Domov › Nastavení › Doporučení pro rozmístění pouzder konektorů na desce. Doporučení pro návrh PCB (mini-FAQ o rozložení PCB). Generováním mřížky se vytvoří plocha

Doporučení pro rozmístění pouzder konektorů na desce. Doporučení pro návrh PCB (mini-FAQ o rozložení PCB). Generováním mřížky se vytvoří plocha

Zisky v odvětví spotřební elektroniky jsou nízké a výrobci se snaží udržet nízké náklady na produkty, aby zůstali konkurenceschopní. Z tohoto důvodu vyžadují, aby vývojáři používali levné desky plošných spojů(PP) a komponenty při zachování požadované funkčnosti zařízení. Výrobci se domnívají, že zajištění elektromagnetické kompatibility (EMC) v návrhu desek plošných spojů a použití součástek s vysokou EMC je luxus, který si nemohou dovolit.

Mnozí se domnívají, že problémy EMC lze vyřešit pozdě ve vývojovém cyklu pomocí dalších komponent pro potlačení EMI. Není vždy zřejmé, že náklady na takové opravy v závěrečných fázích vývoje budou mnohonásobně vyšší než náklady na zajištění elektromagnetické kompatibility při počáteční fáze design při tvorbě softwaru. Touha snížit náklady na materiály a komponenty tedy ve skutečnosti povede k výraznému zvýšení ceny produktu.

Pro vývoj desky s plošnými spoji s nízkým šumem a minimální citlivostí na rušení je nutné za prvé správně uspořádat zemnící obvod a zadruhé správně rozmístit desku plošných spojů. Pro jakoukoli desku plošných spojů je žádoucí mít minimální zemní impedanci pro zajištění účinného toku proudů, když dojde k rušení. Na druhou stranu správné rozložení je předpokladem pro vytvoření dobrého plošného spoje. Správné vedení nejen snižuje impedanci vodičů, ale také zabraňuje společné impedanční vazbě.

Vysokofrekvenční PCB: Digitální obvody a šum

Digitální integrované obvody(IC) obsahující logická hradla jsou zdrojem impulsního šumu v důsledku zpoždění při vypínání tranzistorů. Pokaždé, když logické hradlo změní stav, protéká komplementárními tranzistory koncového stupně krátký impuls průchozího proudu. Indukčnost zemních cest neumožňuje náhlou změnu proudu, což vede k napěťovému rázu.

Pro snížení dopadu takového rušení musí mít všechny digitální obvody minimální zemní impedanci. Navíc vedle každého logický čip musí být instalována oddělovací součást, aby byla zajištěna cesta průtoku pulzní proud se nerozšíří na napájecí zdroj Vcc.

Zemní impedanci lze snížit několika způsoby: snížením indukčnosti vodivé cesty, zmenšením plochy proudových smyček a zmenšením délky cest, kterými proud protéká. Toho lze částečně dosáhnout oddělením komponent umístěných v blízkosti každého logického čipu.

Snížení indukčnosti zemních vodičů

Indukčnost vodiče je přímo úměrná jeho délce. Proto je nutné zkrátit délku drah, po kterých protékají pulzní proudy. Další snížení indukčnosti je také možné zvětšením šířky výkonových tras. Bohužel indukčnost je nepřímo úměrná šířce stopy a tento přístup není příliš účinný. Ve výsledku je to délka trati, která je nejvíce důležitým faktorem z hlediska zajištění minimální indukčnosti.

Pokud zanedbáme vzájemnou indukčnost, pak bude ekvivalentní indukčnost dvou stejných paralelních drah poloviční. V případě čtyř paralelních drah bude ekvivalentní indukčnost čtyřikrát menší. Použití tohoto přístupu má však své limity. Faktem je, že pokud jsou stopy blízko u sebe, pak se vzájemná indukčnost blíží vlastní indukčnosti a ekvivalentní indukčnost se nesnižuje. Pokud jsou však stopy rozmístěny ve vzdálenosti dvojnásobku jejich šířky, lze dosáhnout 25% snížení indukčnosti.

Ve vysokofrekvenčním obvodu je tedy nutné zajistit co nejvíce alternativních paralelních cest pro tok zemních proudů. Pokud se počet vodičů bude neomezeně zvyšovat, pak se nakonec dostaneme k vrstvě souvislé země. Použití samostatné zemní vrstvy ve vícevrstvých deskách umožňuje vyřešit obrovské množství problémů najednou.

Pokud mluvíme o dvouvrstvé desce, pak přijatelného výsledku lze dosáhnout realizací zeminy ve formě mřížky (obr. 1). V tomto případě by nejlepší možností bylo, kdyby zemní cesta probíhala pod každým mikroobvodem po celé jeho délce. Je povoleno použít krok vertikální mřížky, rovná délce IS. Vertikální a horizontální stopy mohou být na opačných stranách desky, ale musí být spojeny v uzlech mřížky pomocí prokovů.

Rýže. 1. Zem je vyrobena ve formě mřížky

Ukázalo se, že pokud je v běžné oboustranné desce plošných spojů s 15 mikroobvody zem vyrobena ve formě mřížky, pak se zemní hluk sníží desetkrát. Proto všechny dvouvrstvé PCB s digitálními čipy musí používat toto řešení.

Snížení plochy proudových smyček

Dalším způsobem snížení indukčnosti je zmenšení plochy proudových cest. Deska s plošnými spoji s velkou otevřenou smyčkou (obrázek 2 a) je účinný generátor šumu. Samotný obvod bude navíc citlivý na vnější magnetická pole.

Uvažujme výkonovou smyčku skládající se ze dvou identických paralelních tras - napájecí stopy Vcc a zemní stopy GND - ve kterých protékají proudy. opačnými směry. Jejich celková indukčnost (Lt) se vypočítá pomocí vzorce 1:

Lt = 2 (L – M) (1)

kde L je indukčnost každé stopy a M je vzájemná indukčnost.

Pokud jsou Vcc a zemní stopy umístěny blízko sebe, vzájemná indukčnost se maximalizuje a efektivní indukčnost se sníží téměř na polovinu. V ideálním případě by na desce plošných spojů měla stopa Vcc běžet paralelně se stopou země. To snižuje oblast proudové smyčky a pomáhá řešit problémy spojené s tvorbou šumu a citlivostí na rušení.

Na Obr. 2a ukazuje neúspěšné rozložení desky s plošnými spoji a Obr. 2b znázorňuje vylepšenou verzi. Zmenšením plochy smyčky se podařilo snížit délku koleje a zvýšit vzájemnou indukčnost, což umožnilo dosáhnout nižších emisí a náchylnosti k rušení.

Oddělovací kondenzátory

Na Obr. 3 a Vcc a zemní stopy jsou umístěny blízko sebe. Dráha pulzního proudu začínající a končící u napájecího zdroje však tvoří velkou smyčku (na obrázku zelená plocha), která může generovat elektromagnetické rušení. Pokud je poblíž každého integrovaného obvodu umístěn keramický oddělovací kondenzátor Cc, připojený mezi Vcc a zem, bude fungovat jako vyrovnávací prvek pro poskytování energie integrovanému obvodu během doby přepínání, čímž se sníží dráha toku proudu.

Rýže. 3. Oddělovací kondenzátor

V ideálním případě by měl být oddělovací kondenzátor kolem 1 nF. Měly by být použity keramické kondenzátory, protože jsou schopny dodávat velmi vysoký náboj vysoká rychlost. Vysoký proud dělají je vybíjení a nízká vlastní indukčnost perfektní volba pro odpojení napájení.

Impedanční vazba v deskách plošných spojů

Na Obr. Obrázek 4 ukazuje příklad impedanční vazby pomocí společných napájecích a zemnících kolejnic. V tomto obvodu sdílí analogový zesilovač napájecí a zemnicí kolejnice s logickým hradlem. Impedance kolejí jsou zobrazeny jako soustředěné prvky (Zg a Zs). Při vyšších frekvencích se impedance drah mnohonásobně zvyšují. K tomu dochází nejen v důsledku zvýšení indukční složky, ale také v důsledku zvýšení odporu způsobeného kožním efektem.

Rýže. 4. Společná impedanční vazba

Jak jsme viděli dříve, k přepětí dochází při každém přepnutí logického hradla. Část impedance země (Zg3) je společná pro zesilovač i logické hradlo, takže zesilovač bude vidět tento napěťový impuls jako šum v napájecím zdroji. Tento šum lze přenést do obvodu zesilovače buď přímo přes napájecí vstup nebo přes společnou impedanci Zg3. V důsledku toho se šum objeví přímo na vstupu zesilovače. Chcete-li snížit celkovou impedanční vazbu, musíte buď snížit hodnotu celkové impedance, nebo se jí úplně zbavit.

Eliminace celkové impedance

Společnou impedanci lze eliminovat připojením napájecích obvodů různých obvodů do stejného bodu („hvězda“), jak je znázorněno na obrázku 5. K tomu je nutné seskupit obvody v závislosti na jejich hlučnosti a náchylnosti k rušení . V rámci každé skupiny lze použít společné sběrnice, ale elektrické vedení samostatné skupiny připojit v jednom bodě. Toto spojení se nazývá hybridní. Druhým přístupem je použití samostatných napájecích zdrojů pro každou skupinu obvodů, což dále zlepšuje izolaci mezi obvody.

Rýže. 5. Připojení v jednom bodě

Něco málo o "hrabání" při navrhování prken.
Nejtypičtější chyba v zapojení silových obvodů v mnoha provedeních: blokovací kapacity podél napájecích vedení „+“ a „-“ operačního zesilovače jsou vrženy na zemní vrstvu daleko od sebe, to znamená, že spotřeba proudu smyčky operační zesilovač protéká zemní vrstvou. Tyto nádoby musí být umístěny tak, aby vzdálenost mezi body jejich napojení na zemní vrstvu byla minimální. Vysokofrekvenční blokování - SMD kondenzátory velikosti 1206 se snadno vejdou pod pouzdro DIP-8 a s určitou dovedností - 1210. Samozřejmě by plocha výsledného obvodu proudového toku měla být také minimální, to je samozřejmé.

Rezistory v silových obvodech každého IC značně zjednodušují zapojení, protože slouží jako propojky a umožňují umístění napájecích zdrojů „+“ a „-“ blízko sebe, což je vysoce žádoucí pro snížení emisí signálů/výstupních proudů ze silových obvodů.

Existuje také elegantní (ale velmi pracná) metoda pro potlačení zemního hluku bez explicitního oddělení základů, zvláště užitečná při použití oboustranných desek - zachování co největší pevné vrstvy země na jedné straně (tj. -směrování obvodu na druhé straně s minimem „propojek“), důkladná analýza kontur toku silových proudů podél této zemní plochy a nalezení ekvipotenciálních bodů, tzn. bodů, mezi nimiž potenciální rozdíl, když proudy protékají zemí v obvodech výkon/zátěž, zůstává blízký nule. Tyto body se používají jako „signální“ zemnicí kolíky. Typ obrysů proudění lze v případě potřeby změnit zavedením dalších řezů nebo naopak vytvořením propojek v úsecích zemní vrstvy, které vznikají podle podmínek zapojení.

Nejpodrobnější studium problematiky topologie/proudění atp. byla provedena za účelem vytvoření metod pro návrh zařízení odolných vůči EMP impulsům vznikajícím při výbuchu jaderných zbraní nebo impulsním EMP generátorům. Publikace na toto téma jsou bohužel roztroušené a navíc často ještě „pod stolem“. Naskenoval jsem jeden z ilustrativních článků, ale nemohu ho sem připojit - byl vybrán limit počtu příloh.

O provedení PP.
Ihned je třeba poznamenat, že někdy přímočarý přístup - "čím více vrstev, tím lépe" - nefunguje pro čistě analogové (a částečně pro digitální) obvody. Je tam příliš mnoho faktorů.

Jedno/dvouvrstvé PP na getinaxu/sklolaminátu bez pokovování otvorů - jsou v současnosti dostačující pouze pro velmi jednoduchá zařízení ve velké (>>10000) sérii. Hlavní nevýhodou je nízká spolehlivost v náročných provozních podmínkách (kvůli oddělení kontaktních podložek/vodičů během mechanických vibrací a tepelných cyklů, hromadění vlhkosti/toků skrz stěny otvorů), stejně jako složitost (a vysoká cena) kvalitní zapojení jakýchkoli složitých obvodů. Hustota instalace je nízká (obvykle ne více než 3...4 piny na čtvereční centimetr celkové plochy desky). Výhodou je extrémní jednoduchost a nízké výrobní náklady (pro velké objemy a konstrukční standardy řádově 0,38 mm - méně než 0,3 $/čtvereční dm) díky chybějícímu pokovování a možnosti nahradit vrtání děrováním.

Požadavky na zvýšení hustoty balení při zachování spolehlivosti ve výrobě BGA balíčky a přenosná technologie vedly k vývoji technologie mikrovia, kdy kromě běžných (průchozích) průchozích otvorů na desce na jedné nebo obou stranách jsou vytvořeny slepé průchozí otvory (obvykle laserem) k podkladové vrstvě, pokovené v jednom cyklus s pokovováním průchozích otvorů. Velikost kontaktní plochy pro takový přechod (0,2...0,3 mm) je mnohem menší než u průchozího otvoru, není narušeno vedení ve zbývajících vrstvách. Kromě toho lze v některých případech mikrovia umístit na kontaktní plošku prvku SMD bez rizika, že znatelná část pájky opustí otvor kvůli jeho malé velikosti a hloubce (ne více než 0,1...0,15 mm). To značně zvyšuje hustotu vedení, protože Na podložky SMD prvků zpravidla nelze umístit běžné prokovy. Mikrovia lze tvarovat i do vnitřních vrstev, což je však podstatně obtížnější a nákladnější na výrobu.

Pár slov o tloušťce mědi a povlaku desek. Hlavní část desek je vyrobena na materiálech s tloušťkou fólie 35, 18 a 9 mikronů, přičemž při pokovování otvorů na vnějších vrstvách se přidává dalších 15-25 mikronů mědi (v pásku by mělo být ~ 20 mikronů díry). Desky s normou designu 0,127 nebo méně jsou zpravidla vyráběny na materiálu o tloušťce fólie ~9 mikronů (čím tenčí fólie, tím menší deformace tvaru vzoru v důsledku bočního podříznutí vodičů). Není třeba se obávat „malého průřezu mědi“, protože Tištěné vodiče díky dobrému chlazení umožňují mnohem vyšší proudové hustoty (~ 100 A/sq. mm) než montážní vodič (3...10 A/sq. mm). Konečná tloušťka ve vnějších vrstvách, v důsledku usazování mědi během pokovování otvorů, se přirozeně ukazuje větší než u původní fólie. Odpor plochých vodičů závisí na jejich půdorysné geometrii podle jednoduchého zákona: odpor čtverce x počet čtverců. Odpor čtverce nezávisí na jeho absolutní velikosti, ale pouze na tloušťce a vodivosti materiálu. To znamená, že odpor vodiče o šířce 0,25 mm a délce 10 mm (tj. 40 čtverců) je stejný jako u vodiče o šířce 2,5 a délce 100. Pro 35 mikronovou měděnou fólii je to asi 0,0005 Ohm /náměstí. Na průmyslových deskách se při metalizaci otvorů na fólii vytvoří další vrstva mědi, takže odpor čtverce oproti výše uvedenému klesne o dalších 20 procent. Údržba, i „tuk“ má na odpor malý vliv, jejím účelem je zvýšit tepelnou kapacitu vodičů, aby se krátkodobě nespálily rázový proud. Použitím korekce fotomasky (tj. zavedení korekcí podřezů) a anizotropního leptání jsou výrobci schopni vyrobit desky s tloušťkou původní fólie až do 30-40 % konstrukčních norem, tzn. při použití nejtlustší fólie 105 mikronů (a s přihlédnutím k nanášení mědi - někde kolem 125-130 mikronů), konstrukční normy mohou být od 0,3...0,35 mm.

Významnějším omezením pro silové obvody je to přípustný proud, procházející průchozím otvorem, závisí především na jeho průměru, protože tloušťka pokovení v něm je malá (15...25 μm) a zpravidla nezávisí na tloušťce fólie. Pro otvor o průměru 0,5 mm s tloušťkou desky 1,5 mm je přípustný proud asi 0,4 A, pro 1 mm - přibližně 0,75 A. Pokud je nutné procházet otvory více proudu, racionálním řešením by bylo použít ne jeden velký, ale soubor malých průchozích otvorů, zvláště pokud jsou hustě umístěny v „šachovnicovém“ nebo „voštinovém“ vzoru - ve vrcholech mřížky šestiúhelníků. Duplikování prokovů také poskytuje výhodu ve spolehlivosti, takže se často používá v kritických obvodech (včetně signálových obvodů) při vývoji zařízení pro zvláště kritické aplikace (například systémy podpory života).

Povlaky deskových vodičů mohou být izolační a/nebo ochranné. „Pájecí maska“ je ochranný izolační povlak, ve kterém jsou na kontaktních podložkách vytvořena okna. Vodiče mohou být ponechány měděné, nebo pokryté vrstvou kovu, která je chrání před korozí (cín/pájka, nikl, zlato atd.). Každý typ povlaku má své výhody a nevýhody. Povlaky mohou být tenkovrstvé, o tloušťce zlomku mikronu (obvykle chemické) a silnovrstvé (galvanické, cínování za tepla). Na holou měď je nejlepší nanést pájecí masku nebo tenkovrstvý nátěr při nanesení na pocínované stopy hůře drží a při pájení se objevuje kapilární efekt - vzlínání pájky/oddělování masky. Pozlacení je k dispozici v obou typech, chemické (tenké) a galvanické (vyžadující elektrické připojení vodičů např. na konektor). Ve velkosériové výrobě je oblíbená i možnost natírat čisté měděné (nepocínované) kontaktní podložky desek lakem podobným toku (organický nátěr). Volba typu nátěru závisí na technologii instalace a typu dílů. Pro ruční instalaci (a automatickou u dílů standardní velikosti 0805 a větší) v naprosté většině případů nejlepší možnost- horké pocínování polštářků (HASL) s měděnou maskou. Pro menší díly a automatickou instalaci, pokud nejsou požadavky na zvlášť malé netěsnosti na desce, je jednou z nejlepších možností chemické (ponorné) zlato (Flash Gold) nebo imerzní cín. Chemické zlato je v normálním světě velmi levné, stejně jako cínování za tepla, a zároveň poskytuje dokonale rovnoměrné sezení pro prvky, bez tuberkulózy pájky. Při výrobě desek plošných spojů v Ruské federaci je však často lepší objednat povlak nikoli ponorným zlatem, ale cínem - jeho řešení tolik nešetří. Při pájení desek s tenkými povlaky, včetně Flash Gold, je nutné je rychle pájet a/nebo plnit neutrálním tavidlem, aby nedocházelo k oxidaci mědi přes póry povlaku, a při automatickém pájení je také vhodné použít prostředí neutrálního plynu (dusík, freon).

Níže je uvedena nejsrozumitelnější (podle mého názoru) literatura k této problematice a také ukázka dvouvrstvého počítačová deska mikroprofilometr (profilometr), ve kterém se uplatňují opatření k zajištění kvality topologie bez fanatismu, jen částečně. To se však ukázalo jako dostačující na to, aby bez jakéhokoli stínění ve fungujícím PC svým rušením (a vlastní výkonovou částí - ovládáním komutátorový motor) poskytují rozlišení několika atomů, mnohonásobně převyšující požadavky technických specifikací (použité operační zesilovače jsou pouze TL084/LM324). Přístroj se vyráběl donedávna a byl jediným profilometrem třídy 1 přesnosti v Ruské federaci.

Uživatel fóra: sia_2

OBECNÉ ÚVAHY

Vzhledem k významným rozdílům mezi analogovými a digitálními obvody musí být analogová část obvodu oddělena od zbytku a při jeho zapojování je třeba dodržovat speciální metody a pravidla. Účinky neideálního výkonu desky plošných spojů jsou zvláště patrné ve vysokofrekvenčních analogových obvodech, ale obecný typ chyb popsaný v tomto článku může mít dopad na kvalitativní charakteristiky zařízení pracující i v audiofrekvenčním rozsahu.

Záměrem tohoto článku je probrat běžné chyby, kterých se návrháři DPS dopouštějí, a popsat dopad těchto chyb na indikátory kvality a doporučení pro řešení vzniklých problémů.

Plošný spoj - součástka obvodu

Pouze ve výjimečných případech lze PCB analogového obvodu vést tak, aby vlivy, které přináší, neměly žádný vliv na činnost obvodu. Zároveň lze jakýkoli takový dopad minimalizovat, takže charakteristiky analogových obvodů zařízení jsou stejné jako u modelu a prototypu.

Rozložení

Vývojáři digitálních obvodů mohou opravit drobné chyby na vyrobené desce přidáním propojek na ni nebo naopak odstraněním nepotřebných vodičů, provedením změn ve fungování programovatelných čipů apod., čímž se velmi rychle posune k dalšímu vývoji. To není případ analogového obvodu. Některé běžné chyby popsané v tomto článku nelze opravit přidáním propojek nebo odstraněním přebytečných vodičů. Mohou a také učiní celou desku s plošnými spoji nefunkční.

Je velmi důležité, aby návrhář digitálních obvodů, který používá takovéto korekční metody, přečetl a porozuměl materiálu uvedenému v tomto článku v dostatečném předstihu před odesláním návrhu do výroby. Malá pozornost při návrhu a diskuse o možných možnostech nejen zabrání tomu, aby se PCB stala šrotem, ale také sníží náklady na hrubé chyby v malé analogové části obvodu. Hledání chyb a jejich oprava může mít za následek stovky ztracených hodin. Prototypování může tuto dobu zkrátit na jeden den nebo méně. Breadboard všechny vaše analogové obvody.

Zdroje šumu a rušení

Šum a rušení jsou hlavními prvky, které omezují kvalitativní charakteristiky obvodů. Rušení může být buď vyzařováno zdroji nebo indukováno na prvcích obvodu. Analogové obvody jsou často umístěny na desce plošných spojů spolu s vysokorychlostními digitální komponenty, včetně digitálních signálových procesorů ( DSP).

Vysokofrekvenční logické signály generují významné RF rušení ( RFI). Počet zdrojů emise hluku je enormní: klíčové napájecí zdroje pro digitální systémy, mobilní telefony, rádio a televize, napájecí zdroje pro zářivky, osobní počítače, výboje blesku atd. I když analogový obvod pracuje v audiofrekvenčním rozsahu, vysokofrekvenční rušení může vytvářet znatelný šum ve výstupním signálu.

Výběr návrhu PCB je důležitým faktorem při určování mechanického výkonu celého zařízení. Pro výrobu desek plošných spojů se používají materiály různé úrovně kvality. Pro vývojáře bude nejvhodnější a nejpohodlnější, pokud se poblíž nachází výrobce desek plošných spojů. V tomto případě je snadné řídit měrný odpor a dielektrickou konstantu - hlavní parametry materiálu desky s plošnými spoji. Bohužel to nestačí a často je nutná znalost dalších parametrů jako je hořlavost, vysokoteplotní stabilita a koeficient hygroskopičnosti. Tyto parametry může znát pouze výrobce součástek používaných při výrobě desek plošných spojů.

Vrstvené materiály jsou označeny indexy FR ( nehořlavý, odolný proti vznícení) a G. Materiál s indexem FR-1 má nejvyšší hořlavost a FR-5 - nejméně. Materiály s indexy G10 a G11 mají speciální vlastnosti. Materiály desek plošných spojů jsou uvedeny v tabulce. 1.

Nepoužívejte PCB kategorie FR-1. Existuje mnoho příkladů desek plošných spojů FR-1, které utrpěly tepelné poškození od vysoce výkonných součástek. Plošné spoje v této kategorii jsou podobné spíše kartonu.

FR-4 se často používá při výrobě průmyslových zařízení, zatímco FR-2 se používá při výrobě domácích spotřebičů. Tyto dvě kategorie jsou v průmyslu standardizovány a desky plošných spojů FR-2 a FR-4 jsou často vhodné pro většinu aplikací. Někdy si však nedokonalé vlastnosti těchto kategorií vynutí použití jiných materiálů. Například pro velmi vysokofrekvenční aplikace se jako materiály desek plošných spojů používají fluoroplasty a dokonce i keramika. Čím exotičtější je však materiál DPS, tím může být cena vyšší.

Při výběru materiálu desky s plošnými spoji věnujte zvláštní pozornost jeho hygroskopicitě, protože tento parametr může mít silný dopad negativní efekt na požadovaných vlastnostech desky - povrchová odolnost, svod, vysokonapěťové izolační vlastnosti (průrazy a jiskry) a mechanická pevnost. Věnujte také pozornost provozní teplota. Horká místa se mohou vyskytovat na neočekávaných místech, například v blízkosti velkých digitálních integrovaných obvodů, které spínají vysoké frekvence. Pokud jsou tyto oblasti umístěny přímo pod analogovými součástmi, mohou zvýšené teploty ovlivnit výkon analogového obvodu.

Tabulka 1

	Komponenty, komentáře
	papír, fenolické složení: lisování a ražení při pokojové teplotě, vysoký koeficient hygroskopičnosti
	papír, fenolické složení: použitelné pro jednostranné desky plošných spojů domácích spotřebičů, nízký koeficient hygroskopicity
	papír, epoxidové složení: provedení s dobrými mechanickými a elektrickými vlastnostmi
	sklolaminát, epoxidové složení: vynikající mechanické a elektrické vlastnosti
	sklolaminát, epoxidové složení: vysoká pevnost při zvýšené teploty, žádné zapalování
	sklolaminát, epoxidové složení: vysoké izolační vlastnosti, nejvyšší pevnost skelného vlákna, nízký koeficient hygroskopičnosti
	sklolaminát, epoxidové složení: vysoká pevnost v ohybu při zvýšených teplotách, vysoká odolnost proti rozpouštědlům

Jakmile je vybrán materiál DPS, je třeba určit tloušťku fólie DPS. Tento parametr se primárně volí na základě maximální hodnoty protékajícího proudu. Pokud je to možné, snažte se vyhnout použití velmi tenké fólie.

POČET VRSTEV POTIŠTĚNÉ DESKY

V závislosti na celkové složitosti obvodu a požadavcích na kvalitu musí konstruktér určit počet vrstev DPS.

Jednovrstvé desky plošných spojů

Velmi jednoduché elektronické obvody jsou vyrobeny na jednostranných deskách s použitím levných fóliových materiálů (FR-1 nebo FR-2) a často mají mnoho propojek, připomínajících oboustranné desky. Tento způsob tvorby desek plošných spojů se doporučuje pouze pro nízkofrekvenční obvody. Z důvodů, které budou popsány níže, jednostranné desky plošných spojů jsou vysoce náchylné na rušení . Dobré jednostranné PCB je z mnoha důvodů poměrně obtížné navrhnout. Nicméně dobré desky Tento typ se sice vyskytuje, ale jejich vývoj vyžaduje hodně přemýšlení předem.

Dvouvrstvé desky plošných spojů

Na další úrovni jsou oboustranné desky plošných spojů, které ve většině případů používají jako podkladový materiál FR-4, i když se někdy vyskytuje i FR-2. Vhodnější je použití FR-4, protože otvory v deskách plošných spojů vyrobené z tohoto materiálu jsou kvalitnější. Obvody na oboustranných deskách plošných spojů se zapojují mnohem snadněji, protože Ve dvou vrstvách je jednodušší směrovat protínající se trasy. U analogových obvodů se však křížení nedoporučují. Pokud je to možné, spodní vrstva ( dno) musí být přiděleny pod skládkou a zbývající signály musí být směrovány v horní vrstvě ( nahoře). Použití skládky jako zemního autobusu poskytuje několik výhod:

společný vodič je nejčastěji připojený vodič v obvodu; proto je rozumné mít „hodně“ společných vodičů pro zjednodušení zapojení.
zvyšuje se mechanická pevnost desky.
odpor všech připojení ke společnému vodiči klesá, což zase snižuje hluk a rušení.
Rozložená kapacita každého obvodu je zvýšena, což pomáhá potlačit vyzařovaný šum.
polygon, což je obrazovka, potlačuje rušení vyzařované zdroji umístěnými na straně polygonu.

Oboustranné desky plošných spojů přes všechny své výhody nejsou nejlepší, zvláště pro obvody s nízkým signálem nebo vysokou rychlostí. Obecně platí, že tloušťka desky plošných spojů, tzn. vzdálenost mezi vrstvami pokovení je 1,5 mm, což je příliš mnoho na to, aby bylo možné plně využít některé z výše uvedených výhod dvouvrstvé desky s plošnými spoji. Distribuovaná kapacita je například kvůli tak velkému intervalu příliš malá.

Vícevrstvé PCB

Pro návrh kritických obvodů jsou vyžadovány vícevrstvé desky s plošnými spoji (MPB). Některé důvody pro jejich použití jsou zřejmé:

Rozdělení napájecích sběrnic je stejně pohodlné jako u běžné drátové sběrnice; pokud jsou zapnuté polygony samostatná vrstva, pak je docela jednoduché použít prokovy k napájení každého prvku obvodu;
signálové vrstvy jsou osvobozeny od napájecích sběrnic, což usnadňuje zapojení signálových vodičů;
Mezi zemním a napájecím polygonem se objevuje distribuovaná kapacita, což snižuje vysokofrekvenční šum.

Kromě těchto důvodů pro použití vícevrstvých desek plošných spojů existují další, méně zřejmé:

lepší elektromagnetické potlačení ( EMI) a rádiová frekvence ( RFI) interference v důsledku odrazového efektu ( efekt roviny obrazu), známý již v době Marconi. Když je vodič umístěn blízko rovného vodivého povrchu, většina zpětných vysokofrekvenčních proudů bude proudit podél roviny přímo pod vodičem. Směr těchto proudů bude opačný než směr proudů ve vodiči. Odrazem vodiče v rovině se tak vytvoří vedení pro přenos signálu. Protože proudy ve vodiči a v rovině jsou stejné velikosti a opačného směru, dochází k určitému snížení vyzařovaného rušení. Efekt odrazu funguje efektivně pouze s nepřerušenými plnými polygony (mohou to být jak pozemní polygony, tak mocenské polygony). Jakákoli ztráta integrity povede ke snížení potlačení rušení.
snížení celkových nákladů, když malosériová výroba. Přestože jsou vícevrstvé DPS dražší na výrobu, jejich potenciální vyzařování je nižší než u jednovrstvých a dvouvrstvých DPS. Proto v některých případech použití pouze vícevrstvých desek umožní splnit emisní požadavky stanovené při návrhu, bez dodatečného testování a testování. Použití MPP může snížit úroveň vyzařovaného rušení o 20 dB oproti dvouvrstvým deskám.

Pořadí vrstev

Nezkušení konstruktéři mají často určité nejasnosti ohledně optimálního pořadí vrstev DPS. Vezměme si například 4-vrstvou komoru obsahující dvě signálové vrstvy a dvě polygonové vrstvy - základní vrstvu a výkonovou vrstvu. Jaké je nejlepší pořadí vrstev? Signální vrstvy mezi polygony, které budou sloužit jako obrazovky? Nebo bychom měli udělat polygonové vrstvy vnitřní, abychom snížili rušení signálových vrstev?

Při řešení tohoto problému je důležité si uvědomit, že často nezáleží na umístění vrstev, protože komponenty jsou stejně umístěny na vnějších vrstvách a sběrnice, které dodávají signály na jejich piny, někdy procházejí všemi vrstvami. Jakékoli efekty obrazovky jsou proto pouze kompromisem. V tomto případě je lepší se postarat o vytvoření velké distribuované kapacity mezi silovými a pozemními polygony a umístit je do vnitřních vrstev.

Další výhodou umístění signálových vrstev venku je dostupnost signálů pro testování a také možnost úpravy spojení. Tuto příležitost ocení každý, kdo někdy měnil zapojení vodičů umístěných ve vnitřních vrstvách.

U desek plošných spojů s více než čtyřmi vrstvami existuje obecné pravidlo umístěte vysokorychlostní signálové vodiče mezi zemní a silové polygony a nízkofrekvenční signálové vodiče veďte do vnějších vrstev.

ZÁKLADY

Dobré uzemnění je obecným požadavkem pro bohatý, víceúrovňový systém. A měl by být plánován od prvního kroku vývoje designu.

Základní pravidlo: rozdělení pozemků .

Rozdělení Země na analogovou a digitální část je jednou z nejjednodušších a nejběžnějších efektivní metody potlačení hluku. Jedna nebo více vrstev vícevrstvé desky s plošnými spoji je obvykle vyhrazeno vrstvě zemních polygonů. Pokud vývojář není příliš zkušený nebo nepozorný, pak bude zem analogové části přímo napojena na tyto polygony, tzn. analogový zpětný proud bude používat stejný obvod jako digitální zpětný proud. Autodistributoři pracují v podstatě stejným způsobem a sjednocují všechny země dohromady.

Pokud již dříve vyvinutá deska s plošnými spoji s jedním zemním polygonem kombinující analogovou a digitální zem podléhá zpracování, pak je nutné nejprve fyzicky oddělit kostru na desce (po této operaci je provoz desky téměř nemožný). Poté jsou všechna připojení vytvořena k analogové zemnicí rovině součástek analogového obvodu (vytvoří se analogová zem) a k digitální zemní ploše součástek. digitální obvod(formuje se digitální země). A teprve poté se digitální a analogová zem spojí u zdroje.

Další pravidla pro tvorbu půdy:

Téměř všechny hodinové signály jsou dostatečně vysokofrekvenční signály, že i malé kapacity mezi stopami a polygony mohou vytvářet významné vazby. Je třeba si uvědomit, že problém může způsobit nejen základní taktovací frekvence, ale také její vyšší harmonické.

Příklad dobrého umístění součástek

Obrázek 4 ukazuje možné rozložení všech součástek na desce včetně napájecího zdroje. To využívá tři samostatné a izolované zemní/napájecí roviny: jednu pro zdroj, jednu pro digitální obvod a jednu pro analogový obvod. Zemní a silové obvody analogové a digitální části jsou kombinovány pouze v napájecím zdroji. Vysokofrekvenční šum je ve silových obvodech odfiltrován tlumivkami. V tomto příkladu jsou vysokofrekvenční signály analogové a digitální části od sebe odděleny. Tento návrh má velmi vysokou pravděpodobnost příznivého výsledku, protože je zajištěn dobré ubytování součástek a dodržování pravidel oddělení obvodů.

Existuje pouze jeden případ, kdy je nutné kombinovat analogové a digitální signály přes analogovou pozemní oblast. Analogově-digitální a digitálně-analogové převodníky jsou umístěny v pouzdrech s analogovými a digitálními zemnícími kolíky. Vezmeme-li v úvahu předchozí diskusi, lze předpokládat, že digitální zemnící kolík a analogový zemnící kolík by měly být připojeny k digitální a analogové zemní sběrnici. V tomto případě to však není pravda.

Názvy pinů (analogové nebo digitální) odkazují pouze na vnitřní strukturu převodníku, na jeho vnitřní zapojení. V obvodu musí být tyto kolíky připojeny k analogové zemnicí sběrnici. Spojení lze provést i interně integrovaný obvod je však poměrně obtížné získat nízký odpor takového spojení kvůli topologickým omezením. Proto se při použití převodníků předpokládá vnější spoj analogové a digitální zemnící kolíky. Pokud se tak nestane, parametry mikroobvodu budou výrazně horší než parametry uvedené ve specifikaci.

S tím je potřeba počítat digitální prvky převodníky mohou zhoršit kvalitu obvodu zavedením digitálního šumu do analogového uzemnění a analogového napájecího obvodu. Při návrhu měničů je tento negativní dopad zohledněn tak, aby digitální část spotřebovávala co nejméně energie. Zároveň je redukováno rušení spínacími logickými prvky. Pokud nejsou digitální piny převodníku silně zatíženy, pak vnitřní přepínání obvykle nezpůsobuje žádné zvláštní problémy. Při navrhování PCB obsahující ADC nebo DAC je třeba věnovat náležitou pozornost oddělení digitální napájení převodník na analogovou zem.

FREKVENČNÍ CHARAKTERISTIKA PASIVNÍCH SOUČÁSTÍ

Pro řádný provoz V analogových obvodech je velmi důležitý správný výběr pasivních součástek. Začněte svůj vývoj designu pečlivým zvážením vysoké frekvenční charakteristiky pasivní součástky a jejich předběžné umístění a uspořádání na náčrtu desky.

Velký počet konstruktérů zcela ignoruje frekvenční omezení pasivních součástek při použití v analogových obvodech. Tyto komponenty mají omezené frekvenční rozsahy a pracují mimo specifikace. frekvenční oblasti může vést k nepředvídatelným výsledkům. Někdo si může myslet, že tato diskuse se týká pouze vysokorychlostních analogových obvodů. To však zdaleka není pravda – vysokofrekvenční signály mají silný dopad na pasivní součástky nízkofrekvenčních obvodů prostřednictvím vyzařování nebo přímé komunikace přes vodiče. Například jednoduchý dolnopropustný filtr na operačním zesilovači se může snadno stát hornopropustným filtrem, když je na jeho vstupu vystaven vysoké frekvenci.

Rezistory

Vysokofrekvenční charakteristiky rezistorů lze znázornit ekvivalentním obvodem znázorněným na obrázku 5.

Běžně se používají tři typy rezistorů: 1) drátový, 2) uhlíkový kompozit a 3) film. Porozumět tomu, jak lze drátový rezistor přeměnit na indukčnost, nevyžaduje velkou představivost, protože je to cívka drátu vyrobená z vysoce odolného kovu. Většina vývojářů elektronických zařízení nemá ponětí o vnitřní struktuře filmových rezistorů, které jsou také cívkou, i když vyrobenou z kovového filmu. Proto mají filmové rezistory také indukčnost, která je menší než indukčnost drátových rezistorů. Filmové rezistory s odporem nejvýše 2 kOhm lze volně použít ve vysokofrekvenčních obvodech. Vývody rezistoru jsou vzájemně rovnoběžné, takže je mezi nimi znatelná kapacitní vazba. U rezistorů s vysokým odporem se kapacita svorky sníží celková impedance na vysoké frekvence.

Kondenzátory

Vysokofrekvenční charakteristiky kondenzátorů lze znázornit ekvivalentním obvodem znázorněným na obrázku 6.

Kondenzátory v analogových obvodech se používají jako oddělovací a filtrační komponenty. Pro ideální kondenzátor je reaktance určena následujícím vzorcem:

Proto bude mít 10 µF elektrolytický kondenzátor odpor 1,6 ohmů při 10 kHz a 160 µohmů při 100 MHz. Je to pravda?

Při použití elektrolytických kondenzátorů je třeba dbát na správné zapojení. Kladná svorka musí být připojena k kladnějšímu konstantnímu potenciálu. Nesprávné připojení vede ke stejnosměrnému toku přes elektrolytický kondenzátor, což může poškodit nejen samotný kondenzátor, ale i část obvodu.

Ve vzácných případech může rozdíl DC potenciálu mezi dvěma body v obvodu změnit své znaménko. To vyžaduje použití nepolárních elektrolytických kondenzátorů, jejichž vnitřní struktura je ekvivalentní dvěma polárním kondenzátorům zapojeným do série.

Indukčnost

Vysokofrekvenční charakteristiky indukčností lze znázornit ekvivalentním obvodem znázorněným na obrázku 7.

Reaktance indukčnosti je popsána následujícím vzorcem:

Proto bude mít indukčnost 10 mH reaktanci 628 ohmů při 10 kHz a reaktanci 6,28 megaohmů při 100 MHz. Právo?

PCB

Samotná deska s plošnými spoji má vlastnosti výše diskutovaných pasivních součástek, i když ne tak zřejmé.

Vzor vodičů na desce s plošnými spoji může být zdrojem i přijímačem rušení. Dobré zapojení snižuje citlivost analogového obvodu na zdroje záření.

Deska s plošnými spoji je náchylná na záření, protože vodiče a vývody součástek tvoří jakousi anténu. Teorie antény je poměrně složitým předmětem studia a není zahrnuta v tomto článku. Jsou zde však uvedeny některé základy.

Trochu teorie antény

Při stejnosměrném proudu nebo nízkých frekvencích převažuje aktivní složka. S rostoucí frekvencí je reaktivní složka stále významnější. V rozsahu od 1 kHz do 10 kHz začíná působit indukční složka a vodič již není nízkoimpedanční konektor, ale působí spíše jako induktor.

Vzorec pro výpočet indukčnosti vodiče PCB je následující:

Typicky mají stopy na desce s plošnými spoji hodnoty od 6 nH do 12 nH na centimetr délky. Například 10 cm vodič má odpor 57 mOhm a indukčnost 8 nH na cm Při frekvenci 100 kHz se reaktance stane 50 mOhm a při vyšších frekvencích bude mít vodič spíše indukčnost než odporový odpor. .

Pravidlem pro bičovou anténu je, že začíná znatelně interagovat s polem přibližně na 1/20 vlnové délky a maximální interakce nastává při délce tyče 1/4 vlnové délky. Proto se z 10cm vodiče z příkladu v předchozím odstavci začne stávat docela dobrá anténa na frekvencích nad 150 MHz. Je třeba pamatovat na to, že navzdory skutečnosti, že generátor hodin digitálního obvodu nemusí pracovat na frekvencích nad 150 MHz, jsou v jeho signálu vždy přítomny vyšší harmonické. Pokud deska s plošnými spoji obsahuje součástky s kolíky značné délky, mohou takové kolíky sloužit i jako antény.

Dalším hlavním typem antény je smyčková anténa. Indukčnost přímého vodiče se velmi zvyšuje, když se ohýbá a stává se součástí oblouku. Zvýšení indukčnosti snižuje frekvenci, při které anténa začíná interagovat se siločárami.

Zkušení návrháři plošných spojů s rozumnou znalostí teorie smyčkových antén vědí, že nemají navrhovat smyčky pro kritické signály. Někteří konstruktéři na to ale nemyslí a vodiče zpětného a signálního proudu v jejich obvodech jsou smyčky. Vytvoření smyčkových antén je snadné demonstrovat na příkladu (obr. 8). Navíc je zde znázorněno vytvoření štěrbinové antény.

Uvažujme tři případy:

Možnost A je příkladem špatného návrhu. Vůbec nepoužívá analogový pozemní polygon. Obvod smyčky je tvořen zemním a signálním vodičem. Při průchodu proudu vzniká elektrický proud a na něj kolmý proud. magnetické pole. Tato pole tvoří základ smyčková anténa. Pravidlo smyčkové antény říká, že pro nejlepší účinnost by měla být délka každého vodiče rovna polovině vlnové délky přijímaného záření. Neměli bychom však zapomínat, že i při 1/20 vlnové délky je smyčková anténa stále poměrně účinná.

Možnost B lepší varianta A, ale v polygonu je mezera, pravděpodobně pro vytvoření konkrétního místa pro vedení signálových vodičů. Cesty signálu a zpětného proudu tvoří štěrbinovou anténu. Další smyčky se tvoří ve výřezech kolem třísek.

Možnost B – příklad nejlepší design. Cesty signálu a zpětného proudu se shodují, což neguje účinnost smyčkové antény. Všimněte si, že tento design má také výřezy kolem čipů, ale ty jsou odděleny od cesty zpětného proudu.

Teorie odrazu a přizpůsobení signálu je blízká teorii antén.

Při otočení vodiče PCB o úhel 90° může dojít k odrazu signálu. Je to způsobeno především změnami šířky aktuální cesty. Na vrcholu rohu se šířka stopy zvětší 1,414krát, což vede k nesouladu v charakteristikách přenosového vedení, zejména v distribuované kapacitě a vlastní indukčnosti stopy. Dost často je potřeba otočit stopu na desce plošných spojů o 90°. Mnoho moderních CAD balíků umožňuje vyhlazovat rohy nakreslených tras nebo kreslit trasy ve formě oblouku. Obrázek 9 ukazuje dva kroky ke zlepšení tvaru rohu. Pouze poslední příklad zachovává konstantní šířku dráhy a minimalizuje odrazy.

Tip pro zkušené designéry DPS: před vytvořením kapkovitých špendlíků a vyplňováním polygonů nechte proces vyhlazování na poslední fázi práce. V opačném případě bude hladký průběh CAD balíčku trvat déle kvůli složitějším výpočtům.

Mezi vodiči desky plošných spojů umístěných na různé vrstvy, kapacitní vazba nastává, když se protínají. Někdy to může způsobit problém. Vodiče umístěné nad sebou na sousedních vrstvách vytvářejí kondenzátor s dlouhou vrstvou. Kapacita takového kondenzátoru se vypočítá pomocí vzorce znázorněného na obrázku 10.

Deska s plošnými spoji může mít například následující parametry:
- 4 vrstvy; signální a pozemní polygonové vrstvy sousedí,
- rozteč mezi vrstvami - 0,2 mm,
- šířka vodiče - 0,75 mm,
- délka vodiče - 7,5 mm.

Typická ER dielektrická konstanta pro FR-4 je 4,5.

Dosazením všech hodnot do vzorce získáme hodnotu kapacity mezi těmito dvěma sběrnicemi rovnou 1,1 pF. I takto zdánlivě malá kapacita je pro některé aplikace nepřijatelná. Obrázek 11 znázorňuje účinek kapacitance 1 pF při připojení k invertujícímu vstupu vysokofrekvenčního operačního zesilovače.

Je vidět, že amplituda výstupního signálu se zdvojnásobuje při frekvencích blízkých horní hranici frekvenčního rozsahu operačního zesilovače. To zase může vést k oscilacím, zejména na provozních frekvencích antény (nad 180 MHz).

Tento efekt vyvolává řadu problémů, pro které však existuje mnoho způsobů, jak je řešit. Nejviditelnější z nich je zkrácení délky vodičů. Dalším způsobem je zmenšit jejich šířku. Není důvod používat vodič této šířky pro připojení signálu na invertující vstup, protože Tímto vodičem protéká velmi malý proud. Zmenšení délky stopy na 2,5 mm a šířky na 0,2 mm povede ke snížení kapacity na 0,1 pF a taková kapacita již nepovede k tak výraznému zvýšení frekvenční charakteristiky. Dalším řešením je odstranění části polygonu pod invertujícím vstupem a vodiče, který k němu vede.

Šířku vodičů DPS nelze donekonečna zmenšovat. Maximální šířka je dána jak technologickým postupem, tak tloušťkou fólie. Procházejí-li dva vodiče blízko sebe, pak se mezi nimi vytvoří kapacitní a indukční vazba (obr. 12).

Signální vodiče by neměly být vedeny paralelně k sobě, s výjimkou diferenciálních nebo mikropáskových vedení. Mezera mezi vodiči by měla být alespoň trojnásobkem šířky vodičů.

Kapacita mezi stopami v analogových obvodech může způsobit problémy s velkými hodnotami odporu (několik megaohmů). Relativně velká kapacitní vazba mezi invertujícími a neinvertujícími vstupy operačního zesilovače může snadno způsobit oscilaci obvodu.

Například při d=0,4 mm a h=1,5 mm (docela běžné hodnoty) je indukčnost otvoru 1,1 nH.

Pamatujte, že pokud jsou v obvodu velké odpory, pak je třeba věnovat zvláštní pozornost čištění desky. Během finálních operací výroby desky s plošnými spoji musí být odstraněny veškeré zbývající tavidla a nečistoty. V poslední době se při instalaci desek plošných spojů často používají vodou ředitelná tavidla. Protože jsou méně škodlivé, lze je snadno odstranit vodou. Současně však může mytí desky nedostatečně čistou vodou vést k dodatečnému znečištění, které zhoršuje dielektrické vlastnosti. Proto je velmi důležité čistit vysokoimpedanční obvodovou desku čerstvou destilovanou vodou.

IZOLACE SIGNÁLU

Jak již bylo uvedeno, rušení může proniknout do analogové části obvodu prostřednictvím napájecích obvodů. Ke snížení takového rušení se používají oddělovací (blokovací) kondenzátory, které snižují místní impedanci napájecích sběrnic.

Pokud potřebujete rozmístit desku s plošnými spoji, která má jak analogové, tak digitální části, musíte mít alespoň malé pochopení elektrické charakteristiky logické prvky.

Typický výstupní stupeň logický prvek obsahuje dva tranzistory zapojené do série jak mezi sebou, tak mezi silovým a zemním obvodem (obr. 14).

Tyto tranzistory ideálně pracují striktně v protifázi, tzn. když je jeden z nich otevřený, pak je ve stejném okamžiku druhý uzavřen a na výstupu generuje buď logickou jedničku nebo logickou nulu. V logickém stavu ustáleného stavu je spotřeba logického prvku malá.

Situace se dramaticky změní, když se koncový stupeň přepne z jednoho logického stavu do druhého. V tomto případě mohou být na krátkou dobu oba tranzistory současně otevřeny a napájecí proud koncového stupně se značně zvýší, protože odpor proudové cesty od napájecí sběrnice k zemní sběrnici přes dva sériově zapojené tranzistory klesá. Spotřeba energie se prudce zvyšuje a pak také klesá, což vede k místní změna napájecí napětí a vznik prudké, krátkodobé změny proudu. Tyto změny proudu mají za následek vyzařování vysokofrekvenční energie. I na relativně jednoduché desce plošných spojů mohou být desítky či stovky uvažovaných koncových stupňů logických prvků, takže celkový efekt jejich souběžná práce může být velmi velký.

Není možné přesně předvídat frekvenční rozsah, ve kterém se tyto proudové rázy budou vyskytovat, protože frekvence jejich výskytu závisí na mnoha faktorech, včetně zpoždění šíření spínacích tranzistorů logického prvku. Zpoždění zase závisí také na mnoha náhodných příčinách, které vznikají během výrobního procesu. Spínací šum má širokopásmové rozložení harmonických složek v celém rozsahu. Potlačit digitální šum Existuje více metod, jejichž použití závisí na spektrálním rozložení šumu.

Tabulka 2 ukazuje maximální pracovní frekvence pro běžné typy kondenzátorů.

Tabulka 2

Z tabulky je zřejmé, že pro frekvence pod 1 MHz se při vyšších frekvencích používají kondenzátory keramické; Je třeba pamatovat na to, že kondenzátory mají svou vlastní rezonanci a jejich nesprávná volba nemusí nejen pomoci, ale také zhoršit problém. Obrázek 15 ukazuje typické vlastní rezonance dvou univerzálních kondenzátorů - 10 μF tantalového elektrolytického a 0,01 μF keramického.

Skutečné specifikace se mohou lišit v závislosti na různých výrobců a dokonce od šarže k šarži od stejného výrobce. Je důležité pochopit, že pro efektivní provoz kondenzátoru musí být frekvence, které potlačuje, v nižším rozsahu, než je jeho vlastní rezonanční frekvence. Jinak postava reaktance bude indukční a kondenzátor již nebude efektivně fungovat.

Nenechte se mýlit, že jeden 0,1 µF kondenzátor potlačí všechny frekvence. Malé kondenzátory (10 nF nebo méně) mohou pracovat efektivněji při vyšších frekvencích.

Oddělení napájení IC

Oddělení napájení integrovaných obvodů pro potlačení vysokofrekvenčního šumu spočívá v použití jednoho nebo více kondenzátorů zapojených mezi napájecí a zemnící kolíky. Je důležité, aby vodiče spojující vodiče s kondenzátory byly krátké. Pokud tomu tak není, pak vlastní indukčnost vodiče budou hrát významnou roli a negují výhody použití oddělovacích kondenzátorů.

Ke každému čipu, bez ohledu na jeho počet, musí být připojen oddělovací kondenzátor operační zesilovače umístěné uvnitř pouzdra - 1, 2 nebo 4. Pokud je operační zesilovač napájen bipolárním zdrojem, pak je samozřejmé, že na každém výstupu musí být umístěny oddělovací kondenzátory. Hodnota kapacity musí být pečlivě zvolena v závislosti na typu šumu a rušení přítomných v obvodu.

Zejména těžké případy Může být nutné přidat indukčnost v sérii s napájecím kolíkem. Indukčnost by měla být umístěna před, nikoli za kondenzátory.

Dalším, levnějším způsobem je nahrazení indukčnosti rezistorem s nízkým odporem (10...100 Ohmů). V tomto případě spolu s oddělovacím kondenzátorem tvoří rezistor dolní propust. Tato metoda snižuje rozsah napájení operačního zesilovače, který se také stává více závislým na spotřebě energie.

Pro potlačení nízkofrekvenčního šumu ve výkonových obvodech obvykle stačí použít jeden nebo více hliníkových nebo tantalových elektrolytických kondenzátorů na napájecím vstupním konektoru. Přídavný keramický kondenzátor potlačí vysokofrekvenční rušení z jiných desek.

IZOLACE VSTUPNÍCH A VÝSTUPNÍCH SIGNÁLŮ

Mnoho problémů se šumem vyplývá z přímého připojení vstupních a výstupních kolíků. V důsledku vysokofrekvenčních omezení pasivních součástek může být odezva obvodu při vystavení vysokofrekvenčnímu šumu značně nepředvídatelná.

V situaci, kdy je frekvenční rozsah indukovaného šumu výrazně odlišný od frekvenčního rozsahu obvodu, je řešení jednoduché a zřejmé - umístění pasivního RC filtru pro potlačení vysokofrekvenční rušení. Při použití pasivního filtru však musíte být opatrní: jeho charakteristiky (vzhledem k neideálním frekvenčním charakteristikám pasivních součástek) ztrácejí své vlastnosti při frekvencích 100...1000krát vyšších, než je mezní frekvence (f 3db). Při použití sériově zapojených filtrů naladěných na různé frekvenční rozsahy by měl být filtr s vyšší frekvencí nejblíže ke zdroji rušení. Feritové prstencové induktory lze také použít k potlačení hluku; zachovávají si indukční charakter odporu až do určité frekvence a nad jejich odpor se stává aktivní.

Rušení na analogovém obvodu může být tak velké, že je možné se ho zbavit (nebo alespoň snížit) pomocí stínění. Aby fungovaly efektivně, musí být pečlivě navrženy tak, aby do obvodu nemohly vstoupit frekvence, které způsobují největší problémy. To znamená, že stínění by nemělo mít otvory nebo výřezy větší než 1/20 vlnové délky stíněného záření. Dobrý nápad Pro navržený stínění vyčleňte dostatečný prostor již od počátku návrhu DPS. Při použití stínění můžete volitelně použít feritové kroužky (nebo korálky) pro všechna připojení k obvodu.

PROVOZNÍ POUZDRA NA ZESILOVAČE

V jednom pouzdře jsou obvykle umístěny jeden, dva nebo čtyři operační zesilovače (obr. 16).

Jeden operační zesilovač má často také další vstupy, například pro nastavení offsetového napětí. Duální a quad operační zesilovače mají pouze invertující a neinvertující vstupy a výstupy. Pokud je tedy nutné provést dodatečné úpravy, je nutné použít jednotlivé operační zesilovače. Při použití dodatečné výstupy Je třeba mít na paměti, že svou strukturou jsou pomocnými vstupy, takže je třeba je ovládat pečlivě a v souladu s doporučeními výrobce.

V jednom operačním zesilovači je výstup umístěn na opačné straně vstupů. To může ztížit provoz zesilovače na vysokých frekvencích kvůli dlouhým vodičům zpětná vazba. Jedním ze způsobů, jak to překonat, je umístit zesilovač a komponenty zpětné vazby různé strany deska s plošnými spoji. To však vede k minimálně dvěma dalším otvorům a zářezům v broušeném mnohoúhelníku. Někdy se k vyřešení tohoto problému vyplatí použít duální operační zesilovač, i když není použit druhý zesilovač (a jeho piny musí být správně zapojeny). Obrázek 17 znázorňuje zmenšení délky vodičů zpětnovazebního obvodu pro invertující připojení.

Duální operační zesilovače jsou zvláště běžné ve stereo zesilovačích a čtyřnásobné operační zesilovače se používají ve vícestupňových filtračních obvodech. To má však poměrně významnou nevýhodu. I když moderní technologie poskytuje slušnou izolaci mezi signály zesilovačů umístěných na stejném křemíkovém čipu, stále mezi nimi dochází k přeslechům. Pokud je potřeba mít velmi malé množství takového rušení, pak je nutné použít jednotlivé operační zesilovače. Přeslechy nevznikají pouze při použití duálních nebo čtyřnásobných zesilovačů. Jejich zdrojem může být velmi těsná blízkost pasivních prvků různých kanálů.

Duální a quad operační zesilovače, kromě výše uvedených, umožňují hustší instalaci. Jednotlivé zesilovače se zdají být vůči sobě zrcadlové (obr. 18).

Obrázky 17 a 18 nezobrazují všechna potřebná připojení normální provoz, například ovladač střední úrovně s unipolárním napájením. Obrázek 19 ukazuje schéma takového tvarovače při použití čtyřnásobného zesilovače.

Diagram ukazuje vše potřebná spojení implementovat tři nezávislé invertující stupně. Je třeba dbát na to, že vodiče budiče polovičního napájecího napětí jsou umístěny přímo pod pouzdrem integrovaného obvodu, což umožňuje zkrácení jejich délky. Tento příklad neilustruje, co by mělo být, ale co by se mělo udělat. Například průměrné napětí úrovně by mohlo být stejné pro všechny čtyři zesilovače. Pasivní součásti mohou být odpovídajícím způsobem dimenzovány. Například plošné součásti velikosti rámu 0402 odpovídají rozteči kolíků standardního pouzdra SO. To umožňuje udržovat velmi krátké délky vodičů pro vysokofrekvenční aplikace.

3D A POVRCHOVÁ MONTÁŽ

Při umísťování operačních zesilovačů do pouzder DIP a pasivních součástek s přívodními vodiči musí být na desce s plošnými spoji zajištěny prokovy pro jejich montáž. Takové komponenty se v současnosti používají, když ne speciální požadavky na rozměry desky s plošnými spoji; Obvykle jsou levnější, ale náklady na desku s plošnými spoji se během výrobního procesu zvyšují kvůli vrtání dalších otvorů pro vývody součástek.

Při použití vnějších součástek se navíc zvětšují rozměry desky a délka vodičů, což neumožňuje obvodu pracovat na vysokých frekvencích. Prokovy mají vlastní indukčnost, která také omezuje dynamické charakteristiky obvodu. Proto se režijní komponenty nedoporučují pro implementaci vysokofrekvenčních obvodů nebo pro analogové obvody umístěné v blízkosti vysokorychlostních logických obvodů.

Někteří návrháři, kteří se snaží zkrátit délku vodičů, umístí rezistory svisle. Na první pohled se může zdát, že se tím zkracuje délka trasy. Tím se však zvětší dráha proudu rezistorem a samotný odpor představuje smyčku (závit indukčnosti). Schopnost vysílání a přijímání se mnohonásobně zvyšuje.

Povrchová montáž nevyžaduje otvor pro každý kabel součásti. Při testování obvodu však nastávají problémy a musíte použít prokovy jako kontrolní body, zejména při použití součástek malých rozměrů.

NEPOUŽITÉ SEKCE OP-AMP

Při použití dvou a čtyř operačních zesilovačů v obvodu mohou některé sekce zůstat nevyužité a musí být v tomto případě správně zapojeny. Nesprávné připojení může vést ke zvýšené spotřebě energie, většímu zahřívání a většímu šumu z operačních zesilovačů používaných ve stejném pouzdru. Piny nepoužitých operačních zesilovačů lze zapojit tak, jak je znázorněno na Obr. 20a. Propojení pinů s přídavnými součástkami (obr. 20b) usnadní použití tohoto operačního zesilovače během nastavení.

ZÁVĚR

Pamatujte na následující základní body a mějte je na paměti vždy při navrhování a zapojování analogových obvodů.

Generál:

představte si desku s plošnými spoji jako součást elektrického obvodu;
mít povědomí o zdrojích hluku a rušení a rozumět jim;
model a uspořádání obvodů.

PCB:

používat desky plošných spojů pouze od kvalitní materiál(např. FR-4);
obvody vyrobené na vícevrstvých deskách plošných spojů jsou o 20 dB méně náchylné k vnějšímu rušení než obvody vyrobené na dvouvrstvých deskách;
používat oddělené, nepřekrývající se polygony pro různé oblasti a kanály;
Umístěte zemnící a napájecí polygony na vnitřní vrstvy DPS.

Komponenty:

Uvědomte si frekvenční omezení zaváděná pasivními součástkami a trasováním desky;
snažte se vyhnout vertikálnímu umístění pasivních součástek ve vysokorychlostních obvodech;
Pro vysokofrekvenční obvody použijte součástky určené pro povrchovou montáž;
vodiče by měly být kratší, tím lépe;
pokud je požadována větší délka vodiče, pak zmenšete jeho šířku;
Nepoužité piny aktivních komponent musí být správně zapojeny.

Zapojení:

umístěte analogový obvod do blízkosti napájecího konektoru;
nikdy nesměrujte vodiče přenášející logické signály přes analogovou oblast desky a naopak;
udělejte vodiče vhodné pro invertující vstup operačního zesilovače nakrátko;
ujistěte se, že vodiče invertujícího a neinvertujícího vstupu operačního zesilovače nejsou umístěny paralelně k sobě na velkou vzdálenost;
zkuste se vyhnout používání dalších prokovů, protože... jejich vlastní indukčnost může způsobit další problémy;
neveďte vodiče v pravém úhlu a pokud možno vyhlaďte horní části rohů.

Výměna:

použití správné typy kondenzátory pro potlačení rušení v silových obvodech;
pro potlačení nízkofrekvenčního rušení a šumu použijte tantalové kondenzátory na napájecím vstupním konektoru;
Pro potlačení vysokofrekvenčního rušení a šumu použijte keramické kondenzátory na napájecím vstupním konektoru;
použijte keramické kondenzátory na každém napájecím kolíku mikroobvodu; v případě potřeby použijte několik kondenzátorů pro různé frekvenční rozsahy;
pokud v obvodu dochází k buzení, pak je nutné použít kondenzátory s nižší hodnotou kapacity a ne větší;
v obtížných případech použít v silových obvodech sériově zapojené odpory s nízkým odporem nebo indukčností;
Analogové výkonové oddělovací kondenzátory by měly být připojeny pouze k analogové zemi, nikoli k digitální zemi.

Jak bylo uvedeno výše, obvody jsou různé: digitální část; analogová část; výkonová část; část rozhraní. Všechny tyto části řetězce musí být pokud možno prostorově rozmístěny. Jinak se mohou dít „zázraky“. Pokud tedy například vaše zařízení má touchpad(kapacita je nakreslena měděným substrátem na desce), a vedle něj umístíte pulzní měnič zdroj energie, pak rušení povede k falešným poplachům. Jiný příklad: umístění výkonové části, jako je relé, blízko digitální nebo analogové části může v nejhorším případě poškodit vnitřní části mikrokontroléru, vytvořit potenciál vyšší než 5 voltů na kolíku a poskytnout falešné poplachy (v digitální část) nebo nesprávné odečty (v analogové části), pokud však rozlišení ADC nepřesahuje 10 bitů, není nutné země oddělovat, protože dopad je obvykle minimální).

Tím, že země „odlišíte“, snížíte jejich vzájemný vliv. Čím se při obdělávání půdy řídit?

Maximalizací zemní plochy PCB je minimalizována její indukčnost, což zase vede ke snížení radiace. Navíc se zvětšením plochy zvyšuje odolnost desky plošných spojů proti rušení. Existují dva způsoby, jak zvětšit plochu: zcela vyplnit desku nebo ji vyrobit ve formě mřížky.

Plné zaplnění vám umožní získat nejnižší impedanci - to je „ideální“ zemní systém (síťovina je trochu horší).

Nicméně na prknech velká plocha průběžné plnění hliněnou polygonovou plechovkou. Polygon by měl být umístěn na obou stranách desky co nejrovnoměrněji. Pomocí mřížky musíte ovládat její krok: .

Polygony na vícevrstvých deskách musí být spojeny na několika místech, níže je „Faradayova klec“ v designu desky s plošnými spoji. Tato technika se používá na gigahertzových frekvencích.

Pokud je zem vedena jako jednoduchá trasa, pak se doporučuje vést elektrické vedení na opačné straně desky. V případě vícevrstvé desky jsou zemnící a silové vedení také umístěny na různých vrstvách.

Odpor vodičů závisí také na frekvenci (viz. ). Čím vyšší je frekvence, tím vyšší je odpor stopy/země. Pokud je tedy například při 100 Hz zemní odpor 574 μOhm a signálová stopa (šířka 1 mm, délka 10 mm, tloušťka 35 μm) je 5,74 mOhm, pak při frekvenci 1 Hz budou mít hodnoty 11,6 mOhm a 43,7 Ohm. Jak vidíte, rozdíl je obrovský. Navíc samotná deska začne vyzařovat záření, zejména v oblastech, kde jsou k desce připojeny vodiče.

Podívali jsme se na „země“ z obecného hlediska, ale pokud jde o konkrétní věci, musíme diskutovat o takzvané „signální“ zemi, kde:

A) Jednobodové spojení je z hlediska šumu nežádoucí topologie. Kvůli sériovému zapojení se zvyšuje impedance země, což vede k problémům při vysokých frekvencích. Přijatelný rozsah pro tuto topologii je od 1 Hz do 10 MHz za předpokladu, že nejdelší zemní dráha nepřesáhne 1/20 vlnové délky.

B) vícebodové zapojení má výrazně nižší impedanci - doporučeno v digitálních obvodech a na vysokých frekvencích. Spoje by měly být co nejkratší, aby se minimalizoval odpor. V řetězcích s nízké frekvence Tato topologie není nejlepší volbou. Pokud má deska LF a HF část, pak by HF měla být umístěna blíže k zemi a LF blíže k elektrickému vedení.

C) hybridní zapojení - doporučuje se použít, pokud jsou na jedné desce plošných spojů různé součástky: digitální část, analogová nebo výkonová. Pracují na různých frekvencích a neměly by se míchat pro větší přesnost a stabilitu zařízení.

Příklad rozdělení pozemku:

V našem případě (zhruba řečeno) je pouze jedna část – digitální. Na desce sice budou konektory, ale proudy jimi procházející jsou nepatrné (programátor, UART výstup pro Wi-Fi modul) a neměly by mít vliv na chod zařízení. Navzdory tomu, že taktovací frekvence mikrokontroléru je 24 MHz, všechny periferie, se kterými je připojen, budou pracovat na frekvencích výrazně nižších než 10 MHz (s výjimkou Wi-Fi modulu, který má frekvenci 2,4 GHz). Jinými slovy, naše zařízení může využívat jednobodové připojení, ale i vícebodové systém udělá. Polygon se také doporučuje umístit pod všechny nevyzařující vysokofrekvenční obvody(jako náš mikrokontrolér, ale o tom si povíme později).

Při použití plné výplně na skládku se vyplatí odstranit měď pod Wi-Fi modulem – vyhnete se tak odstínění jejího záření.

Všechny izolované měděné sekce (angl. mrtvá měď) musí být odstraněny, protože na RF začnou vyzařovat a rušit signální vedení. Potenciál v takových oblastech je odlišný od země a je nežádoucí.

Kromě země/polygonu jsou na desce další stopy - signální stopy. Mohou přenášet hodinový signál (například linka SCK čipu MAX7219) nebo přenášet data (UART sleduje RX a TX z Wi-Fi modulu). Jejich zapojení je neméně zodpovědné – je potřeba znát pár pravidel. Za prvé, aby se minimalizovalo rušení z jednoho vodiče do druhého, měla by být mezi nimi zachována vzdálenost.

U hodinových signálů a také u audio, video a resetovacích linek se doporučuje ponechat na stranách alespoň dvě šířky stopy. Ve zvláště kritických případech se snaží vyhnout se křížení s dráhami na opačné straně desky.

Jistě jste již viděli desky plošných spojů různá zařízení- a všimli si, že jim většinou chybí pravé úhly.

Při vysokých frekvencích budou fungovat jako antény, takže při otáčení se uchýlí k úhlům 45 stupňů.

Dříve se desky plošných spojů kreslily ručně, což znamená, že úhly byly libovolné (ne striktně 45 stupňů). Z hlediska EMC je toto rozložení lepší, ale neumožňuje desku podat srozumitelnější formou. V současné době všechny moderní CAD systémy podporují převážně .

Mimo jiné při otočení o 90 stupňů, což znamená ve výkonných obvodech s vysokými proudy, může dojít k přehřátí a vyhoření sekce. V nízkofrekvenčních obvodech není použití spojů ve tvaru T zakázáno, ale ve vysokofrekvenčních obvodech to povede k problémům.

Na druhou stranu je třeba se vyhnout ostrým rohům – to je z technologického hlediska špatně. V takových místech vzniká „stagnace“ chemických činidel a při leptání se část vodiče jednoduše odleptá.

Šířka vodiče musí být mimo jiné konstantní, protože při její změně se trať začne chovat jako anténa. Průchozí otvory se nedoporučují umisťovat na podložku nebo do těsné blízkosti prvku (bez jejich oddělení pájecí maskou), protože to může vést k zatékání pájky a v důsledku toho k defektům při montáži. Nejlepší je zakrýt prokovy pájecí maskou.

Prvky, které jsou připojeny ke skládce, musí být odděleny tepelnou bariérou, která pomáhá zabránit nerovnoměrnému ohřevu místa při pájení.

Mikrokontrolér

Podívali jsme se na základní problémy uspořádání PCB, je čas přejít ke konkrétním věcem, zejména zvážit osvědčené postupy pro zapojení napájecího a zemního vedení mikrokontroléru.

Blokovací kondenzátory musí být umístěny co nejblíže ke svorkám mikrokontroléru tak, aby byly umístěny podél „dráhy“ proudu. Jinak v nich prostě nemá smysl.

Pro jednostranný tisk vypadá šablona takto:

V případě oboustranná deska Je vhodné umístit kondenzátory pod mikrokontrolér, ale při velké dávce a automatické instalaci to způsobí technické potíže. Obvykle se snaží umístit komponenty na jednu stranu.