Leiterplatte ( Leiterplatte ) spielt die Verdrahtung in Hochgeschwindigkeitsschaltungen eine Schlüsselrolle. In diesem Beitrag wird hauptsächlich das Verdrahtungsproblem von Hochgeschwindigkeitsschaltungen aus praktischer Sicht erörtert. Der Hauptzweck besteht darin, neuen Benutzern dabei zu helfen, sich der vielen verschiedenen Aspekte bewusst zu werden, die beim Entwurf von PCB-Verdrahtungen für Hochgeschwindigkeitsschaltungen berücksichtigt werden müssen. Ein weiterer Zweck besteht darin, Kunden, die seit einiger Zeit keiner PCB-Verdrahtung ausgesetzt waren, ein Auffrischungsmaterial bereitzustellen. Aus Platzgründen ist es nicht möglich, alle Probleme in diesem Artikel im Detail zu behandeln, aber wir werden die wichtigsten Teile besprechen, die den größten Einfluss auf die Verbesserung der Schaltungsleistung, die Reduzierung der Entwurfszeit und die Einsparung von Änderungszeit haben.

Wie man PCB aus praktischer Sicht entwirft

Obwohl der Schwerpunkt hier auf Schaltungen liegt, die sich auf Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker beziehen, sind die hier diskutierten Probleme und Verfahren allgemein auf die Verdrahtung für die meisten anderen Hochgeschwindigkeits-Analogschaltungen anwendbar. Wenn Operationsverstärker in sehr hohen Hochfrequenzbändern (HF) arbeiten, hängt die Leistung der Schaltung weitgehend von der Leiterplattenverdrahtung ab. Was auf dem „Zeichenbrett“ wie ein gutes Hochleistungs-Schaltungsdesign aussieht, kann bei einer unsauberen Verdrahtung zu mittelmäßiger Leistung führen. Vorüberlegung und Beachtung wichtiger Details während des gesamten Verdrahtungsprozesses tragen dazu bei, die gewünschte Schaltungsleistung sicherzustellen.

Schematische Darstellung

Obwohl gute Schaltpläne keine gute Verdrahtung garantieren, beginnt eine gute Verdrahtung mit guten Schaltplänen. Der Schaltplan muss sorgfältig gezeichnet werden und die Signalrichtung der gesamten Schaltung muss berücksichtigt werden. Wenn Sie im Schaltplan einen normalen, stetigen Signalfluss von links nach rechts haben, sollten Sie auf der Platine einen ebenso guten Signalfluss haben. Geben Sie so viele nützliche Informationen wie möglich auf dem Schaltplan an. Da der Schaltungsdesigner manchmal nicht verfügbar ist, wird der Kunde uns bitten, bei der Lösung des Schaltungsproblems zu helfen. Die Designer, Techniker und Ingenieure, die diese Arbeit ausführen, werden Ihnen sehr dankbar sein, einschließlich uns.

Welche anderen Informationen sollten über die üblichen Referenzkennungen, den Stromverbrauch und die Fehlertoleranzen hinaus in einem Schaltplan angegeben werden? Hier sind einige Vorschläge, wie Sie einen gewöhnlichen Schaltplan in einen erstklassigen Schaltplan verwandeln können. Fügen Sie Wellenform, mechanische Informationen über die Hülle, gedruckte Zeilenlänge, leere Fläche hinzu; Geben Sie an, welche Komponenten auf der Leiterplatte platziert werden müssen; Geben Sie Anpassungsinformationen, Komponentenwertebereich, Wärmeableitungsinformationen, gedruckte Linien der Steuerimpedanz, Notizen, kurze Beschreibung der Schaltungsaktionen… (unter anderen).

Vertraue niemandem

Wenn Sie keine eigene Verkabelung entwerfen, nehmen Sie sich genügend Zeit, um das Design des Kabelers zu überprüfen. Ein bisschen Vorbeugung ist hier hundertmal ein Heilmittel wert. Erwarten Sie nicht, dass die Person, die das Kabel verkabelt, versteht, was Sie denken. Ihr Input und Ihre Anleitung sind zu Beginn des Verdrahtungsdesignprozesses am wichtigsten. Je mehr Informationen Sie bereitstellen können und je stärker Sie in den Verdrahtungsprozess eingebunden sind, desto besser wird die Leiterplatte. Legen Sie einen vorläufigen Abschlusspunkt für den Verkabelungsdesigner fest – eine schnelle Überprüfung des gewünschten Verkabelungsfortschrittsberichts. Dieser „Closed Loop“-Ansatz verhindert, dass die Verkabelung verloren geht und minimiert so die Möglichkeit von Nacharbeiten.

Zu den Anweisungen für Verdrahtungsingenieure gehören: eine kurze Beschreibung der Schaltungsfunktionen, PCB-Skizzen mit Angabe der Eingangs- und Ausgangspositionen, PCB-Kaskadierungsinformationen (z. B. wie dick die Platine ist, wie viele Schichten es gibt, Details zu jeder Signalschicht und Erdungsebene — Stromverbrauch , Masse-, analoge, digitale und HF-Signale); Die Schichten benötigen diese Signale; Erfordern die Platzierung wichtiger Komponenten; Die genaue Position des Bypass-Elements; Welche gedruckten Zeilen sind wichtig; Welche Leitungen müssen gedruckte Impedanzleitungen steuern; Welche Zeilen müssen der Länge entsprechen; Abmessungen der Komponenten; Welche gedruckten Zeilen müssen weit (oder nahe) voneinander entfernt sein; Welche Linien müssen weit (oder nahe) voneinander entfernt sein; Welche Komponenten müssen voneinander entfernt (oder nahe) platziert werden; Welche Bauteile sollen oben und welche unten auf der Leiterplatte platziert werden? Beschweren Sie sich nie darüber, dass Sie jemandem zu viele Informationen geben müssen – zu wenig? Ist; Zu viel? Überhaupt nicht.

Eine Lektion zum Lernen: Vor ungefähr 10 Jahren entwarf ich eine mehrschichtige SMD-Leiterplatte – die Platine hatte Komponenten auf beiden Seiten. Die Platten sind mit einer vergoldeten Aluminiumschale verschraubt (wegen der strengen Stoßfestigkeitsvorgaben). Pins, die eine Bias-Durchführung bereitstellen, gehen durch die Platine. Der Pin ist mit einem Schweißdraht mit der Platine verbunden. Es ist ein sehr kompliziertes Gerät. Einige der Komponenten auf der Platine werden für Testeinstellungen (SAT) verwendet. But I’ve defined exactly where these components are. Können Sie erraten, wo diese Komponenten installiert sind? Unter dem Brett übrigens. Produktingenieure und Techniker sind nicht glücklich, wenn sie das Ganze auseinandernehmen und nach dem Einrichten wieder zusammenbauen müssen. Seitdem habe ich diesen Fehler nicht mehr gemacht.

Lage

Wie bei PCB ist der Standort alles. Es ist sehr wichtig, wo eine Schaltung auf der Leiterplatte platziert ist, wo ihre spezifischen Schaltungskomponenten installiert sind und welche anderen Schaltungen daneben liegen.

Normalerweise sind die Positionen von Eingang, Ausgang und Stromversorgung vorgegeben, aber die Schaltung zwischen ihnen muss „kreativ“ sein. Aus diesem Grund kann es sich auszahlen, auf die Details der Verkabelung zu achten. Beginnen Sie mit der Position der Schlüsselkomponenten, betrachten Sie die Schaltung und die gesamte Leiterplatte. Die Festlegung der Position der Schlüsselkomponenten und des Signalpfads von Anfang an trägt dazu bei, dass das Design wie beabsichtigt funktioniert. Das richtige Design beim ersten Mal reduziert Kosten und Stress – und damit Entwicklungszyklen.

Überbrückung der Stromversorgung

Die Umgehung der Leistungsseite des Verstärkers zur Reduzierung von Rauschen ist ein wichtiger Aspekt des PCB-Designprozesses – sowohl für Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker als auch für andere Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Es gibt zwei übliche Konfigurationen von Bypass-Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärkern.

Stromerdung: Diese Methode ist in den meisten Fällen am effizientesten, da mehrere Shunt-Kondensatoren verwendet werden, um die Stromanschlüsse des Operationsverstärkers direkt zu erden. Zwei Shunt-Kondensatoren sind im Allgemeinen ausreichend – das Hinzufügen von Shunt-Kondensatoren kann jedoch für einige Schaltungen von Vorteil sein.

Die Parallelschaltung von Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten trägt dazu bei, dass die Stromversorgungspins über ein breites Band nur eine niedrige Wechselstromimpedanz sehen. Dies ist besonders wichtig bei der Dämpfungsfrequenz des Leistungsunterdrückungsverhältnisses (PSR) des Operationsverstärkers. Der Kondensator hilft, den reduzierten PSR des Verstärkers zu kompensieren. Erdungspfade, die über viele Tenx-Bereiche eine niedrige Impedanz beibehalten, tragen dazu bei, dass kein schädliches Rauschen in den Operationsverstärker eindringt. Abbildung 1 veranschaulicht die Vorteile der Verwendung mehrerer gleichzeitiger elektrischer Container. Bei niedrigen Frequenzen bieten große Kondensatoren einen Erdungszugang mit niedriger Impedanz. Aber sobald die Frequenzen ihre Resonanzfrequenz erreichen, werden Kondensatoren weniger kapazitiv und gewinnen mehr Sinnlichkeit. Aus diesem Grund ist es wichtig, mehrere Kondensatoren zu verwenden: Wenn der Frequenzgang eines Kondensators abnimmt, kommt der Frequenzgang des anderen Kondensators ins Spiel, wodurch eine sehr niedrige Wechselstromimpedanz über viele zehn Oktaven aufrechterhalten wird.

Starten Sie direkt vom Power-Pin des Operationsverstärkers; Kondensatoren mit minimaler Kapazität und minimaler physischer Größe sollten auf derselben Seite der Leiterplatte wie der Operationsverstärker platziert werden – so nah wie möglich am Verstärker. Der Erdungsanschluss des Kondensators muss mit dem kürzesten Stift oder gedruckten Kabel direkt mit der Erdungsebene verbunden werden. Der oben erwähnte Erdungsanschluss muss so nah wie möglich am Lastende des Verstärkers liegen, um Störungen zwischen dem Strom- und Erdungsende zu minimieren. Abbildung 2 veranschaulicht diese Verbindungsmethode.

Dieser Vorgang sollte für kleine Kondensatoren wiederholt werden. Am besten beginnen Sie mit einer Mindestkapazität von 0.01 μF und platzieren einen Elektrolytkondensator mit einem niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) von 2.2 μF (oder mehr) in der Nähe davon. Der 0.01-μF-Kondensator mit der Gehäusegröße 0508 hat eine sehr niedrige Serieninduktivität und eine hervorragende Hochfrequenzleistung.

Power-to-Power: Eine andere Konfiguration verwendet einen oder mehrere Bypass-Kondensatoren, die zwischen das positive und das negative Leistungsende des Operationsverstärkers geschaltet sind. Dieses Verfahren wird häufig verwendet, wenn es schwierig ist, vier Kondensatoren in einer Schaltung zu konfigurieren. Der Nachteil besteht darin, dass die Größe des Kondensatorgehäuses zunehmen kann, da die Spannung am Kondensator den doppelten Wert des Einzelleistungs-Bypass-Verfahrens hat. Eine Erhöhung der Spannung erfordert eine Erhöhung der Nenndurchbruchspannung des Geräts, was eine Vergrößerung der Gehäusegröße bedeutet. Dieser Ansatz kann jedoch die PSR- und Verzerrungsleistung verbessern.

Da jede Schaltung und Verdrahtung unterschiedlich ist, hängen Konfiguration, Anzahl und Kapazitätswert der Kondensatoren von den Anforderungen der tatsächlichen Schaltung ab.

Parasitäre Effekte

Parasitäre Effekte sind buchstäblich Pannen, die sich in Ihr PCB einschleichen und Verwüstung, Kopfschmerzen und unerklärliche Verwüstung auf der Schaltung anrichten. Sie sind die versteckten parasitären Kondensatoren und Induktivitäten, die in Hochgeschwindigkeitsschaltungen eindringen. Dazu gehört die parasitäre Induktivität, die durch den Gehäusestift und die zu lange gedruckte Leitung gebildet wird; Parasitäre Kapazität, die zwischen Pad-Masse, Pad-Power-Plane und Pad-Druckleitung gebildet wird; Wechselwirkungen zwischen Durchgangslöchern und viele andere mögliche Effekte.