PCB ( bảng mạch in ) hệ thống dây điện đóng một vai trò quan trọng trong các mạch tốc độ cao. Bài báo này chủ yếu thảo luận về vấn đề nối dây của mạch tốc độ cao từ quan điểm thực tế. Mục đích chính là giúp những người mới sử dụng nhận thức được nhiều vấn đề khác nhau cần được xem xét khi thiết kế hệ thống dây PCB cho các mạch tốc độ cao. Another purpose is to provide a refresher material for customers who have not been exposed to PCB wiring for some time. Do không gian có hạn nên không thể trình bày chi tiết tất cả các vấn đề trong bài viết này, nhưng chúng ta sẽ thảo luận về các phần chính có tác động lớn nhất đến việc cải thiện hiệu suất mạch, giảm thời gian thiết kế và tiết kiệm thời gian sửa đổi.

Cách thiết kế PCB từ quan điểm thực tế

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. Những gì trông giống như một thiết kế mạch hiệu suất cao tốt trên “bảng vẽ” có thể kết thúc với hiệu suất tầm thường nếu nó mắc phải hệ thống dây điện cẩu thả. Cân nhắc trước và chú ý đến các chi tiết quan trọng trong suốt quá trình nối dây sẽ giúp đảm bảo hiệu suất mạch mong muốn.

Sơ đồ

Mặc dù sơ đồ tốt không đảm bảo hệ thống dây điện tốt, nhưng hệ thống dây điện tốt bắt đầu với sơ đồ tốt. The schematic diagram must be carefully drawn and the signal direction of the entire circuit must be considered. Nếu bạn có luồng tín hiệu bình thường, ổn định từ trái sang phải trong sơ đồ, bạn sẽ có luồng tín hiệu tốt trên PCB. Cung cấp càng nhiều thông tin hữu ích trên giản đồ càng tốt. 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.

Ngoài các số nhận dạng tham chiếu thông thường, mức tiêu thụ điện năng và dung sai lỗi, những thông tin nào khác nên được cung cấp trong một giản đồ? Dưới đây là một số gợi ý để biến một giản đồ bình thường thành một giản đồ hạng nhất. Add waveform, mechanical information about the shell, printed line length, blank area; Cho biết những thành phần nào cần được đặt trên PCB; Cung cấp thông tin điều chỉnh, phạm vi giá trị linh kiện, thông tin tản nhiệt, dòng in trở kháng điều khiển, ghi chú, mô tả hành động mạch ngắn gọn… (trong số những người khác).

Đừng tin ai

Nếu bạn không thiết kế hệ thống dây điện của riêng mình, hãy đảm bảo dành nhiều thời gian để kiểm tra kỹ thiết kế của hệ thống cáp. A little prevention is worth a hundred times a remedy here. Đừng mong đợi người đi cáp hiểu những gì bạn đang nghĩ. Đầu vào và hướng dẫn của bạn là quan trọng nhất khi bắt đầu quá trình thiết kế hệ thống dây điện. Bạn có thể cung cấp càng nhiều thông tin và bạn càng tham gia nhiều vào quá trình đấu dây thì kết quả là PCB sẽ càng tốt hơn. Set a tentative completion point for the cabling design engineer – a quick check of the cabling progress report you want. Cách tiếp cận “vòng kín” này ngăn chặn việc đi dây bị sai lệch và do đó giảm thiểu khả năng phải làm lại.

Hướng dẫn cho kỹ sư đi dây bao gồm: mô tả ngắn gọn về các chức năng của mạch, bản phác thảo PCB cho biết vị trí đầu vào và đầu ra, thông tin phân tầng PCB (ví dụ: bo mạch dày bao nhiêu, có bao nhiêu lớp, chi tiết từng lớp tín hiệu và mặt phẳng tiếp đất – công suất tiêu thụ , tín hiệu mặt đất, tương tự, kỹ thuật số và RF); The layers need those signals; Yêu cầu vị trí của các thành phần quan trọng; The exact location of the bypass element; Which printed lines are important; Dòng nào cần kiểm soát dòng in trở kháng; Những dòng nào cần phù hợp với độ dài; Dimensions of components; Các dòng in nào cần phải xa (hoặc gần) nhau; Which lines need to be far (or near) from each other; Những thành phần nào cần được đặt cách xa (hoặc gần) nhau; 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? Là; Quá nhiều? Không ở tất cả.

Một bài học kinh nghiệm: Khoảng 10 năm trước, tôi đã thiết kế một bảng mạch gắn trên bề mặt nhiều lớp – bảng có các thành phần ở cả hai mặt. Các tấm được bắt vít vào vỏ nhôm mạ vàng (vì các thông số kỹ thuật chống va đập nghiêm ngặt). Các chân cung cấp nguồn cấp dữ liệu thiên vị sẽ đi qua bảng. Chân được kết nối với PCB bằng dây hàn. Đó là một thiết bị rất phức tạp. 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? Nhân tiện, dưới hội đồng quản trị. Các kỹ sư và kỹ thuật viên sản phẩm không hài lòng khi họ phải tách toàn bộ ra và ghép lại sau khi đã thiết lập xong. Tôi đã không phạm sai lầm đó kể từ đó.

địa điểm thư viện

Như trong PCB, vị trí là tất cả mọi thứ. Vị trí đặt một mạch trên PCB, nơi các thành phần mạch cụ thể của nó được lắp đặt và các mạch khác tiếp giáp với nó đều rất quan trọng.

Thông thường, các vị trí đầu vào, đầu ra và nguồn điện được xác định trước, nhưng mạch điện giữa chúng cần phải “sáng tạo”. Đây là lý do tại sao chú ý đến các chi tiết của hệ thống dây điện có thể trả cổ tức rất lớn. Bắt đầu với vị trí của các thành phần chính, xem xét mạch và toàn bộ PCB. Chỉ định vị trí của các thành phần chính và đường dẫn của tín hiệu ngay từ đầu giúp đảm bảo rằng thiết kế hoạt động như dự định. Việc thiết kế đúng ngay lần đầu tiên giúp giảm chi phí và căng thẳng – và do đó chu kỳ phát triển.

Bỏ qua nguồn điện

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.

Việc mắc song song các tụ điện có giá trị điện dung khác nhau giúp đảm bảo rằng các chân cấp nguồn chỉ thấy trở kháng AC thấp trên một dải tần rộng. Điều này đặc biệt quan trọng ở tần số suy giảm tỷ lệ loại bỏ công suất bộ khuếch đại hoạt động (PSR). Tụ điện giúp bù cho PSR bị giảm của bộ khuếch đại. Grounding paths that maintain low impedance over many tenx ranges will help ensure that harmful noise does not enter the operational amplifier. Hình 1 minh họa những ưu điểm của việc sử dụng nhiều thùng chứa điện đồng thời. Ở tần số thấp, tụ điện lớn cung cấp khả năng tiếp cận mặt đất trở kháng thấp. Nhưng một khi các tần số đạt đến tần số cộng hưởng của chúng, các tụ điện trở nên ít điện dung hơn và nhạy cảm hơn. Đây là lý do tại sao điều quan trọng là phải có nhiều tụ điện: khi đáp ứng tần số của một tụ điện bắt đầu giảm, đáp ứng tần số của tụ điện kia phát huy tác dụng, do đó duy trì trở kháng AC rất thấp trong nhiều quãng tám.

Bắt đầu trực tiếp từ chân nguồn của bộ khuếch đại hoạt động; 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. Đầu nối đất của tụ điện phải được nối trực tiếp với mặt phẳng nối đất bằng chốt hoặc dây in ngắn nhất. Kết nối tiếp đất được đề cập ở trên phải càng gần đầu tải của bộ khuếch đại càng tốt để giảm thiểu nhiễu giữa nguồn và đầu nối đất. Hình 2 minh họa phương thức kết nối này.

Quá trình này nên được lặp lại đối với các tụ điện lớn hơn. Tốt nhất là bắt đầu với điện dung tối thiểu là 0.01 μF và đặt một tụ điện có điện trở nối tiếp tương đương thấp (ESR) 2.2 μF (hoặc hơn) gần nó. The 0.01 μF capacitor with 0508 housing size has very low series inductance and excellent high frequency performance.

Nguồn điện: Một cấu hình khác sử dụng một hoặc nhiều tụ điện rẽ nhánh được kết nối giữa các đầu nguồn âm và dương của bộ khuếch đại hoạt động. Phương pháp này thường được sử dụng khi khó cấu hình bốn tụ điện trong mạch. Điểm bất lợi là kích thước vỏ tụ điện có thể tăng lên vì điện áp trên tụ điện gấp đôi giá trị của phương pháp bỏ qua nguồn đơn. Tăng điện áp đòi hỏi phải tăng điện áp đánh thủng định mức của thiết bị, đồng nghĩa với việc tăng kích thước vỏ máy. Tuy nhiên, cách tiếp cận này có thể cải thiện hiệu suất PSR và độ méo tiếng.

Bởi vì mỗi mạch và hệ thống dây điện là khác nhau, cấu hình, số lượng và giá trị điện dung của tụ điện sẽ phụ thuộc vào yêu cầu của mạch thực tế.

Hiệu ứng ký sinh trùng

Hiệu ứng ký sinh trùng thực sự là các trục trặc xâm nhập vào PCB của bạn và tàn phá, đau đầu và tàn phá mạch không giải thích được. Chúng là những tụ điện và cuộn cảm ký sinh ẩn ngấm vào các mạch tốc độ cao. Trong đó bao gồm điện cảm ký sinh được hình thành do chốt gói và dây in quá dài; Điện dung ký sinh hình thành giữa pad với mặt đất, pad với mặt phẳng và pad để in; Tương tác giữa các lỗ thông, và nhiều hiệu ứng có thể có khác.