PCB ( Płytka drukowana ) okablowanie odgrywa kluczową rolę w szybkich obwodach. Artykuł omawia głównie problem okablowania szybkich obwodów z praktycznego punktu widzenia. Głównym celem jest pomoc nowym użytkownikom w uświadomieniu sobie wielu różnych problemów, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania okablowania PCB dla szybkich obwodów. Innym celem jest dostarczenie materiału odświeżającego dla klientów, którzy od jakiegoś czasu nie mieli kontaktu z okablowaniem PCB. Ze względu na ograniczoną przestrzeń nie jest możliwe szczegółowe omówienie wszystkich zagadnień w tym artykule, ale omówimy kluczowe części, które mają największy wpływ na poprawę wydajności układu, skrócenie czasu projektowania i oszczędność czasu modyfikacji.

Jak zaprojektować PCB z praktycznego punktu widzenia

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. Gdy wzmacniacze operacyjne działają w pasmach bardzo wysokich częstotliwości radiowych (RF), wydajność obwodu w dużej mierze zależy od okablowania PCB. To, co wygląda na dobry, wysokowydajny projekt obwodu na „desce kreślarskiej”, może skończyć się przeciętną wydajnością, jeśli cierpi na niechlujne okablowanie. Wstępne rozważenie i zwracanie uwagi na ważne szczegóły podczas całego procesu okablowania pomogą zapewnić pożądaną wydajność obwodu.

Schemat

Chociaż dobre schematy nie gwarantują dobrego okablowania, dobre okablowanie zaczyna się od dobrych schematów. The schematic diagram must be carefully drawn and the signal direction of the entire circuit must be considered. Jeśli masz normalny, stały przepływ sygnału od lewej do prawej na schemacie, powinieneś mieć równie dobry przepływ sygnału na płytce drukowanej. Podaj jak najwięcej przydatnych informacji na schemacie. 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.

Jakie inne informacje, poza zwykłymi identyfikatorami referencyjnymi, zużyciem energii i tolerancjami błędów, należy podać na schemacie? Oto kilka sugestii, jak zmienić zwykły schemat w schemat pierwszej klasy. Add waveform, mechanical information about the shell, printed line length, blank area; Wskaż, które komponenty należy umieścić na płytce drukowanej; Podaj informacje dotyczące regulacji, zakres wartości komponentów, informacje o rozpraszaniu ciepła, drukowane linie impedancji kontrolnej, uwagi, zwięzły opis działania obwodu… (pośród innych).

Nie ufaj nikomu

Jeśli nie projektujesz własnego okablowania, upewnij się, że masz wystarczająco dużo czasu na dokładne sprawdzenie projektu kabla. A little prevention is worth a hundred times a remedy here. Nie oczekuj, że osoba prowadząca kable zrozumie, o czym myślisz. Twój wkład i wskazówki są najważniejsze na początku procesu projektowania okablowania. Im więcej informacji możesz podać i im bardziej jesteś zaangażowany w proces okablowania, tym lepsza będzie w rezultacie płytka drukowana. Set a tentative completion point for the cabling design engineer – a quick check of the cabling progress report you want. To podejście „zamkniętej pętli” zapobiega zgubieniu okablowania, a tym samym minimalizuje możliwość przeróbek.

Instrukcje dla inżynierów okablowania obejmują: krótki opis funkcji obwodu, szkice PCB wskazujące pozycje wejścia i wyjścia, informacje o kaskadowaniu PCB (np. grubość płytki, ile jest warstw, szczegóły każdej warstwy sygnału i płaszczyzny uziemienia — pobór mocy , uziemienie, sygnały analogowe, cyfrowe i RF); The layers need those signals; Wymagaj umieszczenia ważnych elementów; The exact location of the bypass element; Which printed lines are important; Które linie muszą kontrolować drukowane linie impedancji; Które linie muszą pasować do długości; Dimensions of components; Które drukowane linie muszą być daleko (lub blisko) od siebie; Which lines need to be far (or near) from each other; Które elementy muszą znajdować się z dala od (lub blisko) siebie; Jakie elementy należy umieścić na górze, a które na dole płytki drukowanej? Never complain about having to give someone too much information — too little? Jest; Zbyt wiele? Wcale nie.

Jedna lekcja: około 10 lat temu zaprojektowałem wielowarstwową płytkę drukowaną do montażu powierzchniowego — płytka miała elementy po obu stronach. Płyty są przykręcone do pozłacanej aluminiowej obudowy (ze względu na surową specyfikację odporności na wstrząsy). Piny, które zapewniają przepustowość, przechodzą przez płytkę. Pin jest połączony z płytką drukowaną drutem spawalniczym. To bardzo skomplikowane urządzenie. 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? Nawiasem mówiąc, pod tablicą. Inżynierowie produktu i technicy nie są zadowoleni, kiedy muszą rozebrać całość na części i złożyć z powrotem po zakończeniu konfiguracji. Od tamtej pory nie popełniłem tego błędu.

lokalizacja

Podobnie jak w PCB, lokalizacja jest wszystkim. To, gdzie obwód jest umieszczony na płytce drukowanej, gdzie są zainstalowane jego poszczególne elementy obwodu i jakie inne obwody z nim sąsiadują, są bardzo ważne.

Zwykle pozycje wejścia, wyjścia i zasilania są z góry określone, ale obwody między nimi muszą być „kreatywne”. Dlatego zwracanie uwagi na szczegóły okablowania może przynieść ogromne korzyści. Zacznij od lokalizacji kluczowych komponentów, rozważ obwód i całą płytkę drukowaną. Określenie lokalizacji kluczowych komponentów i ścieżki sygnałów od samego początku pomaga zapewnić, że projekt działa zgodnie z założeniami. Poprawny projekt za pierwszym razem zmniejsza koszty i stres — a tym samym cykle rozwoju.

Omiń zasilanie

Omijanie strony zasilania wzmacniacza w celu zmniejszenia szumów jest ważnym aspektem procesu projektowania PCB — zarówno w przypadku szybkich wzmacniaczy operacyjnych, jak i innych szybkich obwodów. There are two common configurations of bypass high speed operational amplifiers.

Uziemienie zasilania: Ta metoda jest najbardziej wydajna w większości przypadków, wykorzystując wiele kondensatorów bocznikowych do bezpośredniego uziemienia styków zasilania wzmacniacza operacyjnego. Two shunt capacitors are generally sufficient – but adding shunt capacitors may be beneficial for some circuits.

Kondensatory równoległe o różnych wartościach pojemności pomagają zapewnić, że styki zasilacza widzą tylko niską impedancję prądu przemiennego w szerokim paśmie. Jest to szczególnie ważne przy częstotliwości tłumienia współczynnika tłumienia mocy wzmacniacza operacyjnego (PSR). Kondensator pomaga zrekompensować zmniejszone PSR wzmacniacza. Grounding paths that maintain low impedance over many tenx ranges will help ensure that harmful noise does not enter the operational amplifier. Rysunek 1 ilustruje zalety korzystania z wielu równoczesnych pojemników elektrycznych. Przy niskich częstotliwościach duże kondensatory zapewniają dostęp do uziemienia o niskiej impedancji. Ale kiedy częstotliwości osiągną swoją częstotliwość rezonansową, kondensatory stają się mniej pojemnościowe i nabierają większej zmysłowości. Dlatego ważne jest, aby mieć wiele kondensatorów: gdy odpowiedź częstotliwościowa jednego kondensatora zaczyna spadać, do gry wchodzi odpowiedź częstotliwościowa drugiego kondensatora, utrzymując w ten sposób bardzo niską impedancję AC przez wiele dziesięciu oktaw.

Zacznij bezpośrednio od pinu zasilania wzmacniacza operacyjnego; 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. Zacisk uziemiający kondensatora powinien być połączony bezpośrednio z płaszczyzną uziemiającą najkrótszą szpilką lub przewodem drukowanym. Wspomniane powyżej połączenie uziemiające powinno znajdować się jak najbliżej końca obciążenia wzmacniacza, aby zminimalizować zakłócenia między końcówką zasilania a uziemieniem. Rysunek 2 ilustruje tę metodę połączenia.

Proces ten należy powtórzyć dla kondensatorów subdużych. Najlepiej zacząć od minimalnej pojemności 0.01 μF i umieścić w pobliżu kondensator elektrolityczny o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR) 2.2 μF (lub więcej). Kondensator 0.01 μF z obudową 0508 ma bardzo niską indukcyjność szeregową i doskonałą wydajność w zakresie wysokich częstotliwości.

Power-to-power: Inna konfiguracja wykorzystuje jeden lub więcej kondensatorów obejściowych podłączonych między dodatnim i ujemnym końcem zasilania wzmacniacza operacyjnego. Ta metoda jest często stosowana, gdy trudno jest skonfigurować cztery kondensatory w obwodzie. Wadą jest to, że rozmiar obudowy kondensatora może wzrosnąć, ponieważ napięcie na kondensatorze jest dwukrotnie większe niż w przypadku metody z obejściem pojedynczej mocy. Podwyższenie napięcia wymaga zwiększenia znamionowego napięcia przebicia urządzenia, co oznacza zwiększenie gabarytów obudowy. Jednak takie podejście może poprawić wydajność PSR i zniekształceń.

Ponieważ każdy obwód i okablowanie jest inne, konfiguracja, liczba i wartość pojemności kondensatorów będą zależeć od wymagań rzeczywistego obwodu.

Efekty pasożytnicze

Efekty pasożytnicze to dosłownie usterki, które wkradają się do płytki drukowanej i sieją spustoszenie, bóle głowy i niewyjaśnione spustoszenie w obwodzie. Są to ukryte, pasożytnicze kondensatory i cewki, które przenikają do szybkich obwodów. Obejmuje to pasożytniczą indukcyjność utworzoną przez zbyt długi kołek opakowania i drut drukowany; Pojemność pasożytnicza utworzona pomiędzy padem a ziemią, padem a płaszczyzną zasilania i padem a linią druku; Interakcje między otworami przelotowymi i wiele innych możliwych efektów.