Voedingsontkoppeling

Hierbij is de eerste vraag: Waarom willen we de voeding eigenlijk ontkoppelen? Bij iedere actie die een IC onderneemt, met andere woorden er schakelt een poort, zal er een piekstroomp gaan lopen. Immers elke schakel actie (van bijvoorbeeld 0 naar 1) zal een piekstroom veroorzaken omdat zowel de uitgangscapaciteit van het IC zelf als de ingangscapaciteit van hetgeen de poort aan moet sturen, opgeladen moeten worden.

Totempaal circuit
Het uitgangscircuit van een digitale poort wordt vaak een Totempaal circuit genoemd (genoemd naar de vorm van de schakeling, een serieschakeling van twee FET's of twee transistoren). Hierbij staat of de ene FET of de andere FET in geleiding. De onderste FET als we een 0 op de uitgang hebben, de bovenste bij een 1. Bij het schakelen moet de capaciteit van de ene FET opgeladen worden en de andere ontladen worden. Verder zal de (capacitieve) belasting aan de uitgang op- of ontladen moet worden. Dit zal een piekstroom in de voeding veroorzaken.

In onderstaand voorbeeld is dit met 5-Volt logica. Het principe blijft uiteraard gelijk bij andere spanningen.

Het is niet gewenst dat dit schakel piekje stroom over de gehele voedingslijnen trekken. Ten eerste omdat dit een stroom in een lange leiding is en daarom emissie veroorzaken. In de tweede plaats zal dit spanningsverschillen in de voedingssporen opleveren die in andere delen van de logica storingen kan veroorzaken. Het is dus belangrijk dat er zo min mogelijk piekstromen over de voedingssporen lopen.

Door een condensator lokaal bij het IC te plaatsen wordt de vereiste piekstroom lokaal aan het IC geleverd zonder dat er stromen over de voedingssporen gaan lopen. In het verleden werden hier altijd 100nF condensatoren voor gebruikt. De idee hierachter was: Hoe groter hoe beter. In de praktijk is een condensator echter te zien als een vervangingsschema van capaciteiten, weerstanden en spoelen. Dit levert dus een resonantiekring op. Uit het voorbeeld wordt duidelijk dat het hier een serieresonantiekring van parasitaire serieweerstanden en serie-spoelen betreft. Deze worden zowel door het diëlektricum als door de aansluitpoten veroorzaakt. Dit is het geval zowel bij conventionele condensatoren als bij SMD condensatoren (alhoewel de paracitaire capaciteiten bij SMD componenten over het algemeen kleiner zijn).

De eigenschap van een dergelijke kring is dat de impedantie op de resonantiefrequentie laag is maar op de frequenties daarvoor en daarna juist hoger. Bij de lage frequenties vertoont deze schakeling een capacitief gedrag maar bij de frequentie voorbij het resonantiepunt wordt het gedrag juist inductief. Dit levert direct de vraag op wat nu het beste punt van deze condensator is. Dit blijkt, vreemd genoeg, het resonantiepunt te zijn, daar is de impedantie immers het laagste. Voor een 100 pF condensator blijkt dit resonantiepunt rond de 200 MHz te liggen. Bij 1 nF rond de 75 MHz, bij 10 nF 25 MHz, bij 100 nF 10 MHz. Hieruit volgt dat naarmate de condensator groter wordt het resonantiepunt steeds lager komt te liggen en de effectiviteit van de condensator om hoge frequenties te ontkoppelen dus steeds verder af neemt.

1) Elco 100 µF
2) Tantaal 470 nF
3) Metaalfilter 100 nF
4) Ceramisch 100 nF
5) Ceramisch SMD 100 nF

Uit bovenstaand overzicht blijkt dat voor een aantal condensatoren de resonantiefrequentie wel erg laag ligt. Zelfs voor een 100 nF SMD condensator ligt de resonantiefrequentie al bij 25 MHz waarna de impedantie snel toeneemt en rond de 50 MHz is de werking van deze condensator al sterk afgenomen.

Daar staat tegenover dat de schakelfrequenties van hedendaagse logica juist steeds hoger komen te liggen. Hierbij zijn frequenties van honderden Mega Hertz geen uitzondering. In de meeste gevallen is een 10 nF condensator dus een veel betere keuze om dergelijke hoge frequenties kort te sluiten. Hieruit volgt dat "strooigoed"van 100 nF niet meer de juiste keuze is maar dat dit vanwege de toegenomen frequenties 10 nF moet zijn.
Er moet tevens rekening gehouden worden met het aantal poorten dat tegelijk schakelt.

Als voorbeeld nemen we 5 poorten hetgeen bij normale "glue logic" zoals poorten uit de 4000 en 7400 serie, maar ook bij Op-amps een goede aanname is. We zien dan dat 10 nF hierbij al een grote waarde is. Vanwege de hoge frequenties willen we deze waarde zo klein mogelijk kiezen. Anders is het bij een processor of een geheugen IC. Hier schakelen vanzelfsprekend veel meer dan 5 poorten tegelijk. Hierbij zijn dan ook veel grotere ontkoppelcapaciteiten nodig, maar daarover later meer.

In speciale gevallen kan de serie resonantie van de condensator juist gebruikt worden om op een specifieke frequentie (de resonantie frequentie van de condensator) een hoog stoor niveau te onderdrukken.
Samengevat: we willen i.c.'s ontkoppelen om de lokale piekstromen te kunnen leveren. Hiertoe moet de condensator zo dicht mogelijk bij het IC worden geplaatst.
Uit het figuur wordt echter direct een probleem duidelijk. Als de condensator dicht bij de Plus wordt gepositioneerd zal het spoor naar de min onherroepelijk lang worden. (of omgekeerd). In beide gevallen zal de stroom van Plus via de poot van het IC, de interne bond wire, de Die (het IC zelf), opnieuw via een bond wire en het diagonale retourspoor, naar de Min lopen.

Dit creëert een relatief groot lusoppervlak hetgeen EMC-technisch verre van ideaal is. Immers hoe groter het lusoppervlak hoe groter de uitgezonden energie. De meeste IC's hebben hun voedingsaansluitingen dus eigenlijk op de minst ideale plaats zitten. Als ze naast elkaar waren gepositioneerd was het lusoppervlak veel kleiner en EMC-technisch dus veel beter geweest. Dit is nog een erfenis uit de periode van de 7400-serie waarbij dit toen een goede keuze leek. Met de huidige hoogfrequent logica is het echter een erg ongelukkige keuze. Bij sommige snelle deler IC's zie je dat de voedingspennen in het midden van het IC tegenover elkaar worden gepositioneerd. De interne bond wires zijn dan het kortst en de printsporen kunnen eveneens kort onder het IC doorlopen. Tevens kan de ontkoppel condensator nu veel dichter (direct onder het i.c.) geplaatst worden.

In een een-laags print zijn er helaas niet veel mogelijkheden. In ieder geval is het aan te raden het spoor onder het IC door te laten lopen. Door het spoor om het IC heen te leggen zou je een nog groter lusoppervlak creëren. De opzet in een een-laagsprintwerkt tot 5 a 10 MHz en daarboven is er eigenlijk geen goede oplossing en zijn we aangewezen op een meer-laags print.

Bij een twee-laags print zouden beide aansluitingen direct het referentievlak ingaan. Dit referentie vlak is een groot oppervlak waardoor de inductie veel lager is. Dit ontkoppelt dus een stuk beter met veel minder parasitaire inductie in het nul-spoor.

Voedingsvlakken in meer-laags printen

Meer-laags printen met bijvoorbeeld vier lagen zijn vaak als volgt opgebouwd: Een referentievlak en twee lagen voor de signaalsporen (Noord - Zuid en Oost - West). Vervolgens is er dan een laag over die vaak voor de voeding wordt gebruikt. In eerste opzicht lijkt het dan gemakkelijk om in deze voedingslaag een groot voedingsvlak te leggen.. De voeding is dan overal direct beschikbaar. Deze keuze wordt dus vaak vanuit een soort gemakzucht gemaakt. Het is echter een veel betere keuze om toch te kiezen voor losse sporen. Het doel van de condensatoren is immers lokaal de stromen te leveren die nodig zijn om de schakelpieken te voeden. Als we voor een groot voedingsvlak kiezen staan al deze condensatoren als het ware parallel. Een groot deel van de piekstroom zal dus noodgedwongen, uit al deze condensatoren geleverd worden en niet meer uit de lokale condensator. Dit is nu net niet de bedoeling! Er zullen nu toch weer spanningsverschillen worden veroorzaakt. Zelfs als dit niet het geval is zullen de stromen nu weer door een grotere lus lopen en dus meer emissie veroorzaken. Dit is goed te begrijpen met het volgende voorbeeld. Bij gebruik van een voedingsspoor vormt dit spoor een weerstand in serie met de ontkoppelcondensator. Dit heeft tot gevolg dat het IC de lading uit de condensator zal trekken en niet uit het voedingsspoor. Bij een voedingsvlak is de R¬i veel lager en zal de lading uit het gehele voedingsvlak toestromen. We zien dit ook bij hoogfrequent zenders.

De eindtrap van bijvoorbeeld een 100 MHz zender bestaat uit een uitgangscircuit met een afstemmingscircuit. In de voeding is een grote ferrietspoel opgenomen met een condensator als ontkoppeling en daaraan parallel een RC-netwerk. Wat is nu de functie van de smoorspoel? Voor de eindtrap zit een buffertrap op dezelfde voeding. Zonder smoorspoel zal de voeding als het ware ge-moduleert worden door de rimpel die veroorzaakt wordt door de eindtrap. Deze rimpel zal keurig terugkoppelen naar voorgaande versterkertrappen, waardoor de schakeling kan gaan oscilleren. De smoorspoel zorgt er dus voor dat de hoogfrequentstroom door de locale ontkoppelcondensator wordt geleverd en niet uit de rest van de voedingsontkoppeling vandaan komt. Vroeger was 100 MHz heel "hoogfrequent" ten opzichte van de elektronica die in het algemeen werd toegepast. Nu zijn er al vele processoren die op enkele Gig Hertz werken. In hedendaagse elektronica is het effect precies hetzelfde. Het is dus gewenst een hoog impedante voeding met een lokale ontkoppeling toe te passen.

Processoren met verschillende voedingspanningen

Tegenwoordig zijn veel processoren voorzien van verschillende voedingspanningen.

In voorgaande paragrafen is er gesteld dat we geen gebruik willen maken van een voedingvlak. In het IC bevindt zich een substraat die met bijvoorbeeld drie bond wires gevoed wordt. De eerste vraag is waarom met het IC van meerdere voedingen voorziet. Dit heeft te maken met de impedantie van het substraat zelf. Het is onmogelijk om in een PN-laag een laag Ohmig spoor te maken. In het substraat van een processor kan de weerstand over het substraat gemakkelijk 10 Ohm bedragen (voor een nul laag)! In het voorbeeld is het substraat verdeeld in een CPU gedeelte, een geheugen gedeelte en een peripheral gedeelte. Begrijpelijk is dat men verschillende bond wires toepast om de energie laag Ohmig in de betreffende gedeelten te krijgen. Dit houdt echter ook in dat indien er spanningsverschillen tussen de verschillende voedingen ontstaan, er vereffeningsstromen door het substraat zullen gaan lopen. Dit zal de goede werking van het IC verstoren en in veel gevallen zelfs tot "latch up" van de processor kunnen leiden In dit geval is een voedingsvlak dus de enige oplossing. Om niet in conflict te komen met de oplossingen voor voedingsspanningsontkoppeling, kan nu een klein lokaal plusvlak worden toegepast. Alle voedingspinnen worden met dit voedingsvlak verbonden.

Zo zijn we er zeker van dat alle pennen hetzelfde potentiaal zullen hebben. Het vlak zelf kan nu rondom van ontkoppelcondensatoren worden voorzien. Dit kunnen dus 10 nF condensatoren zijn, die zo dicht mogelijk bij de pennen worden geplaatst, alsmede wat grotere condensatoren zoals een 1 uF en een 100 nF. Op deze manier realiseren we de vaak door de producent voorgeschreven totale capaciteit van bijvoorbeeld 2uF.

Er blijft nu echter nog een probleem over:

We zien hier een voedingscircuit met een Totempaal met bond wires en voedingsspoor (zo kort mogelijk) en een ontkoppelcondensator met zijn parasitaire inductie. Dit geeft goed weer hoe de voedingspanningsontkoppeling gerealiseerd wordt. Het ziet er complex uit maar kan ook worden weergegeven door het volgende vervangingsschema.

We zien een condensator met zijn parasitaire inductie in serie plus in parallel de parasitaire inductie van de bond wire in serie met de Die en de uitgaande bond wire. Op het schakelmoment wordt de Die even 0 Ohm en kan op dat moment gezien worden als kortsluiting.
Het nieuwe vervangingsschema is nu een serieschakeling van drie inducties en vormen in wezen samen één grote inductie, welke parallel staat aan de ontkoppelcondensator. We hebben nu een parallel resonantiekring in ons voedingscircuit. Dit is niet gewenst. Een parallel resonantiekring wordt op zijn resonantiefrequentie hoog Ohmig. Dit betekent dat deze kring op dat moment niet aan het ontkoppelen is maar dat de storing juist opslingert. De situatie wordt nu dus juist slechter in plaats van beter… Dit brengt sommigen ertoe te adviseren om dan maar helemaal niet te ontkoppelen. Dit is niet terecht. De ontkoppeling werkt in alle gevallen goed behalve in het geval dat het circuit in resonantie komt. Het parallel resonantieprobleem is op zich goed op te lossen door een dempingsweerstand van ongeveer 10 Ohm parallel aan de kring te zetten. Op zich is dat vervelend want deze 10 Ohm bevindt zich in het voedingscircuit en er zal dus een onacceptabel grote lekstrook ontstaan. Dit is weer op te lossen door een kleine condensator in serie met deze weerstand te zetten (een RC snubber). Als we even terugkijken naar het voorbeeld van de hoogfrequent zender, zien we dat ook hier een zogenaamde Snubber is opgenomen. Ook hier met het doel om de parallel resonantie te voorkomen. In ons lokale voedingsvlak moet dus ook nog een RC-Snubber worden opgenomen om parallel resonantie te voorkomen.
We hebben nu de ideale voedingspanningsontkoppeling. Hierbij vormt het voedingsvlakje zelf ook nog een heel goede super hoogfrequent capaciteit omdat dit boven het referentievlak ligt.

Busbar (Buzz Bar)
Nu zijn er ook schakelingen opgebouwd uit een groot aantal ASIC's, FPGA's of DSP's. De voedingsstromen kunnen hierbij oplopen tot tientallen Ampères. Het werken met sporen is dan onmogelijk en een voedingsvlak lijkt onvermijdelijk. Toch is dit ook in dit geval niet waar. Niet een voedingsvlak is de oplossing maar de toepassing van zogenaamde Busbars. Een Busbar zijn twee koperen strips die als onderdeel op de print worden gezet. De Busbaar bestaat uit twee lagen met een diëlektricum ertussen die onderling een verdeelde capaciteit vormen. Deze Busbar kan de hoge stromen over de print verdelen naar die plaatsen waar deze nodig zijn. Lokaal kunnen nog spoelen in serie met het te voeden IC worden gezet. Dus zelfs in deze situatie is er geen goede reden om voor een volledig voedingsvlak te kiezen.

In de praktijk zien we voorbeelden waarbij het verwijderen van een voedingsvlak (en het trekken van voedingssporen in dezelfde laag) zo maar tot 10 dB reductie in de emissie leidt!

In deze edutorial hebben we de voor- en nadelen van het diverse aantal laags printen gezien. Tevens is duidelijk waarom indien in een meer-laagsprint voor een aparte voedingslaag wordt gekozen, deze niet als een voedingsvlak uitgevoerd moet worden.

Terug naar overzicht