WO2004030001A1 - Hf-drossel - Google Patents

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Nils Dirks
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Definitions

  • the invention relates to an RF choke for printed circuit boards according to the preamble of claim 1.
  • CMOS circuits The cross currents on the switching edges in CMOS circuits are known to be a significant EMC problem.
  • the insertion of resistors or chokes between the support structure and the Vcc connection of the integrated circuit in question has proven to be an effective countermeasure.
  • the circuit which consists of the supporting structure and the connected circuit, is provided with damping, which on the one hand limits the strength of the undesired cross-current and, secondly, eliminates interference power directly at the point of origin.
  • resistors are particularly inexpensive, but not all integrated circuits can tolerate this resistance. Whenever there are significant DC components in the operating current of the circuit, the resulting voltage drop can lead to malfunction.
  • Suitable ferrite chokes are available as long as the frequency range does not significantly exceed 1000 MHz.
  • the invention has for its object to provide an RF choke for printed circuit boards which can be integrated on the printed circuit board and can also be dimensioned for frequencies higher than 1000 MHz.
  • the invention provides an RF choke, the inductance and the parallel-connected ohmic resistance of which, owing to its layer formation, enables implementation as an integral part of a printed circuit board. Since no materials have to be remagnetized, there is no limitation at high frequencies. At the same time, the solution according to the invention is space-saving and inexpensive in terms of construction height.
  • the resistance layer preferably consists of carbon mass.
  • This material has electrical ohmic properties and can be reproducibly controlled using known techniques in the manufacture of printed circuit boards.
  • the resistance layer is arranged on the meandering conductor track.
  • the area occupied by the meandering conductor track is also used and a spatially intimate arrangement of inductance and ohmic resistance is achieved.
  • the resistance layer preferably extends over the entire length of the meandering conductor track and is connected to it.
  • the capacitive partial impedances present between adjacent meandering sections of the conductor track are larger in magnitude than the partial impedances of the resistance layer between the same sections of the conductor track.
  • 1 is a circuit board layout for an integrated circuit with an RF choke according to the invention
  • Fig. 2 shows a frequency spectrum of the radiation of an undamped system
  • Fig. 3 shows a frequency spectrum of the radiation of a damped system equipped with the RF choke according to the invention.
  • connection 12 for supply potential
  • connection 14 for reference potential being relevant in connection with the invention.
  • connection 14 of the integrated circuit 10 is connected to a line 26 of the printed circuit board carrying reference potential GND and the connection 12 of the integrated circuit 10 is connected via an HF choke 16, 18 to a line 24 of the printed circuit board carrying supply potential Vcc.
  • a support structure comprising two capacitors 20, 22, here 0.1 ⁇ F and 3.9 nF, connected in parallel is arranged between the connection 14 of the integrated circuit and the connection of the RF choke 16, 18, which is connected to the line 24 of the printed circuit board carrying supply potential Vcc ,
  • the RF choke consists on the one hand of an inductance of a meandering conductor track 16 of the circuit board and a resistance layer 18 made of carbon mass.
  • the meandering conductor track 16 runs from the connection 12 of the integrated circuit 10 in the space between its further connections.
  • the resistance layer 18 made of carbon mass is applied to the entire area of this meandering conductor track 16.
  • the structure can also be realized in double-sided printed circuit boards.
  • the meandering track 16 practically represents a short circuit. With increasing frequency, the meandering track 16 forms a growing inductive impedance. As a result, the current is increasingly forced into the shunt provided by the resistance layer 18.
  • the overall impedance of the RF choke becomes increasingly ohmic, as is desirable for the present application.
  • the design of the RF choke can also be made smaller without being less effective.
  • the undesired shunt capacitance increases.
  • An increase in the width of the conductor track or a decrease in the distance also has an effect.
  • the impedance of this capacitive shunt should in any case be greater than the desired ohmic shunt through the resistance layer. Otherwise the upper limit frequency of the choke would be exceeded.
  • this upper limit frequency can be higher than is the case with ferrite chokes because ferrite is not as fast as desired can be remagnetized.
  • the carbon mass is not subject to such a limit. In view of the fact that modern digital systems often work with clock frequencies of over 2000 MHz, this is a particularly interesting aspect. Despite some progress with ferrites, they will be less and less able to solve EMC problems in the future.
  • Fig. 2 shows a frequency spectrum of the radiation of an undamped system
  • Fig. 3 shows a frequency spectrum of the radiation of a damped system equipped with the RF choke according to the invention.
  • the systems are otherwise completely identical.
  • the two frequency spectra allow a comparison of the total radiation from two double-sided boards, which are equipped with integrated circuits of the 74HC series. There are broadband improvements to lOdB.

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Abstract

Es wird eine HF-Drossel für Leiterplatten beschrieben. Die HF-Drossel umfasst eine Induktivität und einen dazu pa­rallel geschalteten ohmschen Widerstand, wobei die Induktivi­t ät aus einer mäanderartig geführten Leiterbahn (16) derLeiter­platte besteht. Der ohmsche Widerstand besteht aus einer Widerstandsschicht (18), die einen höheren spezifischen Widerstand als die mäanderartig geführte Leiterbahn aufweist.

Description

HF-Drossel
Die Erfindung betrifft eine HF-Drossel für Leiterplatten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Querströme auf den Schaltflanken in CMOS-Schaltungen sind als erhebliches EMV-Problem bekannt. Als wirksame Gegenmaßnahme hat sich das Einfügen von Widerständen oder Drosseln zwischen Stützkonstruktion und Vcc-Anschluss der betreffenden integrierten Schaltung erwiesen. Hierdurch wird der Stromkreis, der aus Stützkonstruktion und der angeschlossenen Schaltung besteht, mit Dämpfung versehen, was einerseits den unerwünschten Querstrom in seiner Stärke begrenzt und zweitens Störleistung unmittelbar am Ort der Entstehung vernichtet.
Der Einbau von Widerständen ist zwar besonders preisgünstig, aber nicht alle integrierten Schaltungen vertragen diesen Widerstand. Immer wenn nennenswerte Gleichstromanteile im Betriebsstrom der Schaltung vorliegen, kann der entstehende Spannungsabfall zur Fehlfunktion führen.
Drosseln verursachen keinen Spannungsabfall bei Gleichstrom, sind aber im allgemeinen recht teuer. Ferner sind nur solche Breitbanddrosseln verwendbar, die im interessiernden Frequenzbereich im wesentlichen ohmsche Anteile aufweisen.
Solange der Frequenzbereich nicht wesentlich über 1000 MHz hinausreicht, sind geeignete Ferritdrosseln erhältlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Drossel für Leiterplatten zu schaffen, die auf der Leiterplatte integrierbar ist und auch für höhere Frequenzen als 1000 MHz dimensionierbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer HF-Drossel nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .
Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird eine HF-Drossel geschaffen, deren Induktivität und deren parallel geschalteter ohmscher Widerstand aufgrund seiner Schichtausbildung eine Realisierung als integraler Bestandteil einer Leiterplatte ermöglicht. Da keine Materialien ummagnetisiert werden müssen, besteht auch keine Beschränkung bei hohen Frequenzen. Gleichzeitig ist die erfindungsgemäße Lösung in der Aufbauhöhe Platz sparend und kostengünstig.
Vorzugsweise besteht die Widerstandsschicht aus Carbonmasse.
Dieses Material besitzt elektrisch ohmsche Eigenschaften und lässt sich bei der Herstellung von Leiterplatten mit bekannten Techniken reproduzierbar beherrschen.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Widerstandsschicht auf der mäanderartig geführten Leiterbahn angeordnet. Dadurch wird die von der mäanderartig geführten Leiterbahn belegte Fläche mit genutzt und eine räumlich innige Anordnung von Induktivität und ohmschem Widerstand erzielt .
Vorzugsweise erstreckt sich die Widerstandsschicht über der gesamten Länge der mäanderartig geführten Leiterbahn und ist mit dieser verbunden.
Dadurch lässt sich der Widerstand der Widerstandsschicht präzise einstellen und ein Nebenschluss zu jedem Mäander der Leiterbahn herstellen.
Weiterhin sind die zwischen benachbarten mäandernden Abschnitten der Leiterbahn vorhanden kapazitiven Teilimpedanzen betragsmäßig größer als die TeilImpedanzen der Widerstandsschicht zwischen denselben Abschnitten der Leiterbahn.
Diese Bemessungsregel vermeidet einen unerwünschten kapazitiven Nebenschluß, der zu einer Verringerung der Impedanz bei höheren Frequenzen würde .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei- spiels erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Platinen-Layout für eine integrierte Schaltung mit einer HF-Drossel nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Frequenzspektrum der Abstrahlung eines ungedämpften Systems und Fig. 3 ein Frequenzspektrum der Abstrahlung eines mit der erfindungsgemäßen HF-Drossel bestückten gedämpften Systems .
Fig. 1 zeigt ein Platinen-Layout für eine integrierte Schaltung 10, wobei im Zusammenhang mit der Erfindung nur ein Anschluss 12 für Versorgungspotential und ein Anschluss 14 für Bezugspotential relevant sind.
Der Anschluss 14 der integrierten Schaltung 10 ist mit einer Bezugspotential GND führenden Leitung 26 der Leiterplatte verbunden und der Anschluss 12 der integrierten Schaltung 10 ist über eine HF-Drossel 16, 18 an eine Versorgungspotential Vcc führende Leitung 24 der Leiterplatte angeschlossen. Zusätzlich ist eine Stützkonstruktion aus zwei parallel geschalteten Kondensatoren 20, 22, hier 0.1 μF und 3.9 nF zwischen dem Anschluss 14 der integrierten Schaltung und dem Anschluss der HF-Drossel 16, 18 angeordnet, der an die Versorgungspotential Vcc führende Leitung 24 der Leiterplatte angeschlossen ist.
Die HF-Drossel besteht einerseits aus einer Induktivität aus einer mäanderartig geführten Leiterbahn 16 der Leiterplatte und einer Widerstandsschicht 18 aus Carbonmasse. Die mäanderartig geführte Leiterbahn 16 verläuft vom Anschluss 12 der integrierten Schaltung 10 in deren Zwischenraum zwischen ihren weiteren Anschlüssen. Die Widerstandsschicht 18 aus Carbonmasse ist auf den gesamten Bereich dieser mäanderartig geführten Leiterbahn 16 aufgebracht. Der Aufbau kann auch in doppelseitigen Leiterplatten realisiert werden. Für niedrige Frequenzen stellt die mäanderartig geführte Leiterbahn 16 praktisch einen Kurzschluss dar. Mit wachsender Frequenz bildet die mäanderartig geführte Leiterbahn 16 eine wachsende induktive Impedanz. Hierdurch wird der Strom zunehmend in den Nebenschluss gedrängt, der durch die Widerstands- schicht 18 bereitgestellt wird. Die gesamte Impedanz der HF- Drossel wird zunehmend ohmsch, wie dies für die vorliegende Anwendung wünschenswert ist.
Die Konstruktion der HF-Drossel kann auch kleiner gestaltet werden, ohne weniger wirksam zu sein. Je dünner die Leiterbahn und je kleiner die Abstände werden, umso höher werden die Impedanzen. Es kann also für eine gegebene Impedanz eine kleine Fläche verwendet werden, wenn man die o. g. Regel anwendet. Dennoch sind die möglichen Konstruktionen nicht ganz beliebig.
Mit wachsender Länge der einzelnen Windung der mäanderartig geführten Leiterbahn 16 wird die unerwünschte Nebenschlusskapazität größer. Ebenso wirkt sich eine Vergrößerung der Breite der Leiterbahn aus oder eine Verringerung des Abstandes . Die Impedanz dieses kapazitiven Nebenschlusses sollte auf jeden Fall größer sein als der erwünschte ohmsche Nebenschluss durch die Widerstandsschicht . Andernfalls wäre die obere Grenzfrequenz der Drossel überschritten.
Diese obere Grenzfrequenz kann bei richtiger Konstruktion der HF-Drossel nach der Erfindung höher liegen, als dies bei Ferritdrosseln der Fall ist, weil Ferrit nicht beliebig schnell ummagnetisiert werden kann. Die Carbonmasse unterliegt einer solchen Grenze nicht. Vor dem Hintergrund, dass moderne Digitalsysteme häufig schon mit Taktfrequenzen von über 2000 MHz arbeiten, ist dies ein besonders interessanter Aspekt. Trotz gewisser Fortschritte mit Ferriten werden diese aber in Zukunft EMV-Probleme immer weniger lösen können.
Fig. 2 zeigt ein Frequenzspektrum der Abstrahlung eines ungedämpften Systems und Fig. 3 ein Frequen spektrum der Abstrahlung eines mit der erfindungsgemäßen HF-Drossel bestückten gedämpften Systems. Die Systeme sind ansonsten völlig gleichartig aufgebaut.
Die beiden FrequenzSpektren ermöglichen einen Vergleich der Gesamtabstrahlung aus zwei doppelseitigen Platinen, die mit integrierten Schaltungen der Serie 74HC bestückt sind. Man findet breitbandig Verbesserungen um lOdB.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. HF-Drossel für Leiterplatten aus einer Induktivität und einem dazu parallel geschalteten ohmschen Widerstand, wobei die Induktivität aus einer mäanderartig geführten Leiterbahn
(16) der Leiterplatte besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der ohmsche Widerstand aus einer Widerstandsschicht (18) besteht, die einen höheren spezifischen Widerstand als die mäanderartig geführte Leiterbahn (16) aufweist.
2. HF-Drossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (18) aus Carbonmasse besteht.
3. HF-Drossel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (18) auf der mäanderartig geführten Leiterbahn (16) angeordnet ist.
4. HF-Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (18) über der gesamten Länge der mäanderartig geführten Leiterbahn (16) erstreckt ist und mit dieser verbunden ist .
5. HF-Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen benachbarten mäandernden Abschnitten der Leiterbahn vorhanden kapazitiven Teilimpedanzen betragsmäßig größer als die Teilimpedanzen der Widerstands- schicht (18) zwischen denselben Abschnitten der Leiterbahn sind.
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