Hoe Crosstalk, Materiaalkeuze en Trace Routing de Signaalintegriteit Beïnvloeden in PCB-ontwerpen

Wanneer we werken met hoge snelheden en complexe signalen op een printplaat (PCB), is het van cruciaal belang om aandacht te besteden aan details die vaak over het hoofd worden gezien, maar die aanzienlijke invloed kunnen hebben op de prestaties van het ontwerp. Dit geldt met name voor zaken zoals crosstalk tussen sporen, het kiezen van het juiste afwerkingsmateriaal en de manier waarop sporen worden gerouteerd. Dit hoofdstuk behandelt enkele van de belangrijkste overwegingen en valkuilen bij het ontwerpen van PCB’s voor snelheidskritische toepassingen.

Een belangrijk aspect van signaalmeting op een PCB is het gebruik van speciale sondes die kunnen omgaan met de hoge frequenties die vaak in moderne circuits voorkomen. Deze sondes hebben een extreem lage belasting en zijn geschikt voor het meten van signalen in het tijdsgebied. Ze kunnen echter vrij duur zijn, maar ze zijn noodzakelijk voor het meten van snelle signalen. Er zijn goedkopere open-source alternatieven beschikbaar, maar het is belangrijk om te begrijpen dat zonder de juiste meetapparatuur het moeilijk is om de betrouwbaarheid van een snel signaal te garanderen.

In situaties waar het niet mogelijk is om voldoende ruimte tussen sporen te creëren, bijvoorbeeld wanneer de PCB dichtbevolkt is, kan het noodzakelijk zijn om crosstalk te simuleren of te schatten. Dit is een gespecialiseerd gebied binnen de elektrotechniek en vereist vaak de hulp van simulatiesoftware of literatuur van experts op dit gebied, zoals de werken van Douglas Brooks en Lee Ritchey.

Een andere belangrijke overweging is de plaatsing van radio's op een enkele PCB. Wanneer meerdere radio’s tegelijkertijd werken en hun antennes zich op dezelfde PCB bevinden, kan dit leiden tot interferentie en het afstemmen van de antennes verstoren. Dit fenomeen staat bekend als "coëxistentie", en het wordt vaak moeilijker dan simpelweg de radio’s fysiek uit elkaar te plaatsen. Het vereist een zorgvuldige afweging van de plaatsing van componenten en andere ontwerptechnieken om deze interferentie te minimaliseren.

Bij het ontwerpen van de sporen zelf is het belangrijk om scherpe bochten te vermijden. Het gebruik van 45-graden bochten (of gemitrede bochten) in plaats van scherpe 90-graden hoeken is een gangbare praktijk om de prestaties van de sporen te verbeteren. Hoewel oudere technieken vaak hechtingsproblemen bij scherpe hoeken aanduiden, is de moderne technologie tegenwoordig vaak in staat om dergelijke problemen op te lossen. Het echte probleem met scherpe bochten komt echter voort uit de extra capaciteit die ze toevoegen aan het signaalpad. Dit kan de prestaties van snelle signalen beïnvloeden, vooral bij hoge frequenties. De extra capaciteit is afhankelijk van de breedte van de spoors en het type substraat van de PCB. In de meeste gevallen is het effect minimaal, maar het kan significant worden bij hoge snelheden en snelle opkomsttijden van signalen.

Wanneer een ontwerper meerdere bochten van 90 graden in een spoor verwerkt, kunnen de totale capacitieve effecten zich opstapelen, wat kan leiden tot aanzienlijke verstoringen in het signaal. Dit geldt in het bijzonder voor signalen met snelle opkomsttijden. De algemene regel is dat de breedte van de 50 Ω-transmissielijn vijf keer de opkomsttijd in picoseconden moet zijn om bochten van 90 graden te vermijden. Dit helpt om onnodige verliezen en signaalvervorming te voorkomen.

Hoe Kies je de Juiste Materiaal en Opbouw voor een PCB-ontwerp

Bij het ontwerpen van een printplaat (PCB) zijn er tal van technische aspecten die invloed hebben op de prestaties en de fabricagekosten van het eindproduct. Een van de belangrijkste factoren is de keuze van de materialen die voor de verschillende lagen van de PCB worden gebruikt, evenals de manier waarop deze lagen worden samengevoegd. De basiscomponenten van een PCB zijn de kern (core) en prepreg, beide essentieel voor het creëren van de verschillende lagen van de printplaat. Maar naast het materiaal zelf, moet ook de dikte van de koperlagen zorgvuldig worden geselecteerd, aangezien dit invloed heeft op de geleidingscapaciteit en de kosten van de PCB.

De kern van de PCB bestaat uit een dielectrisch materiaal met koperen platen aan beide zijden. Dit wordt vaak de core genoemd. Aan de andere kant is prepreg een materiaal dat voor een deel is doorgehard en geen koperen plating bevat. Tijdens het ontwerp wordt het materiaal uit een combinatie van deze lagen samengesteld, waarna ze worden samengevoegd tijdens het lamineren. Dit proces wordt ‘lamineren’ genoemd en kan op twee manieren gebeuren: folie-lamineren en cap-lamineren.

Folie-lamineren is de meest gebruikelijke en kosteneffectieve methode, waarbij prepreg tussen de lagen wordt geplaatst. Dit proces is eenvoudig en wordt vaak toegepast bij vierlaagse printplaten. In figuur 6-7 van het voorbeeld wordt een veelgebruikte vierlaagse folie-laminatie stack-up getoond. Dit type opbouw is relatief goedkoop en wordt veel gebruikt in de industrie. Daarentegen is cap-lamineren nuttig wanneer er blinde via’s tussen de lagen moeten worden geboorg en er geen gebruik gemaakt kan worden van geavanceerde boortechnieken zoals lasers of gecontroleerde diepteboren. Dit komt vaak voor bij ontwerpen die speciale materialen tussen de lagen vereisen, zoals Rogers 4350.

Bij het kiezen van materialen voor een PCB-ontwerp, is het belangrijk om te begrijpen dat er een breed scala aan materialen en diktes beschikbaar is. Bijvoorbeeld, als je kiest voor FR-4, zul je zowel FR-4 core (volledig uitgeharde hars) als FR-4 prepreg (deels uitgeharde hars) gebruiken om de verschillende lagen te vormen. Andere materialen, zoals de Rogers 4000-serie, hebben ook verschillende diktes en panelformaten, en kunnen, indien goed gecombineerd, ideale prestaties opleveren voor specifieke toepassingen.

Een ander belangrijk aspect bij het ontwerpen van een PCB is het bepalen van de dikte van de koperen sporen. Deze wordt vaak uitgedrukt in ounces per vierkante voet, waarbij bijvoorbeeld 1 ounce koper gelijk is aan een dikte van ongeveer 1,4 mil. Dit systeem wordt gebruikt om de kopergewicht te beschrijven, en de dikte kan variëren afhankelijk van de vereisten van de stroomsterkte. Meestal wordt op de buitenste lagen van de PCB 1-ounce koper gebruikt, terwijl op de interne lagen vaak 0,5 ounce koper wordt toegepast. Hogere stromen kunnen vereisen dat dikkere koperlagen worden gebruikt, maar dit verhoogt de kosten en kan leiden tot extra uitdagingen zoals onder-etsing.

Onder-etsing is een fenomeen dat kan optreden wanneer te dikke koperlagen worden gebruikt. Dit gebeurt omdat de zuuroplossing die het koper weg eet niet overal gelijkmatig werkt, wat kan resulteren in ongelijkmatige diktes van de koperlagen. Dit heeft niet alleen invloed op de uiterlijk van de sporen, maar ook op de prestaties van de PCB, aangezien de breedte van de sporen en de impedantie hiervan kunnen variëren, afhankelijk van de dikte van het koper.

Wanneer je kiest voor een specifiek koperen gewicht, moet je rekening houden met het feit dat de uiteindelijke dikte van de buitenste laag ook een extra 1,3 tot 1,4 mil koper zal bevatten. Dit kan invloed hebben op de minimale breedte van de sporen op de buitenste laag, wat weer belangrijk is voor de signaalintegriteit. Het is dus van groot belang om dit met de fabrikant af te stemmen, vooral als je sporen van 4 mil of kleiner nodig hebt op de buitenste laag.

Naast de fysieke eigenschappen van de materialen moeten ook de productiekosten en de technische beperkingen van het lamineren en etsen in overweging worden genomen. Het is van essentieel belang om nauw samen te werken met de fabrikant om een ontwerp te creëren dat zowel technisch haalbaar als kosteneffectief is. Door de verschillende materialen en technieken correct te combineren, kan een PCB worden geoptimaliseerd voor de specifieke eisen van het ontwerp, of dat nu gaat om signaalintegriteit, stroomcapaciteit of kosten.

Hoe Een Goed Lab Notitieboek Te Gebruiken En Wat Je Ervan Moet Verwachten

Het bijhouden van een labnotitieboek is essentieel voor elke wetenschapper of ingenieur die serieus bezig is met experimenten en productontwikkeling. Hoewel het in eerste instantie misschien als een tijdrovende taak lijkt, biedt het goed gedocumenteerde notities enorme voordelen op de lange termijn. Het doel van een labnotitieboek is niet alleen om je successen te registreren, maar ook om je mislukkingen en de stappen die je hebt ondernomen om te leren van je fouten vast te leggen.

Wanneer je fouten maakt of verkeerde procedures volgt, is het belangrijk om die niet uit je notitieboek te wissen. In plaats daarvan kun je fouten doorhalen met een enkele lijn, zodat het voor jezelf later duidelijk is welke fouten je hebt gemaakt en wat de gevolgen waren. Het gebruik van los papier is niet aan te raden; blijf bij je notitieboek, hoe onvolmaakt je notities ook zijn. Dit is geen plek voor perfectie, maar een plek om alles vast te leggen: van elegante doorbraken tot de meest onbenullige fouten. Een labnotitieboek is een reflectie van het proces, niet van de eindprestatie. In de woorden van Ms. Frizzle: "Neem kansen, maak fouten, wordt rommelig." Je notitieboek hoeft geen perfecte registratie van je genialiteit te zijn, maar een eerlijke weergave van het experiment, met al zijn onvolkomenheden en mislukkingen.

Naast het bijhouden van je notities, is het belangrijk om je labnotitieboek regelmatig veilig te stellen. Dit kan eenvoudig met een digitaal notitieboek door een back-up te maken, bij voorkeur op een andere locatie dan waar je werkt. Voor fysieke notitieboeken is het meer werk, maar het is nog steeds raadzaam om elke pagina te fotograferen of te scannen en deze op dezelfde manier op te slaan als een digitaal bestand. Dit kan een tijdrovende klus zijn, maar het kan je beschermen tegen het verlies van belangrijke gegevens.

Wat betreft de lay-out van een goed notitieboek, een van de beste voorbeelden die ik heb gezien, was afkomstig van een medisch apparaatbedrijf. Elke pagina was gedetailleerd en bevatte een titel, datum, nummer, een beschrijving van het experiment, een tekening van de opstelling en ingeplakte gegevens van het experiment. Het was een schoolvoorbeeld van hoe je een labnotitieboek goed kunt organiseren en gebruiken. Dit soort notitieboeken helpt je niet alleen om gestructureerd te blijven, maar biedt ook een gedetailleerd overzicht van de voortgang van je werk. Het is de moeite waard om zulke notitieboeken aan te schaffen, mocht je ze kunnen vinden.

Als het gaat om prototyping, is het belangrijk om niet alleen te weten hoe je je product moet bouwen, maar vooral wat je moet bouwen. Het is cruciaal om tijd te nemen voor de planning van je prototypingproces en niet zomaar willekeurig dingen in elkaar te solderen. Goed prototyping kan ongelooflijk snel zijn en je waardevolle inzichten bieden. Het voorkomt dat je in een vicieuze cirkel terechtkomt, tijd en geld verspilt aan iets dat uiteindelijk niet zal werken.

Daarnaast is het belangrijk om te zorgen voor goede ventilatie en een goed georganiseerde werkruimte. Kabels moeten veilig worden vastgezet om struikelgevaar te voorkomen, en de vloer moet antislip zijn. Dit is essentieel om ongelukken in een drukke werkruimte te vermijden.

De veiligheid van de werkplek kan niet genoeg benadrukt worden, vooral als je werkt met batterijen of andere risicovolle componenten. Het risico op brand in een elektronicalab is aanwezig, vooral wanneer je met batterijen werkt. Het hebben van een geschikte brandblusser en het correct omgaan met lithiumbatterijen kan levens redden. Veiligheidsmaatregelen voor het omgaan met brand of exploderende batterijen mogen nooit verwaarloosd worden.

Hoe je je elektronische componenten effectief kunt organiseren en beheren

Een eenvoudige maar zeer effectieve manier om je componenten te organiseren is door gebruik te maken van mappen. Dit werkt veel beter dan het bewaren van onderdelen in een doos met zakjes. Elk onderdeel kan in een aparte hoes worden gestoken, waarbij de waarden van de componenten duidelijk bovenaan staan, terwijl de achterkant van de hoes het exacte DigiKey-onderdeelnummer bevat voor het geval je meer onderdelen wilt bestellen. Het invullen van een paar mappen neemt niet veel tijd in beslag, maar het zal je enorm veel tijd, ruimte en geld besparen op de lange termijn.

Voor wie niet zelf de boeken wil samenstellen of een te onvolledige onderdelenverzameling heeft, bestaan er kant-en-klare boeken met weerstanden, condensatoren en inductoren. Sommige bedrijven bieden deze boeken zelfs gratis aan. Zelf geef ik er de voorkeur aan om boeken te hebben met 0402- en 0603-formaten van elke component. Voor RF-werk houd ik ook een boek bij met 0402 high-Q-inductoren en condensatoren. Deze boeken zijn niet de enige vooraf georganiseerde sets die handig zijn; sets met bevestigingsmaterialen zoals schroeven, moeren, ringen en afstandsbusjes in zowel metrische als imperiale maten zijn eveneens waardevol. Als je zowel metalen als nylon bevestigingsmiddelen tot je beschikking hebt, vergroot dit de flexibiliteit. Ook krimpkous in verschillende diameters is nuttig en verkrijgbaar in kleine sets.

Om de organisatie verder te verbeteren, kun je open-source inventarisbeheersoftware gebruiken om bij te houden waar onderdelen zich bevinden en hoeveel je ervan hebt. Het kan lastig zijn om een inventaris up-to-date te houden, vooral wanneer je snel een prototype bouwt of met iets experimenteert. Toch wordt inventarisbeheer noodzakelijk wanneer je bedrijfsgrootte toeneemt. Als je met grotere operaties werkt, kan dit systeem je helpen om overzicht te bewaren en het risico op verspilling te minimaliseren.

Een andere handige manier om kleine onderdelen zoals schroeven en componenten bij de hand te houden, is door gebruik te maken van kleine petrischalen. Deze schalen zijn ideaal voor het bewaren van onderdelen die je aan een assemblage toevoegt of ervan verwijdert. De schaal kan eenvoudig worden gelabeld met een marker en gestapeld in de buurt van je werkplek. Zo heb je snel toegang tot de onderdelen die je nodig hebt, en kun je het werk zonder onderbrekingen voortzetten. Het is het beste om glazen petrischalen te gebruiken, omdat plastic schalen gemakkelijk kunnen smelten, vooral als ze in de buurt van hittebronnen komen.

Daarnaast is het essentieel om betrouwbaar en nauwkeurig testapparatuur te hebben voor het testen van je apparaten. In hoofdstuk 13 gaan we dieper in op het testproces, maar in dit hoofdstuk bespreken we kort de beste manieren om geschikte testapparatuur voor je werkplaats te verkrijgen. De grootste bedrijven die testapparatuur leveren zijn Keysight (voorheen Agilent en HP), Rohde & Schwarz en Tektronix. Deze bedrijven bieden hoogwaardige apparatuur, maar ze zijn ook vaak behoorlijk prijzig. Gelukkig zijn er ook veel andere fabrikanten met verschillende specialisaties en kwaliteitsniveaus. Namen zoals Keithley, Fluke, B&K Precision, GW Instek, Siglent, Rigol en Anritsu zijn ook belangrijk om te overwegen. Testapparatuur is vaak extreem duur, maar je kunt aanzienlijke besparingen realiseren door gebruikte of demoapparatuur aan te schaffen. Demo-apparatuur zijn eenheden die tijdelijk aan bedrijven zijn verstrekt, of die tijdens reparatie of kalibratie worden gebruikt. Deze kunnen vaak tegen een lagere prijs worden gekocht, en je kunt ze ook vaak voor een paar weken uitproberen voordat je een definitieve beslissing neemt.

Het gebruik van goedkopere stroomvoorzieningen kan ook een groot verschil maken. Goedkope, aanpasbare voedingen zoals de DPS-modules op eBay zijn uitstekende keuzes voor basisbehoeften. Deze goedkope modules bieden een LCD-scherm, stroom- en vermogensbeperkingen, en kosten slechts ongeveer 40 dollar. Ze zijn niet van de hoogste nauwkeurigheid, maar voor veel experimenten volstaat het prima. Verder kan een handig apparaat zoals een componententester, beschikbaar op eBay, worden gebruikt om verschillende parameters van componenten zoals transistors, MOSFETs, diodes en weerstanden te meten. Dit bespaart veel tijd bij het analyseren van je onderdelen en helpt om de juiste keuzes te maken in je experimenten.