PCB ( circuito stampato ) il cablaggio svolge un ruolo chiave nei circuiti ad alta velocità. Questo articolo discute principalmente il problema del cablaggio dei circuiti ad alta velocità da un punto di vista pratico. Lo scopo principale è aiutare i nuovi utenti a prendere coscienza dei molti problemi diversi che devono essere considerati durante la progettazione del cablaggio PCB per circuiti ad alta velocità. Un altro scopo è quello di fornire un materiale di aggiornamento per i clienti che non sono stati esposti al cablaggio PCB per un po’ di tempo. A causa dello spazio limitato, non è possibile coprire tutti i problemi in dettaglio in questo articolo, ma discuteremo le parti chiave che hanno il maggiore impatto sul miglioramento delle prestazioni del circuito, sulla riduzione dei tempi di progettazione e sul risparmio dei tempi di modifica.

Come progettare PCB da un punto di vista pratico

Sebbene il focus qui sia sui circuiti relativi agli amplificatori operazionali ad alta velocità, i problemi e i metodi discussi qui sono generalmente applicabili al cablaggio per la maggior parte degli altri circuiti analogici ad alta velocità. Quando gli amplificatori operazionali operano in bande di radiofrequenza (RF) molto elevate, le prestazioni del circuito dipendono in gran parte dal cablaggio del PCB. Quello che sembra un buon progetto di circuito ad alte prestazioni sul “tavolo da disegno” può finire con prestazioni mediocri se soffre di un cablaggio sciatto. La pre-considerazione e l’attenzione ai dettagli importanti durante il processo di cablaggio contribuiranno a garantire le prestazioni del circuito desiderate.

Schema

Sebbene buoni schemi non garantiscano un buon cablaggio, un buon cablaggio inizia con buoni schemi. Il diagramma schematico deve essere disegnato con cura e deve essere considerata la direzione del segnale dell’intero circuito. Se hai un flusso di segnale normale e costante da sinistra a destra nello schema, dovresti avere un flusso di segnale altrettanto buono sul PCB. Fornisci quante più informazioni utili possibili sullo schema. Poiché a volte il progettista del circuito non è disponibile, il cliente ci chiederà di aiutare a risolvere il problema del circuito. I progettisti, i tecnici e gli ingegneri che svolgono questo lavoro ve ne saranno molto grati, noi compresi.

Oltre ai soliti identificatori di riferimento, consumo energetico e tolleranze di errore, quali altre informazioni dovrebbero essere fornite in uno schema? Ecco alcuni suggerimenti per trasformare uno schema ordinario in uno schema di prima classe. Aggiungi forma d’onda, informazioni meccaniche sulla shell, lunghezza della linea stampata, area vuota; Indicare quali componenti devono essere posizionati sul PCB; Fornire informazioni sulla regolazione, intervallo di valori dei componenti, informazioni sulla dissipazione del calore, linee stampate sull’impedenza di controllo, note, descrizione concisa dell’azione del circuito… (tra gli altri).

Non fidarti di nessuno

Se non progetti i tuoi cablaggi, assicurati di concedere un sacco di tempo per ricontrollare il design del cablatore. Un po’ di prevenzione vale cento volte un rimedio qui. Non aspettarti che l’addetto al cablaggio capisca cosa stai pensando. Il tuo input e la tua guida sono molto importanti all’inizio del processo di progettazione del cablaggio. Più informazioni puoi fornire e più sei coinvolto nel processo di cablaggio, migliore sarà il risultato del PCB. Imposta un punto di completamento provvisorio per il progettista del cablaggio: un rapido controllo del rapporto sullo stato di avanzamento del cablaggio che desideri. Questo approccio “a circuito chiuso” impedisce che il cablaggio vada fuori strada e quindi riduce al minimo la possibilità di rilavorazione.

Le istruzioni per gli ingegneri del cablaggio includono: una breve descrizione delle funzioni del circuito, schizzi del PCB che indicano le posizioni di ingresso e uscita, informazioni sulla cascata del PCB (ad es. quanto è spessa la scheda, quanti strati ci sono, dettagli di ogni livello di segnale e piano di messa a terra – consumo energetico , terra, segnali analogici, digitali e RF); Gli strati hanno bisogno di quei segnali; Richiedere il posizionamento di componenti importanti; La posizione esatta dell’elemento di bypass; Quali linee stampate sono importanti; Quali linee devono controllare l’impedenza delle linee stampate; Quali linee devono corrispondere alla lunghezza; Dimensioni dei componenti; Quali linee stampate devono essere lontane (o vicine) l’una dall’altra; Quali linee devono essere lontane (o vicine) l’una dall’altra; Quali componenti devono essere posizionati lontano (o vicino) l’uno dall’altro; Quali componenti devono essere posizionati sopra e quali nella parte inferiore del PCB? Mai lamentarsi di dover dare a qualcuno troppe informazioni, troppo poche? È; Troppo? Affatto.

Una lezione di apprendimento: circa 10 anni fa, ho progettato un circuito stampato multistrato a montaggio superficiale: la scheda aveva componenti su entrambi i lati. Le piastre sono imbullonate a un guscio in alluminio placcato oro (a causa delle rigide specifiche antiurto). I pin che forniscono il feed-through di polarizzazione passano attraverso la scheda. Il pin è collegato al PCB da un filo di saldatura. È un dispositivo molto complicato. Alcuni dei componenti sulla scheda vengono utilizzati per l’impostazione del test (SAT). Ma ho definito esattamente dove sono questi componenti. Riuscite a indovinare dove sono installati questi componenti? Sotto il tabellone, tra l’altro. Ingegneri e tecnici di prodotto non sono contenti quando devono smontare il tutto e rimontarlo dopo aver finito di configurarlo. Non ho fatto quell’errore da allora.

dove

Come in PCB, la posizione è tutto. Dove è posizionato un circuito sul PCB, dove sono installati i suoi componenti specifici del circuito e quali altri circuiti sono adiacenti ad esso sono tutti molto importanti.

Normalmente, le posizioni di ingresso, uscita e alimentazione sono predeterminate, ma il circuito tra di esse deve essere “creativo”. Ecco perché prestare attenzione ai dettagli del cablaggio può dare enormi vantaggi. Inizia con la posizione dei componenti chiave, considera il circuito e l’intero PCB. Specificare la posizione dei componenti chiave e il percorso dei segnali dall’inizio aiuta a garantire che il progetto funzioni come previsto. Ottenere il design giusto la prima volta riduce i costi e lo stress, e quindi i cicli di sviluppo.

Bypassare l’alimentazione

Bypassare il lato di alimentazione dell’amplificatore per ridurre il rumore è un aspetto importante del processo di progettazione del PCB, sia per gli amplificatori operazionali ad alta velocità che per altri circuiti ad alta velocità. Esistono due configurazioni comuni di amplificatori operazionali ad alta velocità di bypass.

Messa a terra dell’alimentazione: questo metodo è più efficiente nella maggior parte dei casi, utilizzando più condensatori shunt per mettere a terra direttamente i pin di alimentazione dell’amplificatore operazionale. Due condensatori shunt sono generalmente sufficienti, ma l’aggiunta di condensatori shunt può essere vantaggiosa per alcuni circuiti.

Il parallelo di condensatori con diversi valori di capacità aiuta a garantire che i pin dell’alimentatore vedano solo una bassa impedenza CA su una banda larga. Ciò è particolarmente importante alla frequenza di attenuazione del rapporto di reiezione di potenza dell’amplificatore operazionale (PSR). Il condensatore aiuta a compensare la ridotta PSR dell’amplificatore. I percorsi di messa a terra che mantengono una bassa impedenza su molte gamme tenx contribuiranno a garantire che il rumore dannoso non entri nell’amplificatore operazionale. La Figura 1 illustra i vantaggi dell’utilizzo di più contenitori elettrici simultanei. Alle basse frequenze, i condensatori di grandi dimensioni forniscono l’accesso a terra a bassa impedenza. Ma una volta che le frequenze raggiungono la loro frequenza di risonanza, i condensatori diventano meno capacitivi e assumono più sensualità. Ecco perché è importante avere più condensatori: quando la risposta in frequenza di un condensatore inizia a diminuire, entra in gioco la risposta in frequenza dell’altro condensatore, mantenendo così un’impedenza AC molto bassa su molte dieci ottave.

Inizia direttamente dal pin di alimentazione dell’amplificatore operazionale; I condensatori con capacità minima e dimensione fisica minima devono essere posizionati sullo stesso lato del PCB dell’amplificatore operazionale, il più vicino possibile all’amplificatore. Il terminale di messa a terra del condensatore deve essere collegato direttamente al piano di messa a terra con il pin o il filo stampato più corto. Il collegamento di messa a terra sopra menzionato deve essere il più vicino possibile all’estremità del carico dell’amplificatore per ridurre al minimo l’interferenza tra l’alimentazione e l’estremità della messa a terra. La Figura 2 illustra questo metodo di connessione.

Questo processo dovrebbe essere ripetuto per condensatori sublarge. È meglio iniziare con una capacità minima di 0.01 μF e posizionare un condensatore elettrolitico con una bassa resistenza in serie equivalente (ESR) di 2.2 μF (o più) vicino ad esso. Il condensatore da 0.01 μF con dimensioni dell’alloggiamento 0508 ha un’induttanza in serie molto bassa ed eccellenti prestazioni ad alta frequenza.

Power-to-power: un’altra configurazione utilizza uno o più condensatori di bypass collegati tra le estremità di alimentazione positiva e negativa dell’amplificatore operazionale. Questo metodo viene spesso utilizzato quando è difficile configurare quattro condensatori in un circuito. Lo svantaggio è che la dimensione dell’alloggiamento del condensatore può aumentare perché la tensione ai capi del condensatore è il doppio del valore del metodo di bypass a potenza singola. L’aumento della tensione richiede l’aumento della tensione di rottura nominale del dispositivo, il che significa aumentare le dimensioni dell’alloggiamento. Tuttavia, questo approccio può migliorare la PSR e le prestazioni di distorsione.

Poiché ogni circuito e cablaggio è diverso, la configurazione, il numero e il valore della capacità dei condensatori dipenderanno dai requisiti del circuito effettivo.

Effetti parassiti

Gli effetti parassiti sono letteralmente difetti che si insinuano nel tuo PCB e provocano il caos, mal di testa e il caos inspiegabile sul circuito. Sono i condensatori e gli induttori parassiti nascosti che si infiltrano nei circuiti ad alta velocità. Che comprende l’induttanza parassita formata dal perno della confezione e dal filo stampato troppo lungo; Capacità parassita formata tra pad a terra, pad a piano di alimentazione e pad a print line; Interazioni tra fori passanti e molti altri possibili effetti.