruckte Leiterplatte (PCB)
• •  Legen Sie die Oszillator-Grundfläche auf der PCB so nah wie möglich an den Eingangspins der Last oder des Chips aus.
• •  Die Länge der Leiterbahnen sollte so kurz wie möglich sein und darf keine anderen Signalleitungen kreuzen.
• •  Vermeiden Sie rechtwinklige Biegungen auf Leiterbahnen. Die Kapazität steigt im 45° Eckbereich und ändert die charakteristische Impedanz der Leiterbahn, was Reflektionen zur Folge hat. Das kann durch Abrunden von rechten Winkeln gemildert werden.
• •  Nutzen Sie einen Serienabschluss, um stehende Wellen zwischen Source und Abschluss zu reduzieren. Dies wird konstruiert, indem ein Widerstand so nah wie möglich am Ausgangspin des Oszillators in eine Serie eingesetzt wird. Für eine korrekte Impedanz passend zur Ausgangsimpedanz des Taktgebers sollten Treiber und Serienabschlusswiderstand gleich der Leiterbahnimpedanz sein.
• •  Halten Sie Leiterbahnen mit differentiellem Ausgang möglichst gleichlang und so nah beieinander wie möglich. Dadurch wird der Kopplungsfaktor zwischen den Leiterbahnen erhöht, wodurch Rauschen in den Gleichtakt eingebracht wird, was für eine Differentialeingangsstufe weniger problematisch ist.
• •  Es hat sich bewährt, den Oszillator an die gemeinsame Masseplatte anzuschließen.
• •  Legen Sie das Erdungsmuster (GND) nicht unter der Kristalleinheit aus, dadurch wird die parasitäre Kapazität (Störkapazität) erhöht.
• •  Führen Sie keine digitalen / RF-Signalleitungen oder Strom unter Oszillatoren für mehrschichtige PCB, da dadurch Rauschen hinzugefügt wird.

Layout von Pierce-Oszillatoren
Die oben aufgeführten Punkte sind für den Einsatz von durch Mikroprozessoren verwendete Pierce-Oszillatoren wichtig. Nachstehend sehen Sie die Schaltung und ein typisches Layout für einen Pierce-Oszillator mit einem 4-Pad-Kristall.

Typischer Pierce-Oszillator mit Kristall/Resonator

Typischer Pierce-Oszillator mit PCB-Kristall

Die Schleife des Kristalloszillators hat eine niedrige Eingangsimpedanz bei Oszillatorfrequenz, aber eine hohe Eingangsimpedanzeigenschaft außerhalb des Resonanzfrequenzbereichs. Diese hohe Impedanzeigenschaft ist für EMI anfällig, wenn in der Nähe ein elektrisches Feld verwendet wird. Durch neuere Technologien wurde der Signalpegel von Oszillatoren bei <1 V eingeschränkt, wodurch die Anfälligkeit steigt.

Um zu unterstreichen, wie wichtig es ist, die Streukapazität der PCB gering zu halten, wurden die Cs in der Berechnung hervorgehoben. Je niedriger die Lastkapazität (CL) des Kristalls, umso größer ist der Einfluss der Streukapazität der PCB auf das Design

Die Masseverbindungen mit dem Lastkondensatoren C1 / C2 sollten so kurz wie möglich gehalten werden, um Erdströme mit anderen Schaltungen zu vermeiden. Die XTAL IN- und XTAL OUT-Pins liegen auf dem Prozessor sehr oft nebeneinander. Parasitäre Kapazitäten (Störkapazitäten) können ein Problem darstellen, weshalb Leiterbahnen so weit entfernt wie möglich geleitet und genauso kurz gehalten werden.

• •  Typische Kapazitäten, die auftreten können, sind:
• •  XTAL IN an Masse: 1pF
• •  XTAL OUT an Masse: 2pF
• •  XTAL IN an XTAL OUT: 0,5pF

Die üblichen Kristalltypen haben versiegelte Gehäuse, in denen der Gehäusedeckel mit den Massepins elektrisch verbunden ist. Bei diesem Gehäusetyp wird empfohlen, die Pins zu erden, um die Möglichkeit von EMI vom Deckel zu reduzieren. Es ist darauf hinzuweisen, dass versiegelte Gehäuse eine bessere Leistung bieten. Eine alternative Methode der Versiegelung stellen glasversiegelte Kristalle dar, und wegen dieses Verfahrens ist der Deckel von den Massepins isoliert. Bei diesem Gehäusetyp wirf keine Erdung der Massepins am Kristall empfohlen.

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)
Die elektromagnetische Verträglichkeit ist die Fähigkeit elektrischer Komponenten, Geräte und Systeme, wie vorgesehen in ihrer Umgebung zu funktionieren. Dies geschieht durch Begrenzung der unbeabsichtigten Erzeugung, Propagierung und des Empfangs elektromagnetischer Energie. Diese unerwünschten Rauschquellen werden als elektromagnetische Störung (Electromagnetic Interference, EMI) bezeichnet. Das Ziel der EMV besteht im korrekten Betrieb verschiedener Geräte in einer gemeinsamen elektromagnetischen Umgebung.

Die Masseplatte
Eine Masseplatte ist dann effektiv, wenn sie mit einer analogen oder digitalen Schaltung und einem Mix von Komponenten betrieben wird. Masseverbindungen werden je nach Bedarf hergestellt, anstatt einheitlich im ganzen Layout.

Eine Masseplatte erhält man nicht, indem man alle Leerräume mit Kupfer füllt und mit der Masse verbindet. Ihre Funktion besteht darin, den Fluss von Rücklaufstrom zu ermöglichen, und das ideale Layout sollte so wenige Unterbrechungen wie möglich enthalten. Aus diesem Grund werden Mehrschichtleiterplatten verwendet. Eine ganze einheitliche Schicht kann mit der Masse verbunden werden, eine mit der Stromversorgung und eine andere mit dem Signalgeber. Dadurch wird die Verteilung der Zwischenschichtkapazität verbessert. Es hat auch den zusätzlichen Vorteil einer niedrigen Impedanz zwischen Stromversorgung und Masse bei hohen Frequenzen.

Einzelne Löcher spielen im Gegensatz zu großen Schlitzen für die Masseplatte keine Rolle. Wenn die Masseplatte von anderen Leiterbahnen oder Löchern unterbrochen ist, wird der normale niederinduktive Stromfluss um das Hindernis herum geleitet und die Induktivität wird nachhaltig erhöht.

Unterbrechungen sollten nur toleriert werden, wenn sie keine Leitungen mit hohem di-/dt-Fluss unterbrechen. Leiterbahnen unter Komponenten, die hohe Schaltströme oder schnelle Logikflanken transportieren, verursachen eine induzierte Kapazität. Sogar eine sehr enge Leiterbahn, die zwei Segmente der Masseplatte miteinander verbindet, ist besser als keine. Bei hohen Frequenzen, davon eingeschlossen sind digitale Übergänge von Logikflanken, folgt der Strom meist dem Pfad, der den am wenigsten magnetischen Fluss umschließt. Das bedeutet, dass sich der Rücklaufstrom der Masseplatte vorzugsweise unter der entsprechenden Signalspur konzentriert.

Einige Leiterplattenhersteller raten davon ab, große Kupferbereiche zu belassen, da dies ein Verziehen der Platte oder eine Rissbildung im Lötstopplack zur Folge haben kann. Wenn dies ein mögliches Problem darstellt, kann die feste Masseplatte durch ein Gittermuster ersetzt werden, ohne dass die Wirksamkeit beeinträchtigt wird. Zur Herstellung einer Lötverbindung mit der Masseplatte oder jedem anderen großen Kupferbereich auf der Leiterplatte sollten Sie das Lötpad aus der Erdungsfläche „herausbrechen“ und mit kurzen Längen der Leiterbahn verbinden. Dadurch wird verhindert, dass die Masseplatte während des Lötens als Kühlkörper fungiert und dafür gesorgt, dass die Lötstellen zuverlässig sind.

Strahlungsgebundene elektromagnetische Störungen

(EMI) – EMI
Was sind Prüfungen strahlungsgebundener Emissionen oder EMI-Prüfungen? Die Prüfung strahlungsgebundener Emissionen beinhaltet die Messung der elektromagnetischen Feldstärke der Emissionen, die unbeabsichtigt von Ihrem Produkt erzeugt werden. Emissionen sind den Schaltspannungen und -strömen in allen Digitalschaltungen eigen. Durch die Prüfungen erfahren Sie die Emissionsmenge. Sie können dann beurteilen, ob sie die Einfluss auf die Leistung Ihres Systems oder umgebender Systeme haben.

Typische Strahlungsausfallmodi
Es gibt eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Designs oder Möglichkeiten, auf elektromechanische Art Strahlungsemissionen zu verursachen. Im Folgenden finden Sie eine kurze Liste einiger typischer EMI-Designprobleme:

Leitungsgebundene EMI
Jedes elektronische Gerät erzeugt elektromagnetische Energie und ein bestimmter Teil davon wird auf die Spannungsversorgung geleitet und potenziell mit der externen Spannungsversorgung gekoppelt.

Um die Störungsmenge zu begrenzen, kann Ihr Gerät an eine Spannungsversorgung rückkoppeln. Diese Emissionen werden von Prüflaboren gemessen. Sie interessieren sich in der Regel für Emissionen in einer Bandbreite von 150 kHz ~ 30 MHz. Sie überprüfen auf Strahlung und prüfen, ob vorgegebene Grenzwerte eingehalten werden.

EMI-Prüfverfahren und -stufen unterliegen dem Internationalen Sonderkomitee für Funkstörungen (Comité international spécial des perturbations radioélectriques, CISPR). Weitere Informationen finden Sie auf der Website der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC).

Emissionsprüfung
In Übereinstimmung mit ANSI C63.4 liegen die Netznachbildungen (engl. Line Impedance Stabilization Network, abgekürzt LISN bzw. LISNs) auf der Erde, während Ihr Produkt auf einem Tisch liegt (oder bodenstehend bleibt, wenn es sich um eine große Vorrichtung handelt). Der HF-Anschluss einer LISN ist direkt mit einem Spektrumanalysator verbunden (oder über einen Transienten-Limiter zur Vermeidung von Beschädigungen durch Spannungsspitzen).

Verwendbarkeit von leitungsgebundenen Emissionen
Die Prüfung leitungsgebundener Emissionen wird üblicherweise bei Geräten oder Vorrichtungen durchgeführt, die an eine AC-Spannungsversorgung angeschlossen sind. Dies erfolgt ungeachtet dessen, ob Sie einen vorzertifizierten AC-DC-Spannungsversorgungsadapter verwenden. Bei einigen Normen werden auch Grenzwerte auf Geräte oder Vorrichtungen gesetzt, die mit einer DC-Spannungsversorgung betrieben werden.

Empfehlungen für leitungsgebundene Emissionen
Ohne zu sehr ins Detail zu Schaltungsdesigns für Konformität in Bezug auf leitungsgebundene Emissionen zu gehen, gibt es ein paar einfache Möglichkeiten, um das Risiko zu minimieren, dass Sie die Prüfung von leitungsgebundenen Emissionen nicht bestehen:

• •  Schließen Sie immer eine Spannungsversorgung an die Stromquelle an, die für die Grenzwerte ausgelegt ist, die Sie bestehen müssen.
• •  Wenn es sich bei Ihrem Gerät oder Ihrer Vorrichtung um ein Gerät der „Klasse B“ handelt, dann stellen Sie sicher, dass Sie einen Adapter der Klasse B an die Stromquelle anschließen. Ein Adapter, der nur Grenzwerte der Klasse A bestanden hat, wird in einer Systemprüfung wahrscheinlich nicht bestehen. Ein Adapter der Klasse B garantiert nicht, dass die Prüfung auf leitungsgebundene Emissionen der Klasse B bestanden wird, ist aber durchaus hilfreich.
• •  Schließen Sie bei strengeren Grenzwerten für Militär, Medizin, Automobilindustrie oder Luftfahrt immer eine Spannungsversorgung an die Stromquelle an, in deren Spezifikation die Konformität mit dem entsprechenden Grenzwert angegeben ist.
• •  Bringen Sie mindestens drei verschiedene Spannungsversorgungen zum Prüflabor mit.
• •  Wenn Ihr Gerät oder Ihre Vorrichtung einen externen AC-DC-Spannungsadapter verwendet, bringen Sie zur Sicherheit äquivalente Adapter verschiedener Hersteller mit. Wenn Sie die Prüfung nicht bestehen, können Sie den Adapter austauschen und sehen, ob mit den anderen Spannungsversorgungen die Prüfung bestanden wird.
• •  Überprüfen Sie Ihre Stromversorgungsschienen auf Welligkeit.
• •  Wenn Ihre Spannungsversorgungen schön und sauber sind, dann ist die Chance groß, dass Ihr PDN und Ihre Entkopplung in gutem Zustand sind. Wenn Sie ausgedehnte Welligkeiten oder Spitzen von Schaltspannungsversorgungen beobachten, kann das Rauschen durchaus auf der AC-Seite Ihrer Spannungsversorgung vorhanden sein.
• •  Wenn es einen wichtigen Grund dafür gibt, die Masseplatte aufzuteilen, beispielsweise um eine analoge und digitale Masse zu trennen, um Rauschkopplung zu vermeiden, dann seien Sie vorsichtig, denn das Aufteilen von Masseplatten kann wie eine Schlitzantenne wirken und strahlen. Schließen Sie in diesen Fällen die geteilten Masseplatten nur ein einem einzigen Punkt an. Je mehr gemeinsame Masseanschlüsse Sie haben, umso mehr Schleifen erzeugen Sie und umso mehr EMI werden von Ihrem System abgestrahlt.
• •  Viele Designs verfügen über Bypass- und Entkopplungskondensatoren. Sie können den Rücklaufstrompfad reduzieren, indem Sie die Kondensatoren erden. Dadurch wird die Größe der Masseschleife und demzufolge die Strahlung reduziert. Vergewissern Sie sich nur, dass Sie keinen Bypasskondensator zwischen einer Stromversorgungs- und einer unabhängigen Masseplatte anschließen, da dadurch kapazitive Kopplungen verursacht werden können.

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