How to design PCB from a practical point of view?

PCB ( trykte kretskort ) ledninger spiller en nøkkelrolle i høyhastighetskretser. Denne artikkelen diskuterer hovedsakelig ledningsproblemet med høyhastighetskretser fra et praktisk synspunkt. Hovedformålet er å hjelpe nye brukere til å bli klar over de mange forskjellige problemene som må vurderes ved utforming av PCB-ledninger for høyhastighetskretser. 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.

ipcb

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. Det som ser ut som en god høyytelses kretsdesign på “tegnebrettet” kan ende opp med middelmådig ytelse hvis den lider av slurvede ledninger. Pre-consideration and attention to important details throughout the wiring process will help ensure the desired circuit performance.

Prinsippskisse

Selv om gode skjemaer ikke garanterer gode ledninger, starter gode ledninger med gode skjemaer. 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. Gi så mye nyttig informasjon som mulig om skjematikken. 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.

Utover de vanlige referanseidentifikatorene, strømforbruket og feiltoleransene, hvilken annen informasjon bør gis i en skjematisk oversikt? Her er noen forslag til hvordan du gjør en vanlig skjematisk til en førsteklasses skjematisk. Add waveform, mechanical information about the shell, printed line length, blank area; Angi hvilke komponenter som må plasseres på kretskortet; Give adjustment information, component value range, heat dissipation information, control impedance printed lines, notes, concise circuit action description… (blant andre).

Ikke stol på noen

Hvis du ikke designer dine egne ledninger, må du gi god tid til å dobbeltsjekke kabelens design. A little prevention is worth a hundred times a remedy here. Ikke forvent at kablingspersonen forstår hva du tenker. Din innspill og veiledning er viktigst i begynnelsen av ledningsdesignprosessen. The more information you can provide and the more involved you are in the wiring process, the better the PCB will be as a result. Set a tentative completion point for the cabling design engineer – a quick check of the cabling progress report you want. Denne “closed loop” -tilnærmingen forhindrer at ledninger kommer på avveie og minimerer dermed muligheten for omarbeid.

Instruksjoner til ledningsingeniører inkluderer: en kort beskrivelse av kretsfunksjoner, PCB -skisser som angir inngangs- og utgangsposisjoner, PCB -kaskadinformasjon (f.eks. Hvor tykt kortet er, hvor mange lag det er, detaljer om hvert signallag og jordingplan – strømforbruk , bakken, analoge, digitale og RF -signaler); The layers need those signals; Require the placement of important components; The exact location of the bypass element; Which printed lines are important; Hvilke linjer trenger for å kontrollere impedansutskrevne linjer; Which lines need to match the length; Dimensions of components; Hvilke trykte linjer må være langt (eller nær) fra hverandre; Which lines need to be far (or near) from each other; Hvilke komponenter må plasseres vekk fra (eller i nærheten) av hverandre; 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? Er; For mye? Ikke i det hele tatt.

En lærdom: For omtrent 10 år siden designet jeg et flerlags kretskort for overflatemontering-brettet hadde komponenter på begge sider. Platene er boltet til et gullbelagt aluminiumskall (på grunn av de strenge støtsikre spesifikasjonene). Pinner som gir partisk gjennomføring passerer gjennom brettet. Pinnen er koblet til kretskortet med en sveisetråd. 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? Under styret, forresten. 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. Jeg har ikke gjort den feilen siden den gang.

plassering

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.

Normalt er inngangs-, utgangs- og strømforsyningsposisjonene forhåndsbestemt, men kretsen mellom dem må være “kreativ”. Det er derfor å være oppmerksom på detaljene i ledninger kan betale store utbytter. Start med plasseringen av viktige komponenter, vurder kretsen og hele kretskortet. 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.

Omgå strømforsyningen

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. Kondensatoren hjelper til med å kompensere for forsterkerens reduserte PSR. 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. Ved lave frekvenser gir store kondensatorer jordtilgang med lav impedans. 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.

Start direkte fra strømpinnen til operasjonsforsterkeren; 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. Figur 2 illustrerer denne tilkoblingsmetoden.

Denne prosessen bør gjentas for sublarge kondensatorer. Det er best å starte med en minimumskapasitans på 0.01 μF og plassere en elektrolytisk kondensator med en lav ekvivalent seriemotstand (ESR) på 2.2 μF (eller mer) i nærheten av den. The 0.01 μF capacitor with 0508 housing size has very low series inductance and excellent high frequency performance.

Power-to-power: En annen konfigurasjon bruker en eller flere bypass-kondensatorer som er koblet mellom de positive og negative effektendene på operasjonsforsterkeren. Denne metoden brukes ofte når det er vanskelig å konfigurere fire kondensatorer i en krets. Ulempen er at kondensatorhusstørrelsen kan øke fordi spenningen over kondensatoren er dobbelt så høy som verdien med enkeltstrøm-bypass-metoden. Å øke spenningen krever å øke enhetens nominelle nedbrytningsspenning, noe som betyr å øke husets størrelse. Imidlertid kan denne tilnærmingen forbedre ytelsen til PSR og forvrengning.

Fordi hver krets og ledninger er forskjellige, vil konfigurasjon, antall og kapasitansverdi for kondensatorer avhenge av kravene til den faktiske kretsen.

Parasitic effects

Parasittiske effekter er bokstavelig talt feil som sniker seg inn i PCB -en og forårsaker kaos, hodepine og uforklarlig ødeleggelse på kretsen. De er de skjulte parasittkondensatorene og induktorene som siver inn i høyhastighetskretser. Som inkluderer den parasittiske induktansen som dannes av pakningspinnen og trykt ledning for lenge; Parasitic capacitance formed between pad to ground, pad to power plane and pad to print line; Interaksjoner mellom gjennomgående hull og mange andre mulige effekter.