PCB ( placa de circuito impresso ) a fiação desempenha um papel fundamental em circuitos de alta velocidade. Este artigo discute principalmente o problema de fiação de circuitos de alta velocidade de um ponto de vista prático. O objetivo principal é ajudar os novos usuários a se conscientizarem dos muitos problemas diferentes que precisam ser considerados ao projetar a fiação de PCB para circuitos de alta velocidade. Outro objetivo é fornecer um material de atualização para clientes que não foram expostos à fiação de PCB por algum tempo. Devido ao espaço limitado, não é possível cobrir todos os problemas em detalhes neste artigo, mas discutiremos as principais partes que têm o maior impacto na melhoria do desempenho do circuito, reduzindo o tempo de design e economizando o tempo de modificação.

Como projetar PCB de um ponto de vista prático

Embora o foco aqui seja em circuitos relacionados a amplificadores operacionais de alta velocidade, os problemas e métodos discutidos aqui são geralmente aplicáveis ​​à fiação para a maioria dos outros circuitos analógicos de alta velocidade. Quando os amplificadores operacionais operam em bandas de radiofrequência (RF) muito altas, o desempenho do circuito depende em grande parte da fiação do PCB. O que parece um bom projeto de circuito de alto desempenho na “prancheta” pode acabar com um desempenho medíocre se sofrer de fiação malfeita. A pré-consideração e a atenção aos detalhes importantes ao longo do processo de fiação ajudará a garantir o desempenho do circuito desejado.

Diagrama esquemático

Embora um bom esquema não garanta uma boa fiação, uma boa fiação começa com um bom esquema. O diagrama esquemático deve ser cuidadosamente desenhado e a direção do sinal de todo o circuito deve ser considerada. Se você tem um fluxo de sinal normal e constante da esquerda para a direita no esquema, você deve ter um fluxo de sinal igualmente bom no PCB. Forneça o máximo de informações úteis possível no esquema. Como às vezes o engenheiro de projeto do circuito não está disponível, o cliente nos pedirá para ajudar a resolver o problema do circuito. Os designers, técnicos e engenheiros que fazem este trabalho ficarão muito gratos, incluindo nós.

Além dos identificadores de referência usuais, consumo de energia e tolerâncias de erro, que outras informações devem ser fornecidas em um esquema? Aqui estão algumas sugestões para transformar um esquema comum em um esquema de primeira classe. Adicionar forma de onda, informações mecânicas sobre o shell, comprimento da linha impressa, área em branco; Indique quais componentes precisam ser colocados no PCB; Fornece informações de ajuste, faixa de valor de componente, informação de dissipação de calor, linhas impressas de impedância de controle, notas, descrição concisa da ação do circuito … (entre outros).

Não confie em ninguém

Se você não projetar sua própria fiação, reserve bastante tempo para verificar novamente o projeto do cabeador. Um pouco de prevenção vale cem vezes um remédio aqui. Não espere que o cabeador entenda o que você está pensando. Sua contribuição e orientação são mais importantes no início do processo de design da fiação. Quanto mais informações você puder fornecer e quanto mais envolvido estiver no processo de fiação, melhor será o PCB. Defina um ponto de conclusão provisório para o engenheiro de projeto do cabeamento – uma verificação rápida do relatório de andamento do cabeamento que você deseja. Esta abordagem de “circuito fechado” evita que a fiação se extravie e, assim, minimiza a possibilidade de retrabalho.

As instruções para engenheiros de fiação incluem: uma breve descrição das funções do circuito, esboços de PCB indicando posições de entrada e saída, informações em cascata de PCB (por exemplo, a espessura da placa, quantas camadas existem, detalhes de cada camada de sinal e plano de aterramento – consumo de energia , sinais terrestres, analógicos, digitais e RF); As camadas precisam desses sinais; Exigir a colocação de componentes importantes; A localização exata do elemento de desvio; Quais linhas impressas são importantes; Quais linhas precisam controlar linhas impressas de impedância; Quais linhas precisam corresponder ao comprimento; Dimensões de componentes; Quais linhas impressas precisam estar distantes (ou próximas) umas das outras; Quais linhas precisam estar distantes (ou próximas) umas das outras; Quais componentes precisam ser localizados longe (ou próximos) uns dos outros; Quais componentes devem ser colocados na parte superior e quais na parte inferior do PCB? Nunca reclame de ter que dar a alguém muita informação – muito pouco? É; Demais? Nem um pouco.

Uma lição de aprendizado: cerca de 10 anos atrás, eu projetei uma placa de circuito de montagem em superfície de várias camadas – a placa tinha componentes em ambos os lados. As placas são aparafusadas a uma carcaça de alumínio folheado a ouro (devido às rígidas especificações à prova de choque). Pinos que fornecem passagem polarizada através da placa. O pino é conectado ao PCB por um fio de solda. É um dispositivo muito complicado. Alguns dos componentes da placa são usados ​​para configuração de teste (SAT). But I’ve defined exactly where these components are. Você consegue adivinhar onde esses componentes estão instalados? Debaixo do quadro, por falar nisso. Os engenheiros e técnicos de produto não ficam felizes quando têm que desmontar tudo e montá-lo novamente depois de terminar a configuração. Não cometi esse erro desde então.

localização

Como no PCB, a localização é tudo. Onde um circuito é colocado no PCB, onde seus componentes de circuito específicos são instalados e quais outros circuitos são adjacentes a ele são todos muito importantes.

Normalmente, as posições de entrada, saída e fonte de alimentação são predeterminadas, mas o circuito entre elas precisa ser “criativo”. É por isso que prestar atenção aos detalhes da fiação pode gerar grandes dividendos. Comece com a localização dos principais componentes, considere o circuito e todo o PCB. Especificar a localização dos principais componentes e o caminho dos sinais desde o início ajuda a garantir que o design funcione conforme o planejado. Obter o design certo na primeira vez reduz custos e estresse – e, portanto, os ciclos de desenvolvimento.

Ignore a fonte de alimentação

Ignorar o lado da potência do amplificador para reduzir o ruído é um aspecto importante do processo de design da PCB – tanto para amplificadores operacionais de alta velocidade quanto para outros circuitos de alta velocidade. Existem duas configurações comuns de amplificadores operacionais de alta velocidade de bypass.

Aterramento de energia: este método é mais eficiente na maioria dos casos, usando vários capacitores shunt para aterrar diretamente os pinos de energia do amplificador operacional. Two shunt capacitors are generally sufficient – but adding shunt capacitors may be beneficial for some circuits.

O paralelismo de capacitores com diferentes valores de capacitância ajuda a garantir que os pinos da fonte de alimentação vejam apenas baixa impedância CA em uma banda larga. Isso é especialmente importante na frequência de atenuação da taxa de rejeição de potência do amplificador operacional (PSR). O capacitor ajuda a compensar o PSR reduzido do amplificador. Grounding paths that maintain low impedance over many tenx ranges will help ensure that harmful noise does not enter the operational amplifier. A Figura 1 ilustra as vantagens de usar vários recipientes elétricos simultâneos. Em baixas frequências, grandes capacitores fornecem acesso ao solo de baixa impedância. Mas, uma vez que as frequências atingem sua frequência de ressonância, os capacitores se tornam menos capacitivos e adquirem mais sensualidade. É por isso que é importante ter vários capacitores: conforme a resposta de frequência de um capacitor começa a diminuir, a resposta de frequência do outro capacitor entra em ação, mantendo assim uma impedância CA muito baixa em muitas dez oitavas.

Comece diretamente do pino de alimentação do amplificador operacional; Capacitores com capacitância mínima e tamanho físico mínimo devem ser colocados no mesmo lado do PCB que o amplificador operacional – o mais próximo possível do amplificador. O terminal de aterramento do capacitor deve ser conectado diretamente ao plano de aterramento com o pino mais curto ou fio impresso. A conexão de aterramento mencionada acima deve ser o mais próximo possível da extremidade de carga do amplificador para minimizar a interferência entre a potência e a extremidade de aterramento. A Figura 2 ilustra esse método de conexão.

Este processo deve ser repetido para capacitores sublargos. É melhor começar com uma capacitância mínima de 0.01 μF e colocar um capacitor eletrolítico com uma resistência em série equivalente baixa (ESR) de 2.2 μF (ou mais) próximo a ele. O capacitor de 0.01 μF com tamanho de carcaça 0508 tem indutância em série muito baixa e excelente desempenho de alta frequência.

Power-to-power: Outra configuração usa um ou mais capacitores de bypass conectados entre as extremidades de potência positiva e negativa do amplificador operacional. Este método é freqüentemente usado quando é difícil configurar quatro capacitores em um circuito. A desvantagem é que o tamanho do invólucro do capacitor pode aumentar porque a tensão no capacitor é duas vezes o valor do método de bypass de alimentação única. O aumento da tensão requer o aumento da tensão nominal de ruptura do dispositivo, o que significa aumentar o tamanho do invólucro. No entanto, essa abordagem pode melhorar o PSR e o desempenho de distorção.

Como cada circuito e fiação são diferentes, a configuração, o número e o valor da capacitância dos capacitores dependerão dos requisitos do circuito real.

Efeitos parasitários

Os efeitos parasitários são literalmente glitches que se infiltram em seu PCB e causam estragos, dores de cabeça e estragos inexplicáveis ​​no circuito. Eles são os capacitores e indutores parasitas ocultos que se infiltram nos circuitos de alta velocidade. Que inclui a indutância parasita formada pelo pino da embalagem e pelo fio impresso muito longo; Capacitância parasita formada entre a almofada para o solo, a almofada para o plano de força e a almofada para a linha de impressão; Interações entre orifícios de passagem e muitos outros efeitos possíveis.