Ett kretskort används sällan ensamt . Ofta är det anslutet till spänningsmatning, givare, ställdon, bakplan eller andra logikkort.

Det är flera aspekter att tänka på, i syfte att uppnå bra kretskortsanslutning och tillfredställande EMC-egenskaper, även på högre nivå. En av de mest känsliga delarna av ett kretskort är I/O-delen och tillhörande anslutningar. Deras utförande kan påverka både emission (ledningsbunden och strålad) och tålighet samt ESD-tålighet.

 

Stiftdisposition i anslutningsdon

Figur 2 visar olika arrangemang, där signalnolla-anslutningar (”jord”) är distribuerade i olika mönster genom ett typisk tvåradigt kontaktdon. Antal och  fördelning av tillgängliga stift för signalnolla bestämmer signalöverföringens kvalitet. Ju fler och jämnare fördelade nollvoltsstift desto bättre. (Minsta möjliga avvikelse i överföringens impedans eftersträvas).

 

Vid överföring av högfrekventa digitala signaler är det eftersträvansvärt att det finns en närbelägen returledare till varje signalledare. Om det bara finns en nollvoltsledare i anslutningskontakten, agerar den som återledare till alla signalledare. Denna konstruktionslösning ger olika slingytor för olika signalöverföringspar och därmed olika karakteristiska impedanser, vilket ger sämre EMC-egenskaper och sämre signalintegritet jämfört med utförandet där har man vikt varannan anslutning för 0-volt. Den senare lösningen ger snävare signalslingor och samma karakteristiska impedans för alla signalöverföringspar.

Se figur 3. Med få återledare (nollor) i anslutningsdonet ökar dessutomöverhöringen mellan de olika signalerna.

Matningsspänningens kvalitet har stor betydelse

Det kan tyckas vara enkelt att förse ett antal IC-kretsar med matningsspänning. Det är bara  att dra en ledare mellan matningskällan och kretsarnas Vcc-ben. Men strömmen som flyter genom en digital IC-krets är inte DC. Strömmen är pulserande och kan ha en bandbredd som överstiger en GHz. Således måste spänningsdistributionen betraktas så som det komplexa högfrekvens-system det är.

 

Generellt skall matningen vara så fri från övertoner och rippel som möjligt. Det är ännu viktigare när matningen sker på längre sträckor, tex i ett bakplan. Hela, lågimpediva och separata spännings- och nollvoltsplan, med tillräckliga antal avkopplingskondensatorer av god kvalitet (låg egeninduktans), är en bra grund för bakplanskonstruktion.

 

Signalbussarnas signalkvalitet

En bra konstruktion, med digitala IC-kretsar, innebär bland annat att upprätthålla signalintegriteten för logiksignaler. Det är flera motstridiga mål som måste uppfyllas:

• Maximering av signal till- och frånslagstiden (slöa flanker)
• Minimering av signal ”skew” (kräver korta omslagstider)
• Uppnå välformade signaler utan ringning och distorsion

För att uppnå dessa mål måste man jobba med signalledarnas överföringsegenskaper, dvs varje signalledarpar skall betraktas som en transmissionsledning och avslutas med rätt karakteristisk impedans.

 

Koppling mellan korten

Fältkoppling mellan kort är ofta förbisedd av systemkonstruktörer. Om kortseparationen är liten, finns det stor risk att fält orsakat av högfrekvensströmmar, kommer att kopplas till ett gränssnittskort och vidare till anslutande kablage och därmed orsaka emissionsproblem. Se figur 5.

Antal lager i bakplan

För att uppnå goda emissionsegenskaper (=låg emission) för ett bakplan för fler än ca fem dotterkort med ca fem nanosekunders signalomslagstider, krävs det generellt fler än fyra lager. Det är också viktigt att högrisksignalledare (till exempel klocka, buss, gränssnittssignaler), dras som stripline när flerlagerskort används i bakplan.

 

 Diskontinuiteter

Se upp med slitsar i bakplan. Det är lätt att oavsiktligt konstruera in slitsar i matnings- respektive referensplan. Gör inte större uttagshål runt anslutningsben än nödvändigt – hålen får inte hänga ihop och bilda slitsar (se figur 4).

 

Vid varje anslutningsben t ex för anslutningsdon skall utskärningen i alla plan vara utförda så, att det alltid finns tillräckligt med ledande koppar kvar mellan varje två närliggande utskärning, för att behålla kontinuiteten i planet.

 

Det måste finnas tillräckligt avstånd mellan anslutningsben, för att kunna dra ledare mellan två närliggande ben.

Närmast intill varje signallager skall finnas ett obrutet spännings- eller 0-volts-plan för signalreturströmmar. (Signalreturström flyter i det närmaste planet, inte nödvändigtvis i nollvoltsplanet!)

 

Identifiera signaler med särskilda kvaliteter

Vi måste på ett komplett kopplingsschema identifiera alla ”hotsignaler”. Det är de signaler som innehåller tillräckligt RF-energi för att orsaka problem vid definierade frekvenser. Vi kan till exempel identifiera följande signalkategorier med utgångspunkt från hur störande eller störningskänsliga de är:

 

• Högfrekventa periodiska signalledare:

En ledare som är bärare av en periodisk signal med pulsperiodtiden < ca 500 ns (f > 2 MHz) eller en icke periodisk signal med delar av periodicitet som är längre än 10 μs, med pulsrepetitionstiden < ca 500 ns. Till exempel klocka, RAS, CAS för dynamiska minnen, och CPU-signaler för styrning av adress-latchar, video-klocksignal för LCD, etc.

 

• Högfrekventa bussar:

Adress- och databussar bidrar ofta till RF-emission på frekvenser som är multiplar av delar  (tredje- eller fjärdedel) av CPU-klockfrekvensen.

 

• Lågfrekventa signalledare:

En ledare som är bärare av signal vars grundfrekvens är lägre än 2 MHz bedöms inte som hotsignalledare. Dessa måste emellertid hållas isolerad från hotsignaler för annars smittas de och kommer att vara bärare av högfrekventa störningsströmmar.

 

• Lågnivå analog signalledare:

Vissa konstruktioner kräver att lågnivå analoga signaler samsas på samma kort med hotsignaler. Om kortet är inte rätt konstruerat (=rätt utlägg) finns det risk för att dessa lågnivå analoga signaler blir smittade genom kapacitiv och induktiv överhörning. Först måste det understrykas att man inte behöver separera signalretur (jordplan) för analoga och digitala kretsar; det skulle öka RF-emissionen. Däremot ska de analoga och binära kretsarna med tillhörande ledare inte blandas; det ska vara en skarp gräns mellan dessa kretsar!

 

RF-isolation (avstånd) och ”gards” rekommenderas för att skydda lågnivå analoga signalledare för att bli smittade med högfrekvent störning via kapacitiv och induktiv överhörning.

 

Miklos Steiner