Com dissenyar PCB des d’un punt de vista pràctic?

PCB ( placa de circuit imprès ) el cablejat té un paper clau en els circuits d’alta velocitat. Aquest article tracta principalment del problema del cablejat dels circuits d’alta velocitat des d’un punt de vista pràctic. El propòsit principal és ajudar els nous usuaris a prendre consciència de les diferents qüestions que cal tenir en compte a l’hora de dissenyar el cablejat de PCB per a circuits d’alta velocitat. Un altre propòsit és proporcionar un material d’actualització per als clients que no han estat exposats al cablejat de PCB des de fa temps. A causa de l’espai limitat, no és possible cobrir tots els problemes amb detall en aquest article, però analitzarem les parts clau que tenen un major impacte en la millora del rendiment del circuit, la reducció del temps de disseny i l’estalvi de temps de modificació.

ipcb

Com dissenyar PCB des d’un punt de vista pràctic

Tot i que el focus aquí es centra en els circuits relacionats amb els amplificadors operatius d’alta velocitat, els problemes i mètodes que es discuteixen aquí són generalment aplicables al cablejat de la majoria dels altres circuits analògics d’alta velocitat. Quan els amplificadors operatius funcionen en bandes de radiofreqüència (RF) molt altes, el rendiment del circuit depèn en gran mesura del cablejat del PCB. El que sembla un bon disseny de circuits d’alt rendiment a la “taula de dibuix” pot acabar amb un rendiment mediocre si pateix un cablejat descuidat. La consideració prèvia i l’atenció a detalls importants durant tot el procés de cablejat ajudaran a garantir el rendiment del circuit desitjat.

Diagrama esquemàtic

Tot i que els bons esquemes no garanteixen un bon cablejat, el bon cablejat comença amb bons esquemes. S’ha de dibuixar acuradament l’esquema i s’ha de tenir en compte la direcció del senyal de tot el circuit. Si teniu un flux de senyal normal i constant d’esquerra a dreta a l’esquema, hauríeu de tenir un flux de senyal igual de bo a la PCB. Doneu tanta informació útil com sigui possible sobre l’esquema. Com que de vegades l’enginyer de disseny de circuits no està disponible, el client ens demanarà que ajudem a resoldre el problema del circuit. Els dissenyadors, tècnics i enginyers que facin aquest treball estaran molt agraïts, inclosos nosaltres.

Més enllà dels identificadors de referència habituals, el consum d’energia i les toleràncies d’error, quina altra informació s’hauria de donar en un esquema? Aquí hi ha alguns suggeriments per convertir un esquema ordinari en un esquema de primera classe. Afegiu forma d’ona, informació mecànica sobre l’intèrpret d’ordres, longitud de la línia impresa, àrea en blanc; Indiqueu quins components cal col·locar al PCB; Proporcioneu informació d’ajust, rang de valors de components, informació de dissipació de calor, línies impreses d’impedància de control, notes, descripció concisa de l’acció del circuit … (entre altres).

No confieu en ningú

Si no dissenyeu el vostre propi cablejat, assegureu-vos de deixar molt de temps per comprovar de nou el disseny del cablejat. Una mica de prevenció val cent vegades un remei aquí. No espereu que el cablejat entengui el que esteu pensant. La vostra aportació i orientació és molt important al començament del procés de disseny del cablejat. Com més informació pugueu proporcionar i més participeu en el procés de cablejat, millor serà el PCB. Definiu un punt de finalització provisional per a l’enginyer de disseny de cablejat: una comprovació ràpida de l’informe de progrés del cablejat que desitgeu. Aquest enfocament de “llaç tancat” impedeix que el cablejat vagi desviant-se i, per tant, minimitzi la possibilitat de tornar a treballar.

Les instruccions per als enginyers de cablejat inclouen: una breu descripció de les funcions del circuit, esbossos de PCB que indiquen les posicions d’entrada i sortida, informació en cascada de PCB (per exemple, el gruix de la placa, quantes capes hi ha, detalls de cada capa de senyal i pla de terra: consum d’energia , senyals de terra, analògics, digitals i RF); Les capes necessiten aquests senyals; Requereixen la col·locació de components importants; La ubicació exacta de l’element bypass; Quines línies impreses són importants; Quines línies necessiten controlar la impedància de les línies impreses; Quines línies han de coincidir amb la longitud; Dimensions dels components; Quines línies impreses han d’estar allunyades (o properes) les unes de les altres; Quines línies han d’estar allunyades (o properes) les unes de les altres; Quins components cal situar allunyats (o propers) l’un de l’altre; Quins components s’han de col·locar a la part superior i quins a la part inferior del PCB? No us queixeu mai d’haver de donar a algú massa informació, massa poca? És; Massa? No, en absolut.

Una lliçó d’aprenentatge: fa uns 10 anys, vaig dissenyar una placa de circuit de muntatge superficial de diverses capes: la placa tenia components a banda i banda. Les plaques estan cargolades a una carcassa d’alumini xapat en or (a causa de les estrictes especificacions a prova de cops). Els pins que proporcionen una transmissió de polarització passen pel tauler. El passador està connectat al PCB mitjançant un fil de soldadura. És un dispositiu molt complicat. Alguns dels components de la placa s’utilitzen per a la configuració de proves (SAT). Però he definit exactament on són aquests components. Podeu endevinar on s’instal·len aquests components? Sota el tauler, per cert. Els enginyers i tècnics de productes no estan contents quan han de desmuntar-ho tot i tornar-lo a unir després d’acabar de configurar-lo. Des de llavors no he comès aquest error.

ubicació

Com a PCB, la ubicació ho és tot. Són molt importants el lloc on es col·loca un circuit a la PCB, on s’instal·len els components específics del circuit i quins altres circuits hi són adjacents.

Normalment, les posicions d’entrada, sortida i font d’alimentació estan predeterminades, però el circuit entre elles ha de ser “creatiu”. Per això, prestar atenció als detalls del cablejat pot generar enormes dividends. Comenceu per la ubicació dels components clau, tingueu en compte el circuit i tota la PCB. Especificar la ubicació dels components clau i la ruta dels senyals des del principi ajuda a garantir que el disseny funcioni tal com es pretenia. Aconseguir el disseny correcte la primera vegada redueix els costos i l’estrès i, per tant, els cicles de desenvolupament.

Eviteu la font d’alimentació

Eludir el costat de l’alimentació de l’amplificador per reduir el soroll és un aspecte important del procés de disseny de PCB, tant per a amplificadors operatius d’alta velocitat com per a altres circuits d’alta velocitat. Hi ha dues configuracions comunes d’amplificadors operatius de bypass d’alta velocitat.

Connexió a terra: aquest mètode és el més eficaç en la majoria dels casos, utilitzant condensadors de derivació múltiples per connectar directament a terra els pins de potència de l’amplificador operatiu. Dos condensadors de derivació són generalment suficients, però afegir condensadors de derivació pot ser beneficiós per a alguns circuits.

Els condensadors paral·lels amb valors de capacitat diferents ajuden a garantir que els pins de la font d’alimentació només vegin una impedància de CA baixa en una banda ampla. Això és especialment important en la freqüència d’atenuació de la relació de rebuig de potència de l’amplificador (PSR). El condensador ajuda a compensar la PSR reduïda de l’amplificador. Els camins de connexió a terra que mantenen una impedància baixa en molts rangs de tensió ajudaran a garantir que el soroll nociu no entra a l’amplificador operatiu. La figura 1 il·lustra els avantatges d’utilitzar múltiples contenidors elèctrics simultanis. A freqüències baixes, els condensadors grans proporcionen accés a terra de baixa impedància. Però un cop les freqüències arriben a la seva freqüència de ressonància, els condensadors es tornen menys capacitius i adquireixen més sensualitat. Per això, és important tenir diversos condensadors: a mesura que la resposta en freqüència d’un condensador comença a disminuir, entra en joc la resposta en freqüència de l’altre condensador, mantenint així una impedància de CA molt baixa durant moltes deu octaves.

Comenceu directament des del pin de potència de l’amplificador operacional; Els condensadors amb una capacitat física mínima i una mida física mínima s’han de col·locar al mateix costat del PCB que l’amplificador operatiu, el més a prop possible de l’amplificador. El terminal de connexió a terra del condensador s’haurà de connectar directament al pla de connexió a terra amb el pin més curt o el cable imprès. La connexió a terra esmentada anteriorment haurà de ser el més propera a l’extrem de càrrega de l’amplificador per minimitzar la interferència entre la potència i l’extrem de terra. La figura 2 il·lustra aquest mètode de connexió.

Aquest procés s’ha de repetir per als condensadors sublars. El millor és començar amb una capacitat mínima de 0.01 μF i col·locar un condensador electrolític amb una resistència de sèrie equivalent (ESR) de 2.2 μF (o més) a prop seu. El condensador de 0.01 μF amb mida de carcassa 0508 té una inductància de sèrie molt baixa i un excel·lent rendiment en alta freqüència.

Potència a alimentació: una altra configuració utilitza un o més condensadors de derivació connectats entre els extrems de potència positiva i negativa de l’amplificador operacional. Aquest mètode s’utilitza sovint quan és difícil configurar quatre condensadors en un circuit. L’inconvenient és que la mida de la carcassa del condensador pot augmentar perquè la tensió del condensador és el doble del valor del mètode de derivació d’una sola potència. L’augment de la tensió requereix augmentar la tensió de ruptura nominal del dispositiu, cosa que significa augmentar la mida de la carcassa. Tanmateix, aquest enfocament pot millorar el rendiment de distorsió i PSR.

Com que cada circuit i cablejat són diferents, la configuració, el nombre i el valor de la capacitat dels condensadors dependran dels requisits del circuit real.

Efectes parasitaris

Els efectes parasitaris són literalment fallades que s’introdueixen al vostre PCB i causen estralls, mals de cap i estralls inexplicables al circuit. Són els condensadors i inductors paràsits ocults que es filtren en circuits d’alta velocitat. Inclou la inductància paràsita formada pel pin del paquet i el fil imprès massa llarg; Capacitància paràsita formada entre el coixinet a terra, el coixinet al pla d’alimentació i el coixinet a la línia d’impressió; Interaccions entre forats passants i molts altres efectes possibles.