วิธีการออกแบบ PCB จากมุมมองที่ใช้งานได้จริง?

พีซีบี ( คณะกรรมการวงจรพิมพ์ ) การเดินสายมีบทบาทสำคัญในวงจรความเร็วสูง บทความนี้จะกล่าวถึงปัญหาการเดินสายของวงจรความเร็วสูงเป็นหลักจากมุมมองที่ใช้งานได้จริง จุดประสงค์หลักคือการช่วยให้ผู้ใช้ใหม่ตระหนักถึงปัญหาต่าง ๆ ที่ต้องพิจารณาเมื่อออกแบบการเดินสาย PCB สำหรับวงจรความเร็วสูง จุดประสงค์อีกประการหนึ่งคือเพื่อให้ข้อมูลทบทวนสำหรับลูกค้าที่ไม่ได้สัมผัสกับสายไฟ PCB มาระยะหนึ่งแล้ว เนื่องจากพื้นที่มีจำกัด จึงไม่สามารถที่จะครอบคลุมปัญหาทั้งหมดโดยละเอียดในบทความนี้ แต่เราจะพูดถึงส่วนสำคัญที่มีผลกระทบมากที่สุดต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจร ลดเวลาในการออกแบบ และประหยัดเวลาในการปรับเปลี่ยน

ipcb

วิธีการออกแบบ PCB จากมุมมองที่ใช้งานได้จริง

แม้ว่าจุดโฟกัสในที่นี้จะอยู่ที่วงจรที่เกี่ยวข้องกับแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานที่มีความเร็วสูง แต่ปัญหาและวิธีการที่กล่าวถึงในที่นี้มักใช้กับการเดินสายสำหรับวงจรแอนะล็อกความเร็วสูงอื่นๆ ส่วนใหญ่ เมื่อเครื่องขยายสัญญาณปฏิบัติการทำงานในย่านความถี่วิทยุ (RF) ที่สูงมาก ประสิทธิภาพของวงจรจะขึ้นอยู่กับการเดินสาย PCB เป็นหลัก สิ่งที่ดูเหมือนว่าการออกแบบวงจรประสิทธิภาพสูงที่ดีบน “กระดานวาดภาพ” อาจจบลงด้วยประสิทธิภาพปานกลางหากมีปัญหาจากการเดินสายที่เลอะเทอะ การพิจารณาล่วงหน้าและใส่ใจในรายละเอียดที่สำคัญตลอดกระบวนการเดินสายจะช่วยให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของวงจรที่ต้องการ

แผนภาพ

แม้ว่าแผนผังที่ดีจะไม่รับประกันการเดินสายที่ดี แต่การเดินสายที่ดีเริ่มต้นด้วยแผนผังที่ดี ต้องวาดแผนผังแผนผังอย่างระมัดระวังและต้องพิจารณาทิศทางสัญญาณของวงจรทั้งหมด หากคุณมีการไหลของสัญญาณปกติและคงที่จากซ้ายไปขวาในแผนผัง คุณควรมีการไหลของสัญญาณที่ดีพอๆ กันบน PCB ให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากที่สุดในแผนผัง เนื่องจากบางครั้งวิศวกรออกแบบวงจรไม่ว่าง ลูกค้าจะขอให้เราช่วยแก้ปัญหาของวงจร นักออกแบบ ช่างเทคนิค และวิศวกรที่ทำงานนี้จะขอบคุณมาก รวมทั้งเราด้วย

นอกเหนือจากตัวระบุอ้างอิงทั่วไป การใช้พลังงาน และความคลาดเคลื่อนของข้อผิดพลาด ข้อมูลอื่นใดที่ควรระบุในแผนผัง ต่อไปนี้คือคำแนะนำบางประการสำหรับการเปลี่ยนแผนผังธรรมดาเป็นแผนผังชั้นหนึ่ง เพิ่มรูปคลื่น ข้อมูลทางกลเกี่ยวกับเปลือก ความยาวบรรทัดที่พิมพ์ พื้นที่ว่าง ระบุส่วนประกอบที่ต้องวางบน PCB ให้ข้อมูลการปรับ, ช่วงค่าส่วนประกอบ, ข้อมูลการกระจายความร้อน, เส้นที่พิมพ์อิมพีแดนซ์ควบคุม, บันทึกย่อ, คำอธิบายการทำงานของวงจรที่รัดกุม… (ท่ามกลางคนอื่น ๆ).

อย่าไว้ใจใคร

หากคุณไม่ได้ออกแบบสายไฟของคุณเอง ให้เผื่อเวลาไว้มากพอที่จะตรวจสอบการออกแบบของสายเคเบิล การป้องกันเพียงเล็กน้อยมีค่าเป็นร้อยเท่าของการรักษาที่นี่ อย่าคาดหวังว่าผู้วางสายจะเข้าใจสิ่งที่คุณคิด ข้อมูลและคำแนะนำของคุณเป็นสิ่งสำคัญที่สุดในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการออกแบบการเดินสาย ยิ่งคุณสามารถให้ข้อมูลเพิ่มเติมและยิ่งคุณมีส่วนร่วมในกระบวนการเดินสายมากเท่าใด ผลลัพธ์ที่ได้ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น กำหนดจุดสิ้นสุดเบื้องต้นสำหรับวิศวกรออกแบบสายเคเบิล – ตรวจสอบรายงานความคืบหน้าการเดินสายอย่างรวดเร็วที่คุณต้องการ วิธีการแบบ “วงปิด” นี้ช่วยป้องกันการเดินสายผิดทาง และลดความเป็นไปได้ในการทำงานซ้ำ

คำแนะนำสำหรับวิศวกรการเดินสายประกอบด้วย: คำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับฟังก์ชันของวงจร ภาพสเก็ตช์ PCB ที่ระบุตำแหน่งอินพุตและเอาต์พุต ข้อมูลการเรียงซ้อนของ PCB (เช่น ความหนาของบอร์ด มีกี่ชั้น รายละเอียดของแต่ละเลเยอร์สัญญาณและระนาบการต่อลงดิน — การใช้พลังงาน , สัญญาณกราวด์, อนาล็อก, ดิจิตอลและ RF); เลเยอร์ต้องการสัญญาณเหล่านั้น ต้องการการจัดวางส่วนประกอบที่สำคัญ ตำแหน่งที่แน่นอนขององค์ประกอบบายพาส เส้นที่พิมพ์มีความสำคัญ เส้นใดที่ต้องควบคุมเส้นที่พิมพ์อิมพีแดนซ์ เส้นใดต้องตรงกับความยาว ขนาดของส่วนประกอบ เส้นที่พิมพ์ต้องอยู่ไกล (หรือใกล้) จากกัน ซึ่งเส้นต้องอยู่ไกล (หรือใกล้) จากกัน ส่วนประกอบใดบ้างที่ต้องอยู่ห่างจาก (หรือใกล้กัน) ซึ่งกันและกัน ควรวางส่วนประกอบใดไว้ด้านบนและด้านล่างของ PCB อย่าบ่นว่าต้องให้ข้อมูลกับใครมากเกินไป — น้อยเกินไป? เป็น; มากเกินไป ไม่ได้ทั้งหมด

บทเรียนการเรียนรู้หนึ่งบท: ประมาณ 10 ปีที่แล้ว ฉันได้ออกแบบแผงวงจรสำหรับยึดพื้นผิวแบบหลายชั้น — บอร์ดมีส่วนประกอบทั้งสองด้าน เพลทถูกยึดเข้ากับเปลือกอะลูมิเนียมชุบทอง (เนื่องจากข้อกำหนดการกันกระแทกที่เข้มงวด) พินที่ให้การป้อนผ่านแบบอคติผ่านกระดาน พินเชื่อมต่อกับ PCB ด้วยลวดเชื่อม เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมาก ส่วนประกอบบางอย่างบนบอร์ดใช้สำหรับการตั้งค่าการทดสอบ (SAT) แต่ฉันได้กำหนดไว้อย่างชัดเจนว่าส่วนประกอบเหล่านี้อยู่ที่ไหน คุณเดาได้ไหมว่าส่วนประกอบเหล่านี้ถูกติดตั้งไว้ที่ใด ใต้กระดานไงล่ะ วิศวกรผลิตภัณฑ์และช่างเทคนิคไม่พอใจเมื่อต้องแยกชิ้นส่วนทั้งหมดออกจากกันและประกอบกลับเข้าไปใหม่หลังจากตั้งค่าเสร็จแล้ว ฉันไม่ได้ทำผิดพลาดตั้งแต่นั้นมา

ที่ตั้ง

เช่นเดียวกับใน PCB ตำแหน่งคือทุกสิ่ง ตำแหน่งที่วางวงจรบน PCB ซึ่งติดตั้งส่วนประกอบวงจรเฉพาะ และวงจรอื่นๆ ที่อยู่ติดกันมีความสำคัญมาก

โดยปกติ ตำแหน่งอินพุต เอาต์พุต และตัวจ่ายไฟจะถูกกำหนดไว้ล่วงหน้า แต่วงจรระหว่างทั้งสองจะต้อง “สร้างสรรค์” นี่คือเหตุผลที่การใส่ใจในรายละเอียดของการเดินสายสามารถจ่ายเงินปันผลได้มหาศาล เริ่มต้นด้วยตำแหน่งของส่วนประกอบสำคัญ พิจารณาวงจรและ PCB ทั้งหมด การระบุตำแหน่งของส่วนประกอบหลักและเส้นทางของสัญญาณตั้งแต่เริ่มต้นช่วยให้มั่นใจได้ว่าการออกแบบจะทำงานตามที่ตั้งใจไว้ การออกแบบให้ถูกต้องในครั้งแรกจะช่วยลดต้นทุนและความเครียด และทำให้วงจรการพัฒนาเป็นไปอย่างต่อเนื่อง

บายพาสแหล่งจ่ายไฟ

การข้ามด้านพลังงานของเครื่องขยายเสียงเพื่อลดสัญญาณรบกวนเป็นสิ่งสำคัญของกระบวนการออกแบบ PCB ทั้งสำหรับแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานความเร็วสูงและวงจรความเร็วสูงอื่นๆ มีการกำหนดค่าทั่วไปสองแบบของแอมพลิฟายเออร์การทำงานความเร็วสูงแบบบายพาส

การลงกราวด์กำลัง: วิธีนี้มีประสิทธิภาพมากที่สุดในกรณีส่วนใหญ่ โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบแบ่งหลายตัวเพื่อต่อกราวด์พินไฟฟ้าของ op amp โดยตรง โดยทั่วไปแล้วตัวเก็บประจุแบบแบ่งสองตัวนั้นเพียงพอ แต่การเพิ่มตัวเก็บประจุแบบแยกอาจเป็นประโยชน์สำหรับบางวงจร

ตัวเก็บประจุแบบขนานที่มีค่าความจุต่างกันช่วยให้แน่ใจว่าพินของพาวเวอร์ซัพพลายมองเห็นเฉพาะอิมพีแดนซ์ AC ต่ำบนแถบกว้าง นี่เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ความถี่การลดทอนกำลังการปฏิเสธกำลังของเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน (PSR) ตัวเก็บประจุช่วยชดเชย PSR ที่ลดลงของแอมพลิฟายเออร์ เส้นทางกราวด์ที่รักษาอิมพีแดนซ์ต่ำในช่วง tenx จำนวนมากจะช่วยให้แน่ใจว่าเสียงที่เป็นอันตรายจะไม่เข้าสู่แอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน รูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงข้อดีของการใช้ภาชนะไฟฟ้าหลายชุดพร้อมกัน ที่ความถี่ต่ำ ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ให้การเข้าถึงกราวด์อิมพีแดนซ์ต่ำ แต่เมื่อความถี่ถึงความถี่เรโซแนนซ์ ตัวเก็บประจุจะมีความจุน้อยลงและมีความรู้สึกเย้ายวนมากขึ้น ด้วยเหตุนี้จึงเป็นสิ่งสำคัญที่ต้องมีตัวเก็บประจุหลายตัว: เนื่องจากการตอบสนองความถี่ของตัวเก็บประจุตัวหนึ่งเริ่มลดลง การตอบสนองความถี่ของตัวเก็บประจุตัวอื่นจึงเข้ามามีบทบาท ดังนั้นจึงรักษาอิมพีแดนซ์ AC ที่ต่ำมากในช่วงสิบอ็อกเทฟ

เริ่มต้นโดยตรงจากพินเพาเวอร์ของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน ตัวเก็บประจุที่มีความจุต่ำสุดและขนาดทางกายภาพขั้นต่ำควรวางไว้ที่ด้านเดียวกับ PCB กับเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน – ใกล้กับเครื่องขยายเสียงมากที่สุด ขั้วต่อกราวด์ของตัวเก็บประจุจะต้องเชื่อมต่อโดยตรงกับระนาบกราวด์ด้วยพินที่สั้นที่สุดหรือลวดพิมพ์ การเชื่อมต่อกราวด์ที่กล่าวถึงข้างต้นจะต้องใกล้กับปลายโหลดของแอมพลิฟายเออร์ให้มากที่สุดเพื่อลดการรบกวนระหว่างกำลังไฟฟ้าและปลายสายดิน รูปที่ 2 แสดงวิธีการเชื่อมต่อนี้

กระบวนการนี้ควรทำซ้ำสำหรับตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ เป็นการดีที่สุดที่จะเริ่มต้นด้วยความจุขั้นต่ำ 0.01 μF และวางตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าที่มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) ที่ 2.2 μF (หรือมากกว่า) ไว้ใกล้ ๆ ตัวเก็บประจุ 0.01 μF ที่มีขนาดตัวเรือน 0508 มีการเหนี่ยวนำแบบอนุกรมที่ต่ำมากและประสิทธิภาพความถี่สูงที่ยอดเยี่ยม

กำลังต่อกำลัง: การกำหนดค่าอื่นใช้ตัวเก็บประจุบายพาสตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปที่เชื่อมต่อระหว่างปลายกำลังบวกและลบของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน วิธีนี้มักใช้เมื่อกำหนดค่าตัวเก็บประจุสี่ตัวในวงจรได้ยาก ข้อเสียคือขนาดตัวเรือนของตัวเก็บประจุอาจเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเก็บประจุมีค่าเป็นสองเท่าของวิธีบายพาสกำลังเดียว การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าต้องเพิ่มแรงดันพังทลายของอุปกรณ์ ซึ่งหมายถึงการเพิ่มขนาดตัวเรือน อย่างไรก็ตาม แนวทางนี้สามารถปรับปรุง PSR และประสิทธิภาพการบิดเบือนได้

เนื่องจากแต่ละวงจรและสายไฟต่างกัน การกำหนดค่า จำนวน และค่าความจุของตัวเก็บประจุจะขึ้นอยู่กับความต้องการของวงจรจริง

ผลกระทบจากปรสิต

ผลกระทบจากปรสิตคือข้อบกพร่องที่แอบเข้าไปใน PCB ของคุณและสร้างความหายนะ ปวดหัว และความหายนะที่ไม่สามารถอธิบายได้บนวงจร พวกมันคือตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำกาฝากที่ซ่อนอยู่ซึ่งซึมเข้าไปในวงจรความเร็วสูง ซึ่งรวมถึงตัวเหนี่ยวนำกาฝากที่เกิดจากพินบรรจุภัณฑ์และลวดพิมพ์ยาวเกินไป ความจุกาฝากที่เกิดขึ้นระหว่างแผ่นกับพื้น แผ่นกับระนาบพลังงาน และแผ่นเพื่อพิมพ์บรรทัด ปฏิกิริยาระหว่างรูทะลุและผลกระทบอื่น ๆ ที่เป็นไปได้