Bagaimana merancang PCB dari sudut pandang praktis?

PCB ( printed circuit board ) kabel memainkan peran kunci dalam sirkuit kecepatan tinggi. Makalah ini terutama membahas masalah pengkabelan sirkuit kecepatan tinggi dari sudut pandang praktis. Tujuan utamanya adalah untuk membantu pengguna baru menyadari banyak masalah berbeda yang perlu dipertimbangkan saat merancang kabel PCB untuk sirkuit berkecepatan tinggi. Tujuan lainnya adalah untuk memberikan materi penyegaran bagi pelanggan yang sudah lama tidak terpapar kabel PCB. Karena ruang yang terbatas, tidak mungkin untuk membahas semua masalah secara rinci dalam artikel ini, tetapi kita akan membahas bagian-bagian penting yang memiliki dampak terbesar pada peningkatan kinerja sirkuit, mengurangi waktu desain, dan menghemat waktu modifikasi.

ipcb

Bagaimana merancang PCB dari sudut pandang praktis

Meskipun fokus di sini adalah pada sirkuit yang terkait dengan penguat operasional kecepatan tinggi, masalah dan metode yang dibahas di sini umumnya berlaku untuk pengkabelan untuk sebagian besar sirkuit analog kecepatan tinggi lainnya. Ketika penguat operasional beroperasi di pita frekuensi radio (RF) yang sangat tinggi, kinerja rangkaian sangat bergantung pada kabel PCB. Apa yang tampak seperti desain sirkuit berkinerja tinggi yang bagus pada “papan gambar” dapat berakhir dengan kinerja biasa-biasa saja jika mengalami kabel yang tidak rapi. Pra-pertimbangan dan perhatian pada detail penting selama proses pengkabelan akan membantu memastikan kinerja sirkuit yang diinginkan.

Diagram skematik

Meskipun skema yang baik tidak menjamin pengkabelan yang baik, pengkabelan yang baik dimulai dengan skema yang baik. Diagram skematik harus digambar dengan hati-hati dan arah sinyal dari seluruh rangkaian harus dipertimbangkan. Jika Anda memiliki aliran sinyal yang normal dan stabil dari kiri ke kanan dalam skema, Anda seharusnya memiliki aliran sinyal yang sama baiknya pada PCB. Berikan informasi yang berguna sebanyak mungkin pada skema. Karena terkadang teknisi desain sirkuit tidak tersedia, pelanggan akan meminta kami untuk membantu menyelesaikan masalah sirkuit. Para desainer, teknisi, dan insinyur yang melakukan pekerjaan ini akan sangat berterima kasih, termasuk kami.

Di luar pengidentifikasi referensi biasa, konsumsi daya, dan toleransi kesalahan, informasi lain apa yang harus diberikan dalam skema? Berikut adalah beberapa saran untuk mengubah skema biasa menjadi skema kelas satu. Tambahkan bentuk gelombang, informasi mekanis tentang cangkang, panjang garis tercetak, area kosong; Tunjukkan komponen mana yang perlu ditempatkan pada PCB; Berikan informasi penyesuaian, rentang nilai komponen, informasi pembuangan panas, garis cetak impedansi kontrol, catatan, deskripsi tindakan sirkuit ringkas… (diantara yang lain).

Jangan percaya siapapun

Jika Anda tidak mendesain kabel Anda sendiri, pastikan untuk memberikan banyak waktu untuk memeriksa ulang desain kabel tersebut. Sedikit pencegahan bernilai seratus kali pengobatan di sini. Jangan berharap petugas kabel memahami apa yang Anda pikirkan. Masukan dan bimbingan Anda adalah yang paling penting di awal proses desain pengkabelan. Semakin banyak informasi yang dapat Anda berikan dan semakin banyak keterlibatan Anda dalam proses pengkabelan, semakin baik PCB yang dihasilkan. Tetapkan titik penyelesaian tentatif untuk insinyur desain pemasangan kabel – pemeriksaan cepat laporan kemajuan pemasangan kabel yang Anda inginkan. Pendekatan “loop tertutup” ini mencegah kabel agar tidak tersesat dan dengan demikian meminimalkan kemungkinan pengerjaan ulang.

Instruksi untuk insinyur pengkabelan meliputi: deskripsi singkat tentang fungsi sirkuit, sketsa PCB yang menunjukkan posisi input dan output, informasi cascading PCB (misalnya, seberapa tebal papan, berapa banyak lapisan yang ada, rincian setiap lapisan sinyal dan bidang pentanahan — konsumsi daya , sinyal ground, analog, digital dan RF); Lapisan membutuhkan sinyal tersebut; Memerlukan penempatan komponen penting; Lokasi yang tepat dari elemen bypass; Garis tercetak mana yang penting; Garis mana yang perlu mengontrol garis cetak impedansi; Garis mana yang harus cocok dengan panjangnya; Dimensi komponen; Garis tercetak mana yang harus jauh (atau dekat) satu sama lain; Jalur mana yang harus jauh (atau dekat) satu sama lain; Komponen mana yang perlu ditempatkan jauh dari (atau dekat) satu sama lain; Komponen mana yang harus diletakkan di atas dan mana yang di bagian bawah PCB? Jangan pernah mengeluh karena harus memberi seseorang terlalu banyak informasi — terlalu sedikit? Adalah; Terlalu banyak? Tidak sama sekali.

Satu pelajaran pembelajaran: Sekitar 10 tahun yang lalu, saya merancang papan sirkuit pemasangan permukaan multi-lapisan — papan tersebut memiliki komponen di kedua sisinya. Pelat dibaut ke cangkang aluminium berlapis emas (karena spesifikasi tahan guncangan yang ketat). Pin yang memberikan umpan bias melewati papan. Pin terhubung ke PCB dengan kawat las. Ini adalah perangkat yang sangat rumit. Beberapa komponen pada board digunakan untuk test setting (SAT). Tapi saya telah mendefinisikan dengan tepat di mana komponen-komponen ini berada. Bisakah Anda menebak di mana komponen ini dipasang? Di bawah papan, omong-omong. Insinyur dan teknisi produk tidak senang ketika mereka harus membongkar semuanya dan memasangnya kembali setelah mereka selesai memasangnya. Saya tidak pernah melakukan kesalahan itu sejak saat itu.

tempat

Seperti di PCB, lokasi adalah segalanya. Di mana sirkuit ditempatkan pada PCB, di mana komponen sirkuit spesifiknya dipasang, dan sirkuit lain apa yang berdekatan dengannya, semuanya sangat penting.

Biasanya, posisi input, output, dan catu daya telah ditentukan sebelumnya, tetapi sirkuit di antara keduanya harus “kreatif”. Inilah sebabnya mengapa memperhatikan detail pengkabelan dapat memberikan keuntungan besar. Mulailah dengan lokasi komponen utama, pertimbangkan sirkuit dan seluruh PCB. Menentukan lokasi komponen utama dan jalur sinyal dari awal membantu memastikan bahwa desain berfungsi sebagaimana dimaksud. Mendapatkan desain yang benar pertama kali mengurangi biaya dan stres — dan dengan demikian siklus pengembangan.

Lewati catu daya

Melewati sisi daya amplifier untuk mengurangi kebisingan merupakan aspek penting dari proses desain PCB — baik untuk amplifier operasional berkecepatan tinggi maupun sirkuit berkecepatan tinggi lainnya. Ada dua konfigurasi umum dari penguat operasional kecepatan tinggi bypass.

Pengardean daya: Metode ini paling efisien dalam banyak kasus, menggunakan beberapa kapasitor shunt untuk menghubungkan pin daya op amp secara langsung. Dua kapasitor shunt umumnya cukup – tetapi menambahkan kapasitor shunt mungkin bermanfaat untuk beberapa rangkaian.

Kapasitor paralel dengan nilai kapasitansi yang berbeda membantu memastikan bahwa pin catu daya hanya melihat impedansi AC rendah pada pita lebar. Hal ini terutama penting pada frekuensi atenuasi rasio penolakan daya penguat operasional (PSR). Kapasitor membantu mengkompensasi pengurangan PSR dari amplifier. Jalur pembumian yang mempertahankan impedansi rendah pada banyak rentang sepuluhx akan membantu memastikan bahwa kebisingan berbahaya tidak masuk ke penguat operasional. Gambar 1 mengilustrasikan keuntungan menggunakan beberapa wadah listrik secara bersamaan. Pada frekuensi rendah, kapasitor besar menyediakan akses ground impedansi rendah. Tetapi begitu frekuensi mencapai frekuensi resonansinya, kapasitor menjadi kurang kapasitif dan mengambil lebih banyak sensualitas. Inilah sebabnya mengapa penting untuk memiliki beberapa kapasitor: karena respons frekuensi satu kapasitor mulai menurun, respons frekuensi kapasitor lain ikut bermain, sehingga mempertahankan impedansi AC yang sangat rendah selama sepuluh oktaf.

Mulai langsung dari pin daya penguat operasional; Kapasitor dengan kapasitansi minimum dan ukuran fisik minimum harus ditempatkan pada sisi yang sama dari PCB sebagai penguat operasional — sedekat mungkin dengan penguat. Terminal pembumian kapasitor harus dihubungkan langsung ke bidang pembumian dengan pin terpendek atau kabel tercetak. Sambungan pembumian yang disebutkan di atas harus sedekat mungkin dengan ujung beban amplifier untuk meminimalkan interferensi antara daya dan ujung pembumian. Gambar 2 mengilustrasikan metode koneksi ini.

Proses ini harus diulang untuk kapasitor subbesar. Yang terbaik adalah memulai dengan kapasitansi minimum 0.01 F dan menempatkan kapasitor elektrolitik dengan resistansi seri ekivalen rendah (ESR) 2.2 F (atau lebih) di dekatnya. Kapasitor 0.01 F dengan ukuran housing 0508 memiliki induktansi seri yang sangat rendah dan kinerja frekuensi tinggi yang sangat baik.

Power-to-power: Konfigurasi lain menggunakan satu atau lebih kapasitor bypass yang terhubung antara ujung daya positif dan negatif dari penguat operasional. Metode ini sering digunakan ketika sulit untuk mengkonfigurasi empat kapasitor dalam suatu rangkaian. Kerugiannya adalah bahwa ukuran rumah kapasitor dapat meningkat karena tegangan melintasi kapasitor dua kali nilai metode bypass daya tunggal. Meningkatkan tegangan memerlukan peningkatan tegangan tembus pengenal perangkat, yang berarti meningkatkan ukuran rumahan. Namun, pendekatan ini dapat meningkatkan kinerja PSR dan distorsi.

Karena setiap rangkaian dan pengkabelan berbeda, konfigurasi, jumlah, dan nilai kapasitansi kapasitor akan tergantung pada persyaratan rangkaian yang sebenarnya.

Efek parasit

Efek parasit secara harfiah adalah gangguan yang menyelinap ke PCB Anda dan mendatangkan malapetaka, sakit kepala, dan malapetaka yang tidak dapat dijelaskan di sirkuit. Mereka adalah kapasitor dan induktor parasit tersembunyi yang meresap ke dalam sirkuit berkecepatan tinggi. Yang termasuk induktansi parasit yang dibentuk oleh pin paket dan kawat yang dicetak terlalu panjang; Kapasitansi parasit terbentuk antara pad ke ground, pad ke power plane dan pad untuk mencetak garis; Interaksi antara lubang tembus, dan banyak kemungkinan efek lainnya.