כיצד לעצב PCB מנקודת מבט מעשית?

PCB ( המעגל המודפס ) החיווט משחק תפקיד מרכזי במעגלים במהירות גבוהה. מאמר זה דן בעיקר בבעיית החיווט של מעגלים מהירים מבחינה מעשית. המטרה העיקרית היא לסייע למשתמשים חדשים להיות מודעים לנושאים רבים ושונים שיש לקחת בחשבון בעת ​​עיצוב חיווט PCB למעגלים במהירות גבוהה. מטרה נוספת היא לספק חומר רענון ללקוחות שלא נחשפו לחיווט PCB במשך זמן מה. בשל שטח מוגבל, לא ניתן לכסות את כל הנושאים בפירוט במאמר זה, אך נדון בחלקים המרכזיים בעלי ההשפעה הגדולה ביותר על שיפור ביצועי המעגלים, צמצום זמן התכנון וחסכון בזמן השינוי.

ipcb

כיצד לעצב PCB מנקודת מבט פרקטית

למרות שההתמקדות כאן היא במעגלים הקשורים למגברים תפעוליים במהירות גבוהה, הבעיות והשיטות הנדונות כאן ישימות בדרך כלל לחיווט עבור רוב המעגלים האנלוגיים המהירים האחרים. כאשר מגברים תפעוליים פועלים ברצועות תדר רדיו גבוהות מאוד (RF), ביצועי המעגל תלויים במידה רבה בחיווט PCB. מה שנראה כמו עיצוב מעגל בעל ביצועים גבוהים על “לוח השרטוט” יכול להסתיים בביצועים בינוניים אם הוא סובל מחיטים מרושלים. התייחסות מוקדמת ותשומת לב לפרטים חשובים לאורך כל תהליך החיווט תעזור להבטיח את ביצועי המעגל הרצויים.

תרשים סכמטי

למרות שסכימות טובות אינן מבטיחות חיווט טוב, חיווט טוב מתחיל בסכימות טובות. יש לצייר את התרשים הסכימטי בקפידה ולשקול את כיוון האות של המעגל כולו. אם יש לך זרימת אות רגילה ויציבה משמאל לימין בסכימה, אמורה להיות לך זרימת אות טובה באותה מידה על הלוח הלוח. תן כמה שיותר מידע שימושי על הסכימה. מכיוון שלפעמים מהנדס תכנון המעגלים אינו זמין, הלקוח יבקש מאיתנו לעזור בפתרון הבעיה של המעגל. המעצבים, הטכנאים והמהנדסים שעושים את העבודה הזו יהיו אסירי תודה רבה, כולל אותנו.

מעבר למזהי ההתייחסות הרגילים, צריכת החשמל וסובלנות השגיאות, איזה מידע נוסף צריך לתת בסכימה? להלן כמה הצעות להפוך סכמטי רגיל לסכימה ממדרגה ראשונה. הוסף צורת גל, מידע מכני על הקליפה, אורך קו מודפס, שטח ריק; ציין אילו רכיבים יש להציב על הלוח; תן מידע התאמה, טווח ערכי רכיב, מידע על פיזור חום, שורות מודפסות עכבה שליטה, הערות, תיאור פעולת מעגל תמציתי … (בין היתר).

אל תסמכו על אף אחד

אם אינך מתכנן חיווט משלך, הקפד לתת זמן רב לבדוק את עיצוב הכבל. קצת מניעה שווה פי מאה תרופה כאן. אל תצפה מאדם הכבלים להבין מה אתה חושב. הקלט וההנחיה שלך חשובים ביותר בתחילת תהליך עיצוב החיווט. ככל שתוכל לספק יותר מידע וככל שאתה מעורב יותר בתהליך החיווט, כך ה- PCB יהיה טוב יותר כתוצאה מכך. הגדר נקודת השלמה מהוססת למהנדס עיצוב הכבלים – בדיקה מהירה של דוח התקדמות הכבלים שאתה רוצה. גישת “לולאה סגורה” זו מונעת מהחיווט ללכת שולל ובכך ממזערת את האפשרות לעבודה מחדש.

ההוראות למהנדסי חיווט כוללים: תיאור קצר של פונקציות המעגל, סקיצות PCB המצביעות על עמדות קלט ויציאה, מידע על מדור PCB (למשל, כמה הלוח עבה, כמה שכבות יש, פרטים על כל שכבת אות ומישור הארקה – צריכת חשמל אותות קרקעיים, אנלוגיים, דיגיטליים ו- RF); השכבות זקוקות לאותות אלה; לדרוש מיקום של רכיבים חשובים; המיקום המדויק של רכיב העוקף; אילו קווים מודפסים חשובים; אילו קווים צריכים לשלוט בקווים מודפסים עכבה; אילו קווים צריכים להתאים את האורך; מידות של רכיבים; אילו קווים מודפסים צריכים להיות רחוקים (או קרובים) זה מזה; אילו קווים צריכים להיות רחוקים (או קרובים) זה מזה; אילו רכיבים צריכים להיות ממוקמים זה מזה (או ליד) זה לזה; אילו רכיבים כדאי למקם למעלה ואילו בתחתית הלוח המודרני? לעולם אל תתלונן על כך שאתה צריך לתת למישהו יותר מדי מידע – מעט מדי? האם; יותר מדי? בכלל לא.

לקח למידה אחד: לפני כעשר שנים עיצבתי לוח מעגלים רב-שכבתי למשטח-ללוח היו רכיבים משני הצדדים. הלוחות מוברגים בקליפת אלומיניום בציפוי זהב (בגלל המפרט הקפדני העמיד בפני זעזועים). סיכות המספקות הזנת הטיה עוברות דרך הלוח. הסיכה מחוברת ל- PCB באמצעות חוט ריתוך. זה מכשיר מסובך מאוד. חלק מהרכיבים בלוח משמשים להגדרת בדיקה (SAT). אבל הגדרתי בדיוק היכן נמצאים הרכיבים הללו. האם אתה יכול לנחש היכן מותקנים רכיבים אלה? מתחת ללוח, אגב. מהנדסי וטכנאי מוצרים אינם מרוצים כאשר הם צריכים לפרק את כל העניין ולחבר אותו מחדש לאחר שסיימו להגדיר אותו. מאז לא עשיתי את הטעות הזו.

מיקום

כמו ב- PCB, המיקום הוא הכל. המקום שבו מעגל ממוקם על הלוח, היכן מותקנים רכיבי המעגל הספציפיים שלו, ומה המעגלים האחרים הסמוכים לו חשובים מאוד.

בדרך כלל, מיקומי הכניסה, הפלט ואספקת החשמל נקבעים מראש, אך המעגל ביניהם צריך להיות “יצירתי”. זו הסיבה שתשומת לב לפרטי החיווט יכולה לשלם דיבידנדים עצומים. התחל במיקום של רכיבי מפתח, שקול את המעגל ואת כל הלוח הלוח. ציון המיקום של רכיבי המפתח ונתיב האותות מההתחלה מסייע להבטיח שהעיצוב עובד כמתוכנן. ביצוע העיצוב נכון בפעם הראשונה מפחית עלות ומתח – וכך מחזורי פיתוח.

עקוף את ספק הכוח

עקיפת צד ההספק של המגבר כדי להפחית רעש היא היבט חשוב בתהליך עיצוב ה- PCB-הן עבור מגברים תפעוליים במהירות גבוהה והן מעגלים מהירים אחרים. ישנן שתי תצורות נפוצות של מגברים תפעוליים במהירות גבוהה.

הארקה חשמלית: שיטה זו היא היעילה ביותר ברוב המקרים, באמצעות קבלים מרובים מרובים כדי לקרקע ישירות את סיכות החשמל של מגבר ה- op. שני קבלים shunt בדרך כלל מספיקים – אך הוספת קבלים shunt עשויה להועיל במעגלים מסוימים.

קבלים מקבילים עם ערכי קיבול שונים מסייעים להבטיח שסיכות אספקת החשמל יראו רק עכבת AC נמוכה על פס רחב. זה חשוב במיוחד בתדירות הנחתה של כוח המגבר המבצעי המבצע (PSR). הקבל מסייע לפצות על ה- PSR המופחת של המגבר. שבילי הארקה השומרים על עכבה נמוכה על פני טווחי טקס רבים יסייעו להבטיח כי רעש מזיק לא ייכנס למגבר התפעולי. איור 1 ממחיש את היתרונות בשימוש בכלי חשמל במקביל. בתדרים נמוכים, קבלים גדולים מספקים גישה קרקע עכבה נמוכה. אבל ברגע שהתדרים מגיעים לתדר התהודה שלהם, הקבלים הופכים פחות קיבוליים ולוקחים יותר חושניות. זו הסיבה שחשוב שיהיו מספר קבלים: כאשר תגובת התדר של קבל אחד מתחילה לרדת, תגובת התדר של הקבל השני נכנסת לפעולה, ובכך שומרת על עכבת AC נמוכה מאוד לאורך עשרה אוקטבות רבות.

התחל ישירות מסיכת ההפעלה של המגבר התפעולי; קבלים בעלי קיבול מינימלי וגודל פיזי מינימלי צריכים להיות ממוקמים באותו צד של הלוח המודפס כמו המגבר התפעולי – קרוב ככל האפשר למגבר. מסוף ההארקה של הקבל יחובר ישירות למטוס הארקה בעזרת הסיכה הקצרה ביותר או חוט מודפס. חיבור ההארקה שהוזכר לעיל יהיה קרוב ככל האפשר לקצה העומס של המגבר כדי למזער את ההפרעה בין ההספק לקצה הארקה. איור 2 ממחיש את שיטת החיבור הזו.

יש לחזור על תהליך זה עבור קבלים גדולים. עדיף להתחיל בקיבול מינימלי של 0.01 μF ולמקם אליו קבל אלקטרוליטי עם התנגדות סדרה נמוכה (ESR) של 2.2 μF (או יותר). לקבל 0.01 μF עם גודל דיור 0508 יש השראות סדרה נמוכה מאוד וביצועים מצוינים בתדר גבוה.

הספק לחשמל: תצורה אחרת משתמשת בקבלים מעקפים אחד או יותר המחוברים בין קצוות ההספק החיוביים והשליליים של המגבר התפעולי. שיטה זו משמשת לעתים קרובות כאשר קשה להגדיר ארבעה קבלים במעגל. החיסרון הוא שגודל בית הקבלים עשוי לגדול מכיוון שהמתח על פני הקבל הוא פי שניים מערכה של שיטת המעקף החד-כוח. הגדלת המתח דורשת הגדלת מתח ההתמוטטות המדורג של המכשיר, כלומר הגדלת גודל הדיור. עם זאת, גישה זו יכולה לשפר את ביצועי ה- PSR והעיוותים.

מכיוון שכל מעגל וחיווט שונים, התצורה, המספר וערך הקיבול של הקבלים יהיו תלויים בדרישות המעגל בפועל.

השפעות טפיליות

השפעות טפיליות הן ממש תקלות שנכנסות למחשב הלוח שלך וגורמות הרס, כאבי ראש וחורבן בלתי מוסבר במעגל. הם הקבלים הטפילים והמשרנים הנסתרים החודרים למעגלים במהירות גבוהה. הכולל את ההשראות הטפילית הנוצרת על ידי סיכת האריזה והחוט המודפס ארוך מדי; קיבול טפיל שנוצר בין כרית לקרקע, כרית למטוס כוח לבין כרית לדפוס; אינטראקציות בין חורים דרך, והשפעות אפשריות רבות אחרות.