How to design PCB from a practical point of view?

PCB ( circuit imprimé ) le câblage joue un rôle clé dans les circuits à grande vitesse. Cet article traite principalement du problème de câblage des circuits à grande vitesse d’un point de vue pratique. L’objectif principal est d’aider les nouveaux utilisateurs à prendre conscience des nombreux problèmes différents qui doivent être pris en compte lors de la conception du câblage PCB pour les circuits à grande vitesse. Another purpose is to provide a refresher material for customers who have not been exposed to PCB wiring for some time. Due to limited space, it is not possible to cover all the issues in detail in this article, but we will discuss the key parts that have the greatest impact on improving circuit performance, reducing design time, and saving modification time.

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How to design PCB from a practical point of view

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. Ce qui ressemble à une bonne conception de circuit haute performance sur la «planche à dessin» peut se retrouver avec des performances médiocres s’il souffre d’un câblage bâclé. Une pré-considération et une attention aux détails importants tout au long du processus de câblage aideront à assurer les performances souhaitées du circuit.

Diagramme schématique

Bien que de bons schémas ne garantissent pas un bon câblage, un bon câblage commence par de bons schémas. 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. Donnez autant d’informations utiles que possible sur le schéma. 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.

Au-delà des identifiants de référence habituels, de la consommation électrique et des tolérances d’erreur, quelles autres informations doivent être données dans un schéma ? Voici quelques suggestions pour transformer un schéma ordinaire en un schéma de première classe. Add waveform, mechanical information about the shell, printed line length, blank area; Indiquer quels composants doivent être placés sur le PCB ; Give adjustment information, component value range, heat dissipation information, control impedance printed lines, notes, concise circuit action description… (entre autres).

Ne fais confiance à personne

Si vous ne concevez pas votre propre câblage, assurez-vous de prévoir suffisamment de temps pour vérifier la conception du câbleur. A little prevention is worth a hundred times a remedy here. Ne vous attendez pas à ce que le responsable du câblage comprenne ce que vous pensez. Votre contribution et vos conseils sont les plus importants au début du processus de conception du câblage. Plus vous pouvez fournir d’informations et plus vous êtes impliqué dans le processus de câblage, meilleur sera le PCB. Set a tentative completion point for the cabling design engineer – a quick check of the cabling progress report you want. Cette approche en « boucle fermée » empêche le câblage de s’égarer et minimise ainsi la possibilité de reprise.

Les instructions destinées aux ingénieurs en câblage comprennent : une brève description des fonctions du circuit, des schémas de circuits imprimés indiquant les positions d’entrée et de sortie, des informations sur la cascade de circuits imprimés (par exemple, l’épaisseur de la carte, le nombre de couches, les détails de chaque couche de signal et plan de mise à la terre – consommation d’énergie , masse, signaux analogiques, numériques et RF); The layers need those signals; Require the placement of important components; The exact location of the bypass element; Which printed lines are important; Quelles lignes doivent contrôler l’impédance des lignes imprimées ; Which lines need to match the length; Dimensions of components; Quelles lignes imprimées doivent être éloignées (ou proches) les unes des autres ; Which lines need to be far (or near) from each other; Quels composants doivent être éloignés (ou proches) les uns des autres ; 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? Est; Trop? Pas du tout.

Une leçon d’apprentissage : il y a environ 10 ans, j’ai conçu une carte de circuit imprimé multicouche à montage en surface — la carte avait des composants des deux côtés. Les plaques sont boulonnées sur une coque en aluminium plaqué or (en raison des spécifications antichoc strictes). Les broches qui fournissent une traversée de polarisation traversent la carte. La broche est reliée au PCB par un fil de soudure. 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? Sous la planche, d’ailleurs. 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. Je n’ai plus fait cette erreur depuis.

emplacement

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.

Normalement, les positions d’entrée, de sortie et d’alimentation sont prédéterminées, mais le circuit entre elles doit être “créatif”. C’est pourquoi prêter attention aux détails du câblage peut rapporter d’énormes dividendes. Commencez par l’emplacement des composants clés, considérez le circuit et l’ensemble du 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.

Contourner l’alimentation

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. Le condensateur aide à compenser la PSR réduite de l’amplificateur. 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. Aux basses fréquences, les gros condensateurs fournissent un accès à la terre à faible impédance. But once the frequencies reach their resonant frequency, capacitors become less capacitive and take on more sensuality. This is why it is important to have multiple capacitors: as the frequency response of one capacitor begins to decline, the frequency response of the other capacitor comes into play, thus maintaining a very low AC impedance over many ten-octaves.

Démarrez directement à partir de la broche d’alimentation de l’amplificateur opérationnel ; 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. The grounding terminal of the capacitor shall be directly connected to the grounding plane with the shortest pin or printed wire. 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 figure 2 illustre cette méthode de connexion.

Ce processus doit être répété pour les condensateurs sublarges. Il est préférable de commencer avec une capacité minimale de 0.01 F et de placer un condensateur électrolytique avec une faible résistance série équivalente (ESR) de 2.2 F (ou plus) à proximité. The 0.01 μF capacitor with 0508 housing size has very low series inductance and excellent high frequency performance.

Power-to-power : Une autre configuration utilise un ou plusieurs condensateurs de dérivation connectés entre les extrémités d’alimentation positive et négative de l’amplificateur opérationnel. Cette méthode est souvent utilisée lorsqu’il est difficile de configurer quatre condensateurs dans un circuit. L’inconvénient est que la taille du boîtier du condensateur peut augmenter car la tension aux bornes du condensateur est le double de la valeur de la méthode de dérivation à alimentation unique. L’augmentation de la tension nécessite d’augmenter la tension de claquage nominale de l’appareil, ce qui signifie augmenter la taille du boîtier. Cependant, cette approche peut améliorer les performances de PSR et de distorsion.

Étant donné que chaque circuit et câblage est différent, la configuration, le nombre et la valeur de capacité des condensateurs dépendront des exigences du circuit réel.

Parasitic effects

Les effets parasites sont littéralement des pépins qui se faufilent dans votre PCB et font des ravages, des maux de tête et des ravages inexpliqués sur le circuit. Ce sont les condensateurs et les inductances parasites cachés qui s’infiltrent dans les circuits à grande vitesse. Ce qui comprend l’inductance parasite formée par la broche du boîtier et le fil imprimé trop long ; Parasitic capacitance formed between pad to ground, pad to power plane and pad to print line; Interactions entre les trous traversants et bien d’autres effets possibles.