How to design PCB from a practical point of view?

PCB ( placa de circuito impreso ) El cableado juega un papel clave en los circuitos de alta velocidad. Este artículo analiza principalmente el problema del cableado de los circuitos de alta velocidad desde un punto de vista práctico. El objetivo principal es ayudar a los nuevos usuarios a tomar conciencia de los muchos problemas diferentes que deben tenerse en cuenta al diseñar el cableado de PCB para circuitos de alta velocidad. Another purpose is to provide a refresher material for customers who have not been exposed to PCB wiring for some time. Debido al espacio limitado, no es posible cubrir todos los problemas en detalle en este artículo, pero analizaremos las partes clave que tienen el mayor impacto en la mejora del rendimiento del circuito, la reducción del tiempo de diseño y el ahorro de tiempo de modificación.

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Cómo diseñar PCB desde un punto de vista práctico

Although the focus here is on circuits related to high speed operational amplifiers, the problems and methods discussed here are generally applicable to wiring for most other high speed analog circuits. When operational amplifiers operate in very high radio frequency (RF) bands, the performance of the circuit is largely dependent on PCB wiring. Lo que parece un buen diseño de circuito de alto rendimiento en la “mesa de dibujo” puede terminar con un rendimiento mediocre si sufre de cableado descuidado. La consideración previa y la atención a los detalles importantes durante todo el proceso de cableado ayudarán a garantizar el rendimiento deseado del circuito.

Diagrama esquemático

Aunque los buenos esquemas no garantizan un buen cableado, un buen cableado comienza con buenos esquemas. The schematic diagram must be carefully drawn and the signal direction of the entire circuit must be considered. If you have normal, steady signal flow from left to right in the schematic, you should have just as good signal flow on the PCB. Proporcione tanta información útil como sea posible sobre el esquema. Because sometimes the circuit design engineer is not available, the customer will ask us to help solve the problem of the circuit. The designers, technicians and engineers who do this work will be very grateful, including us.

Más allá de los identificadores de referencia habituales, el consumo de energía y las tolerancias de error, ¿qué otra información se debe proporcionar en un esquema? Aquí hay algunas sugerencias para convertir un esquema ordinario en un esquema de primera clase. Add waveform, mechanical information about the shell, printed line length, blank area; Indique qué componentes deben colocarse en la PCB; Give adjustment information, component value range, heat dissipation information, control impedance printed lines, notes, concise circuit action description… (entre otros).

No confíes en nadie

Si no diseña su propio cableado, asegúrese de dejar suficiente tiempo para verificar el diseño del cableador. A little prevention is worth a hundred times a remedy here. No espere que la persona que realiza el cableado comprenda lo que está pensando. Su opinión y orientación son más importantes al comienzo del proceso de diseño del cableado. Cuanta más información pueda proporcionar y cuanto más involucrado esté en el proceso de cableado, mejor será la PCB como resultado. Set a tentative completion point for the cabling design engineer – a quick check of the cabling progress report you want. Este enfoque de “circuito cerrado” evita que el cableado se desvíe y, por lo tanto, minimiza la posibilidad de volver a trabajar.

Las instrucciones para los ingenieros de cableado incluyen: una breve descripción de las funciones del circuito, bocetos de la PCB que indican las posiciones de entrada y salida, información en cascada de la PCB (p. Ej., El grosor de la placa, cuántas capas hay, detalles de cada capa de señal y plano de conexión a tierra – consumo de energía , tierra, señales analógicas, digitales y RF); The layers need those signals; Requerir la colocación de componentes importantes; The exact location of the bypass element; Which printed lines are important; Qué líneas necesitan controlar las líneas impresas de impedancia; Qué líneas deben coincidir con la longitud; Dimensions of components; Qué líneas impresas deben estar lejos (o cerca) unas de otras; Which lines need to be far (or near) from each other; Qué componentes deben ubicarse alejados (o cerca) entre sí; Which components should be placed on top and which on the bottom of the PCB? Never complain about having to give someone too much information — too little? Es; ¿Demasiado? No, en absoluto.

Una lección de aprendizaje: hace unos 10 años, diseñé una placa de circuito de montaje en superficie de múltiples capas: la placa tenía componentes en ambos lados. Las placas están atornilladas a una carcasa de aluminio chapado en oro (debido a las estrictas especificaciones a prueba de golpes). Los pines que proporcionan alimentación de polarización pasan a través de la placa. El pin está conectado a la PCB mediante un alambre de soldadura. It’s a very complicated device. Some of the components on the board are used for test setting (SAT). But I’ve defined exactly where these components are. Can you guess where these components are installed? Debajo del tablero, por cierto. Product engineers and technicians are not happy when they have to take the whole thing apart and put it back together after they’ve finished setting it up. No he cometido ese error desde entonces.

ubicación

As in PCB, location is everything. Where a circuit is placed on the PCB, where its specific circuit components are installed, and what other circuits are adjacent to it are all very important.

Normalmente, las posiciones de entrada, salida y fuente de alimentación están predeterminadas, pero los circuitos entre ellos deben ser “creativos”. Es por eso que prestar atención a los detalles del cableado puede generar enormes dividendos. Comience con la ubicación de los componentes clave, considere el circuito y toda la PCB. Specifying the location of key components and the path of signals from the beginning helps ensure that the design works as intended. Getting the design right the first time reduces cost and stress — and thus development cycles.

Omitir la fuente de alimentación

Bypassing the power side of the amplifier to reduce noise is an important aspect of the PCB design process — both for high-speed operational amplifiers and other high-speed circuits. There are two common configurations of bypass high speed operational amplifiers.

Power grounding: This method is most efficient in most cases, using multiple shunt capacitors to directly ground the power pins of the op amp. Two shunt capacitors are generally sufficient – but adding shunt capacitors may be beneficial for some circuits.

Paralleling capacitors with different capacitance values helps ensure that the power supply pins see only low AC impedance over a wide band. This is especially important at the operational amplifier power rejection ratio (PSR) attenuation frequency. El condensador ayuda a compensar el PSR reducido del amplificador. Grounding paths that maintain low impedance over many tenx ranges will help ensure that harmful noise does not enter the operational amplifier. Figure 1 illustrates the advantages of using multiple concurrent electrical containers. A bajas frecuencias, los condensadores grandes proporcionan acceso a tierra de baja impedancia. Pero una vez que las frecuencias alcanzan su frecuencia de resonancia, los condensadores se vuelven menos capacitivos y adquieren más sensualidad. Por eso es importante tener varios condensadores: a medida que la respuesta de frecuencia de un condensador comienza a disminuir, entra en juego la respuesta de frecuencia del otro condensador, manteniendo así una impedancia de CA muy baja durante muchas diez octavas.

Comience directamente desde el pin de alimentación del amplificador operacional; Capacitors with minimum capacitance and minimum physical size should be placed on the same side of the PCB as the operational amplifier — as close to the amplifier as possible. El terminal de conexión a tierra del condensador se conectará directamente al plano de conexión a tierra con el pin o cable impreso más corto. The grounding connection mentioned above shall be as close to the load end of the amplifier as possible to minimize interference between the power and grounding end. La figura 2 ilustra este método de conexión.

Este proceso debe repetirse para condensadores subgrandes. Es mejor comenzar con una capacitancia mínima de 0.01 μF y colocar un capacitor electrolítico con una resistencia en serie equivalente (ESR) baja de 2.2 μF (o más) cerca de él. The 0.01 μF capacitor with 0508 housing size has very low series inductance and excellent high frequency performance.

Potencia a potencia: otra configuración utiliza uno o más condensadores de derivación conectados entre los extremos de potencia positivo y negativo del amplificador operacional. Este método se utiliza a menudo cuando es difícil configurar cuatro condensadores en un circuito. La desventaja es que el tamaño de la carcasa del condensador puede aumentar porque el voltaje a través del condensador es el doble del valor del método de derivación de potencia única. Aumentar el voltaje requiere aumentar el voltaje de ruptura nominal del dispositivo, lo que significa aumentar el tamaño de la carcasa. Sin embargo, este enfoque puede mejorar el rendimiento de PSR y distorsión.

Debido a que cada circuito y cableado es diferente, la configuración, el número y el valor de capacitancia de los capacitores dependerán de los requisitos del circuito real.

Efectos parasitarios

Los efectos parasitarios son, literalmente, fallos que se cuelan en su PCB y causan estragos, dolores de cabeza y estragos inexplicables en el circuito. Son los condensadores e inductores parásitos ocultos que se filtran en los circuitos de alta velocidad. Que incluye la inductancia parásita formada por el pin del paquete y el cable impreso demasiado largo; Capacitancia parasitaria formada entre la plataforma a tierra, la plataforma al plano de potencia y la plataforma a la línea de impresión; Interacciones entre orificios pasantes y muchos otros efectos posibles.