Analog Design

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Obwohl wir in einer digitalisierten Welt leben, sind viele der zugrunde liegenden Elektronikkomponenten immer noch analog. Wenn Sie mit Ihrem Smartphone Musik hören, wird digitale Musik in hörbare analoge Signale übersetzt. Wenn Sie gerne "Gamen", wissen Sie, dass ein empfindliches und präzises Controller-Pad von entscheidender Bedeutung ist und vom analogen Schaltkreis des Spiel-Controllers abhängt.
Im Gegensatz zu digitalen Signalen haben analoge Designs eine geringere Fehlermarge. Beim digitalen Design arbeitet die Elektronik auf der Basis von Logik 1 und 0, was sich in der jeweiligen Betriebsspannung und 0V niederschlägt. Analoge Designs funktionieren anders, und jeder Spannungspunkt wird als sinnvoll für das System angesehen.


 

Wenn die Grundlagen des analogen Layouts nicht richtig ausgeführt werden, wird die Funktionalität des Systems beeinträchtigt. Beispielsweise reagiert das Controller-Pad einer PlayStation auf dem Controller möglicherweise nicht präzise auf Ihre Daumenbewegung, wenn die analoge Eingangsspannung durch benachbarte Komponenten gestört wird. Probleme können mit der Platzierung der Bauteile oder dem Rückstrompfad resp. dem falschen Lagenaufbau zusammen hängen und sind daher schwer zu verfolgen.


Layout


Die Aufgabe eines PCB-Designers wäre am einfachsten, wenn ein Design ausschliesslich aus analogen Komponenten bestehen würde. Die Leiterplatten sind jedoch nicht so ideal und die meisten Produkte mit analogen Komponenten verfügen auch über digitale Schaltungen. Der PlayStation-Controller ist ein perfektes Beispiel, da er zudem mit einem Kommunikations-Transceiver im GHz Bereich, an die Spielkonsole angeschlossen wird.

Die hohen Schaltflanken erhöhen das Risiko von EMV, welches die Signalintegrität analoger Signale beeinträchtigt. Ein schlechtes PCB Layout kann die „Störrpeaks“ auf benachbarte Schaltkreis derselben Leiterplatte einkoppeln und die Signale beispielsweise des Clocks, der Taktsignale oder Datenübertragungsleitungen in analoge Signale erheblich stören. Das Ergebnis ist nicht schön, wenn analoge Signale betroffen sind, da der falsche Spannungs- oder Strompegel zur Verarbeitung an den jeweiligen Controller gesendet wird.


Tipps zum analogen Layout


Die Fehlersuche bei einem analogen Design, macht definitiv keinen Spass. Es ist sehr zeitaufwändig und bedeutet oft eine Katastrophe. Daher ist es von hoher Wichtigkeit, dass grundlegende analoge Layout-Richtlinien während der Design-Phase befolgt werden.

Platzierung Ein Fehler, welcher von vielen Ingenieuren gemacht werden ist, analoge Schaltungen ohne vorherige Planung auf der Leiterplatte zu platzieren. Analoge Komponenten sind sehr empfindlich gegenüber Störungen und sollten nicht neben benachbarte digitale Schaltungen platziert werden. Die richtige Platzierung von Komponenten besteht darin, Komponenten ähnlicher Beschaffenheit zusammenzufassen.

Beispielsweise werden Leistungsmodulkomponenten gruppiert, gefolgt von digitalen Komponenten wie Mikrocontrollern, Kommunikations- und Logik-ICs. Analoge Komponenten sollten in einem Abschnitt der Leiterplatte mit ausreichendem Abstand zu anderen Komponenten gruppiert werden.


Planes


Die alte Theorie besagt: Analog GND und Digital GND muss getrennt werden und über einen „Sternpunkt“ zusammengeführt werden. Dies ist jedoch eine nicht so optimaler Gedankengang und es wurde schon mehrfach bewiesen, dass eine durchgängiger GND Plane um weiten besser ist, als zwei separierte Flächen. Jedoch sollte darauf geachtet werden, das GND nicht nur ein 0V Potenzial ist, sondern auch ein Signal, welches Schwankt und als eine Antenne fundiert. Daher ist eine Separierung der GND Flächen wichtig: Achtung!! Separierung bedeutet nicht Trennung (siehe Abbildung oben)!!
Ebenso wichtig ist es, sicherzustellen, dass keine Highspeedsignale oder Powersignale über die Analoge GND Fläche geleitet werden. Dies würde das Rauschen in die Masse einbringen, was sich auf benachbarte analoge Signale auswirken würde. Um sicherzustellen, dass die analogen Komponenten eine saubere und stabile Stromversorgung erhalten, ist es hilfreich, einen Bypass-Kondensator in der Nähe des Versorgungspins eines analogen ICs einzusetzen.


Rückleitung Es liegt zwar auf der Hand, dass das Routing von Highspeedsignalen auf einer analogen Massefläche ein Probleme ist, aber Sie müssen auch vorsichtig sein, was den Rückweg von Signalen betrifft, die um die Plane herumgehen. Niederfrequente Signale nehmen den Rückweg mit dem geringsten Widerstand und können die analoge Massefläche trotz Ihrer Massnahmen durchlaufen.

PCB-Experte Viele unter den Ingenieuren sind auch folgender Meinung:
„Mit Signalintegrität haben wir keine Probleme, unser Problem ist die EMV und die ESD, wir haben kein Highspeed auf der Leiterplatte, nur ein Mikrocontroller mit 168MHz." Beispielsweise ein STM32 F4, hat eine Flankensteilheit von 140ps–900ps, je nach Port und Verwendung.
Demzufolge müsste das Design für eine Signalbandbreite fBW von ca. 1.2 GHz ausgelegt werden, ergo wir befinden uns in einem Bereich, wo die Signalintegrität eine sehr grosse Rolle spielt. Denn genau diese Peaks verursachen die Störungen auf benachbarten Leiterbahnen oder Schaltkreisen.

Unabhängig davon, ob es um die Platzierung von Komponenten oder die Festlegung strenger Designregeln geht, es ist wichtig dass Sie einen PCB-Experten herbei ziehen. Ein Experte in der Leiterplatten-Entwicklung betrachtet nicht nur die Schaltung, sondern setzt sich auch mit der Physik auseinander. Klar ist, dass jeder ein Layout tool bedienen kann, oder auch beherrschen. Jedoch ist ein PCB Design viel mehr als nur ein zeichnen der Leiterbahnen.
In der heutigen Zeit, wo die Komponenten eine steilere Flankensteilheit aufweisen wie vor 5 oder 10 Jahren, kommt es auf jeden µm darauf an wie und wo eine Leiterbahn mit welcher Breite, Länge oder Dicke gezogen wird.

  • Wieviel Via’s verträgt die Leitung?
  • Wie gross muss oder darf eine Fläche sein?
  • Wie schaut es mit der Thermik aus?
  • Verändert das Thermal Management die Charakteristik der jeweiligen Schaltung?
  • Wie soll die Junction Temperatur „unter Kontrolle“ gebracht werden?

Melya Systems Team


Wir haben uns als Ziel gesetzt, auf dem neusten Stand in den Gebieten der EMV, Highspeed sowie in Signal- und Power Integrity zu sein. Somit ist unser Team in der Lage die optimalste Elektronik für den Kunden zu realisieren.
  • Beratung Leiterplattenkonzept
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  • Power Integrity
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  • Mechatronische Systeme
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