Jak navrhnout PCB z praktického hlediska?

PCB ( plošných spojů ) zapojení hraje ve vysokorychlostních obvodech klíčovou roli. Tento článek pojednává především o problémech zapojení vysokorychlostních obvodů z praktického hlediska. Hlavním účelem je pomoci novým uživatelům seznámit se s mnoha různými problémy, které je třeba vzít v úvahu při navrhování kabeláže desek plošných spojů pro vysokorychlostní obvody. Dalším účelem je poskytnout obnovovací materiál zákazníkům, kteří již nějakou dobu nebyli vystaveni elektroinstalaci DPS. Vzhledem k omezenému prostoru není možné v tomto článku podrobně pokrýt všechny problémy, ale budeme diskutovat o klíčových částech, které mají největší dopad na zlepšení výkonu obvodu, zkrácení času návrhu a úsporu času úprav.

ipcb

Jak navrhnout PCB z praktického hlediska

Přestože se zde zaměřujeme na obvody související s vysokorychlostními operačními zesilovači, zde diskutované problémy a metody jsou obecně použitelné pro zapojení většiny ostatních vysokorychlostních analogových obvodů. Když operační zesilovače pracují ve velmi vysokých pásmech rádiových frekvencí (RF), je výkon obvodu do značné míry závislý na zapojení PCB. To, co na „rýsovacím prkně“ vypadá jako dobrý design vysoce výkonných obvodů, může skončit průměrným výkonem, pokud trpí nedbalým zapojením. Předběžné zvážení a pozornost důležitým detailům během celého zapojení pomůže zajistit požadovaný výkon obvodu.

Schematický diagram

Přestože dobrá schémata nezaručují dobré zapojení, dobré zapojení začíná dobrým schématem. Schematický diagram musí být pečlivě nakreslen a musí být zvážen směr signálu celého obvodu. Pokud máte ve schématu normální, stabilní tok signálu zleva doprava, měli byste mít stejně dobrý tok signálu na desce plošných spojů. Uveďte na schématu co nejvíce užitečných informací. Protože někdy není návrhář obvodů k dispozici, zákazník nás požádá o pomoc při řešení problému s obvodem. Designéři, technici a inženýři, kteří tuto práci dělají, budou velmi vděční, včetně nás.

Jaké další informace by měly být uvedeny mimo schéma kromě obvyklých referenčních identifikátorů, spotřeby energie a tolerancí chyb? Zde je několik návrhů, jak z obyčejného schématu udělat prvotřídní schéma. Přidejte průběh, mechanické informace o skořápce, délku tištěné čáry, prázdnou oblast; Uveďte, které součásti je třeba umístit na desku plošných spojů; Poskytněte informace o nastavení, rozsah hodnot součástek, informace o rozptylu tepla, tištěné řádky řídicí impedance, poznámky, stručný popis činnosti obvodu… (mezi ostatními).

Nevěř nikomu

Pokud nenavrhnete vlastní kabeláž, ujistěte se, že máte dostatek času na to, abyste dvakrát zkontrolovali návrh kabeláře. Malá prevence zde stojí stokrát za nápravu. Nečekejte, že kabelážník pochopí, co si myslíte. Váš vstup a vedení je nejdůležitější na začátku procesu návrhu zapojení. Čím více informací můžete poskytnout a čím více se zapojíte do procesu zapojení, tím lepší bude PCB. Stanovte předběžný bod dokončení konstruktéra kabeláže – rychlou kontrolu požadované zprávy o průběhu kabeláže. Tento přístup „uzavřené smyčky“ zabraňuje zablokování kabeláže a minimalizuje tak možnost přepracování.

Pokyny pro inženýry zapojení zahrnují: krátký popis funkcí obvodu, náčrtky desek plošných spojů indikující vstupní a výstupní polohy, kaskádové informace o desce plošných spojů (např. Jak je deska tlustá, kolik vrstev existuje, podrobnosti o každé signální vrstvě a uzemňovací rovině – spotřeba energie (pozemní, analogové, digitální a RF signály); Vrstvy tyto signály potřebují; Vyžadovat umístění důležitých komponent; Přesné umístění obtokového prvku; Které tištěné řádky jsou důležité; Které řádky potřebují ke kontrole impedančních tištěných čar; Které řádky musí odpovídat délce; Rozměry součástí; Které tištěné řádky musí být od sebe daleko (nebo blízko); Které řádky musí být od sebe daleko (nebo blízko); Které komponenty musí být umístěny daleko od sebe (nebo blízko sebe); Které komponenty by měly být umístěny nahoře a které na spodní straně desky plošných spojů? Nikdy si nestěžujte na to, že musíte někomu poskytovat příliš mnoho informací – příliš málo? Je; Příliš mnoho? Vůbec ne.

Jedna poučná lekce: Asi před 10 lety jsem navrhl vícevrstvou desku plošných spojů pro povrchovou montáž-deska měla součásti na obou stranách. Desky jsou přišroubovány k pozlacenému hliníkovému plášti (kvůli přísným specifikacím odolným proti nárazům). Kolíky, které zajišťují zkreslení, procházejí deskou. Kolík je spojen s DPS svařovacím drátem. Je to velmi komplikované zařízení. Některé součásti na desce se používají pro testovací nastavení (SAT). Ale přesně jsem definoval, kde jsou tyto komponenty. Dokážete odhadnout, kde jsou tyto součásti nainstalovány? Mimochodem pod deskou. Produktoví inženýři a technici nejsou šťastní, když musí celou věc rozebrat a po dokončení nastavení znovu dát dohromady. Od té doby jsem tu chybu neudělal.

umístění

Stejně jako v PCB je umístění vším. Je velmi důležité, kde je obvod umístěn na desce plošných spojů, kde jsou nainstalovány jeho specifické součásti obvodu a jaké další obvody k němu sousedí.

Polohy vstupu, výstupu a napájení jsou obvykle předem určeny, ale obvody mezi nimi musí být „kreativní“. To je důvod, proč věnovat pozornost detailům elektroinstalace může přinést obrovské dividendy. Začněte umístěním klíčových komponent, zvažte obvod a celou DPS. Zadání umístění klíčových komponent a cesty signálů od začátku pomáhá zajistit, aby design fungoval tak, jak měl. Správné provedení návrhu poprvé snižuje náklady a stres – a tím i vývojové cykly.

Vynechte napájení

Vynechání výkonové strany zesilovače za účelem snížení šumu je důležitým aspektem procesu návrhu DPS-jak pro vysokorychlostní operační zesilovače, tak pro další vysokorychlostní obvody. Existují dvě běžné konfigurace obtokových vysokorychlostních operačních zesilovačů.

Uzemnění napájení: Tato metoda je ve většině případů nejúčinnější a využívá více zkratových kondenzátorů k přímému uzemnění napájecích kolíků operačního zesilovače. Dva bočníkové kondenzátory jsou obecně dostačující – ale přidání bočníkových kondenzátorů může být pro některé obvody výhodné.

Paralelní kondenzátory s různými hodnotami kapacity pomáhají zajistit, aby kolíky napájecího zdroje viděly v širokém pásmu pouze nízkou impedanci střídavého proudu. To je zvláště důležité u útlumové frekvence operačního poměru zesilovače odmítnutí výkonu (PSR). Kondenzátor pomáhá kompenzovat snížené PSR zesilovače. Uzemňovací cesty, které udržují nízkou impedanci v mnoha desetinásobných rozsazích, pomohou zajistit, aby se do operačního zesilovače nedostal škodlivý šum. Obrázek 1 ukazuje výhody použití více souběžných elektrických kontejnerů. Při nízkých frekvencích poskytují velké kondenzátory nízkoimpedanční pozemní přístup. Jakmile však frekvence dosáhnou své rezonanční frekvence, kondenzátory se stanou méně kapacitními a získají větší smyslnost. To je důvod, proč je důležité mít více kondenzátorů: jak frekvenční odezva jednoho kondenzátoru začíná klesat, vstupuje do hry frekvenční odezva druhého kondenzátoru, čímž se udržuje velmi nízká impedance střídavého proudu po mnoho deset oktáv.

Začněte přímo z napájecího pinu operačního zesilovače; Kondenzátory s minimální kapacitou a minimální fyzickou velikostí by měly být umístěny na stejné straně desky plošných spojů jako operační zesilovač – co nejblíže zesilovači. Uzemňovací svorka kondenzátoru musí být přímo připojena k uzemňovací rovině nejkratším kolíkem nebo tištěným vodičem. Výše uvedené uzemnění musí být co nejblíže konci zátěže zesilovače, aby se minimalizovalo rušení mezi napájením a koncem uzemnění. Obrázek 2 ukazuje tuto metodu připojení.

Tento proces by se měl opakovat u velkých kondenzátorů. Nejlepší je začít s minimální kapacitou 0.01 μF a umístit blízko něj elektrolytický kondenzátor s nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR) 2.2 μF (nebo více). Kondenzátor 0.01 μF s velikostí pouzdra 0508 má velmi nízkou sériovou indukčnost a vynikající vysokofrekvenční výkon.

Napájení k napájení: Jiná konfigurace používá jeden nebo více obtokových kondenzátorů zapojených mezi kladné a záporné napájecí konce operačního zesilovače. Tato metoda se často používá, když je obtížné konfigurovat čtyři kondenzátory v obvodu. Nevýhodou je, že velikost pouzdra kondenzátoru se může zvýšit, protože napětí na kondenzátoru je dvojnásobkem hodnoty metody bypassu s jedním napájením. Zvýšení napětí vyžaduje zvýšení jmenovitého průrazného napětí zařízení, což znamená zvětšení velikosti pouzdra. Tento přístup však může zlepšit výkon PSR a zkreslení.

Protože je každý obvod a zapojení jiné, bude konfigurace, počet a hodnota kapacity kondenzátorů záviset na požadavcích skutečného obvodu.

Parazitické efekty

Parazitické efekty jsou doslova závady, které se vplíží do vaší DPS a způsobí zmatek, bolesti hlavy a nevysvětlitelnou pohromu na okruhu. Jsou to skryté parazitní kondenzátory a induktory, které pronikají do vysokorychlostních obvodů. Což zahrnuje parazitní indukčnost tvořenou příliš dlouhým kolíkem obalu a tištěným drátem; Parazitická kapacita vytvořená mezi podložkou k zemi, podložkou k energetické rovině a podložkou k tiskové linii; Interakce mezi průchozími otvory a mnoho dalších možných efektů.