Hur man utformar kretskort ur praktisk synvinkel?

PCB ( kretskort ) ledningar spelar en nyckelroll i höghastighetskretsar. Det här dokumentet diskuterar huvudsakligen kabelproblemet med höghastighetskretsar ur praktisk synvinkel. Huvudsyftet är att hjälpa nya användare att bli medvetna om de många olika frågorna som måste beaktas vid utformning av PCB-kablar för höghastighetskretsar. Ett annat syfte är att tillhandahålla ett uppfriskningsmaterial för kunder som inte har utsatts för PCB -kablar på ett tag. På grund av begränsat utrymme är det inte möjligt att täcka alla frågor i detalj i den här artikeln, men vi kommer att diskutera de viktigaste delarna som har störst inverkan på att förbättra kretsens prestanda, minska designtiden och spara modifieringstid.

ipcb

Hur man utformar kretskort ur praktisk synvinkel

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. När operationsförstärkare arbetar i mycket höga radiofrekvensband, beror kretsens prestanda i stor utsträckning på kretskortsladdningar. Det som ser ut som en bra högpresterande kretsdesign på “ritbordet” kan sluta med medioker prestanda om den lider av slarviga ledningar. Förhandsgranskning och uppmärksamhet på viktiga detaljer under ledningsprocessen hjälper till att säkerställa önskad kretsprestanda.

schematisk bild

Även om bra scheman inte garanterar bra kablar, börjar bra ledningar med bra scheman. The schematic diagram must be carefully drawn and the signal direction of the entire circuit must be considered. Om du har ett normalt, stabilt signalflöde från vänster till höger i schemat bör du ha ett lika bra signalflöde på kretskortet. Ge så mycket användbar information som möjligt om schemat. 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.

Utöver de vanliga referensidentifierarna, energiförbrukningen och feltoleranserna, vilken annan information ska ges i ett schema? Här är några förslag för att göra en vanlig schemat till en förstklassig schematisk. Lägg till vågform, mekanisk information om skalet, tryckt radlängd, tomt område; Ange vilka komponenter som måste placeras på kretskortet. Ge justeringsinformation, komponentvärdesintervall, värmeavledning, tryckimpedans, tryckta linjer, anteckningar, kortfattad kretsåtgärdsbeskrivning … (bland andra).

Lita inte på någon

Om du inte designar din egen kabeldragning, var noga med att ge dig god tid att dubbelkolla kabelns konstruktion. Lite förebyggande är värt hundra gånger ett botemedel här. Förvänta dig inte att kablingspersonen förstår vad du tänker. Din input och vägledning är viktigast i början av ledningsdesignprocessen. Ju mer information du kan tillhandahålla och ju mer involverad du är i ledningsprocessen, desto bättre blir kretskortet som ett resultat. Set a tentative completion point for the cabling design engineer – a quick check of the cabling progress report you want. Denna “slutna slinga” -metod förhindrar att ledningar går vilse och minimerar därmed möjligheten till omarbetning.

Instruktioner till ledningsingenjörer inkluderar: en kort beskrivning av kretsfunktioner, PCB -skisser som anger ingångs- och utgångslägen, PCB -kaskadinformation (t.ex. hur tjockt kortet är, hur många lager det finns, detaljer om varje signallager och jordningsplan – strömförbrukning , jordade, analoga, digitala och RF -signaler); The layers need those signals; Kräv placering av viktiga komponenter; The exact location of the bypass element; Which printed lines are important; Vilka linjer behöver för att styra impedansutskrivna linjer; Vilka linjer behöver matcha längden; Dimensions of components; Vilka utskrivna linjer måste vara långt (eller nära) från varandra; Which lines need to be far (or near) from each other; Vilka komponenter måste placeras bort från (eller nära) varandra; Vilka komponenter ska placeras ovanpå och vilka på undersidan av kretskortet? Never complain about having to give someone too much information — too little? Är; För mycket? Inte alls.

En lärdom: För cirka 10 år sedan konstruerade jag ett kretskort för ytmontering i flera lager-kortet hade komponenter på båda sidor. Plattorna är bultade på ett guldpläterat aluminiumskal (på grund av de strikta stötsäkra specifikationerna). Stift som ger genomskinlig genomströmning passerar genom brädet. Stiftet är anslutet till kretskortet med en svetstråd. Det är en mycket komplicerad enhet. Some of the components on the board are used for test setting (SAT). But I’ve defined exactly where these components are. Kan du gissa var dessa komponenter är installerade? Under styrelsen, förresten. Produktingenjörer och tekniker är inte nöjda när de måste ta isär det hela och sätta ihop det igen efter att de har installerat det. Jag har inte gjort det misstaget sedan dess.

läge

Precis som i PCB är platsen allt. Var en krets är placerad på kretskortet, där dess specifika kretskomponenter är installerade och vilka andra kretsar som ligger intill den är alla mycket viktiga.

Normalt är ingångs-, utgångs- och strömförsörjningslägena förutbestämda, men kretsen mellan dem måste vara “kreativ”. Det är därför som uppmärksamhet på kabeldetaljerna kan ge enorma utdelningar. Börja med placeringen av nyckelkomponenter, överväg kretsen och hela kretskortet. Att ange platsen för nyckelkomponenter och signalvägen från början hjälper till att säkerställa att designen fungerar som avsett. Att få designen rätt första gången minskar kostnader och stress – och därmed utvecklingscykler.

Hoppa över strömförsörjningen

Att kringgå förstärkarens kraftsida för att minska brus är en viktig aspekt av PCB-designprocessen-både för höghastighetsdriftförstärkare och andra höghastighetskretsar. There are two common configurations of bypass high speed operational amplifiers.

Effektjordning: Denna metod är i de flesta fall mest effektiv, med hjälp av flera shuntkondensatorer för att direkt jorda strömförstärkarna på op -förstärkaren. Two shunt capacitors are generally sufficient – but adding shunt capacitors may be beneficial for some circuits.

Parallellkondensatorer med olika kapacitansvärden hjälper till att se till att nätaggregatstiften endast ser låg AC -impedans över ett brett band. Detta är särskilt viktigt vid dämpningsfrekvensen för driftförstärkarens effektavstötningsförhållande (PSR). Kondensatorn hjälper till att kompensera för förstärkarens reducerade PSR. Grounding paths that maintain low impedance over many tenx ranges will help ensure that harmful noise does not enter the operational amplifier. Figur 1 illustrerar fördelarna med att använda flera samtidiga elektriska behållare. Vid låga frekvenser ger stora kondensatorer jordåtkomst med låg impedans. Men när frekvenserna når sin resonansfrekvens blir kondensatorerna mindre kapacitiva och får mer sensualitet. Det är därför det är viktigt att ha flera kondensatorer: när frekvenssvaret för en kondensator börjar minska, spelar frekvensresponsen för den andra kondensatorn in och spelar därmed en mycket låg AC-impedans över många tio oktav.

Börja direkt från effektstiftet på operationsförstärkaren; 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. Kondensatorns jordningsterminal ska vara direkt ansluten till jordningsplanet med den kortaste stiftet eller tryckta ledningen. Jordningsanslutningen som nämns ovan ska vara så nära förstärkarens lastände som möjligt för att minimera störningar mellan effekten och jordänden. Figur 2 illustrerar denna anslutningsmetod.

Denna process bör upprepas för överstora kondensatorer. Det är bäst att börja med en minsta kapacitans på 0.01 μF och placera en elektrolytkondensator med låg ekvivalent seriemotstånd (ESR) på 2.2 μF (eller mer) nära den. 0.01 μF kondensatorn med 0508 husstorlek har mycket låg serieinduktans och utmärkt högfrekvent prestanda.

Power-to-power: En annan konfiguration använder en eller flera bypass-kondensatorer anslutna mellan de positiva och negativa effektändarna på operationsförstärkaren. Denna metod används ofta när det är svårt att konfigurera fyra kondensatorer i en krets. Nackdelen är att kondensatorhusets storlek kan öka eftersom spänningen över kondensatorn är dubbelt så mycket som värdet för en-bypass-metoden. Att öka spänningen kräver att enhetens nominella nedbrytningsspänning ökar, vilket innebär att husstorleken ökar. Detta tillvägagångssätt kan dock förbättra PSR och distorsionsprestanda.

Eftersom varje krets och ledningar är olika kommer konfigurationen, antalet och kapacitansvärdet för kondensatorer att bero på kraven för den faktiska kretsen.

Parasitiska effekter

Parasitiska effekter är bokstavligen glitches som smyger in i ditt PCB och orsakar förödelse, huvudvärk och oförklarlig förödelse på kretsen. De är de dolda parasitkondensatorerna och induktorerna som sipprar in i höghastighetskretsar. Vilket inkluderar den parasitiska induktansen som bildas av förpackningsstiftet och tryckt tråd för länge; Parasitisk kapacitans bildas mellan pad till jord, pad till power plane och pad till print line; Interaktioner mellan genomgående hål och många andra möjliga effekter.