Smjernice za dizajn PCB-a (Mini-FAQ o PCB rasporedu). Izgled PCB-a i EMC za mikrokontrolere serije MB90

Definicije:

Elektromagnetna kompatibilnost, EMC: sposobnost, tokom rada, da elektromagnetnim zračenjem ne doprinosi pretjerano okolišu. Kada je ovaj uslov ispunjen, sve elektronske komponente ispravno rade zajedno.

Elektromagnetne smetnje, EMI: elektromagnetna energija koja se emituje iz jednog uređaja i koja može pogoršati performanse drugog uređaja.

elektromagnetna imunost, EMPU (elektromagnetna imunost, ili osjetljivost, EMS): tolerancija (otpornost) na efekte elektromagnetne energije.

EMC dizajn: 4 osnovna pravila

Problem s pravilima: što ih više imate, teže ih je slijediti. Prioriteti njihove implementacije su različiti.

Pretpostavimo da, kada kreirate višeslojnu štampanu ploču, trebate usmjeriti signal visoke frekvencije s analogne komponente na digitalnu. Naravno, želite da minimizirate vjerovatnoću problema s elektromagnetnom kompatibilnošću (EMC). Kada pretražujete internet, pronaći ćete tri preporuke koje se čine relevantnim za vašu situaciju:

1. Minimizirajte dužine sabirnice RF signala
2. Odvojite šine za napajanje i uzemljenje između analognog i digitalnog dijela kola
3. Nemojte lomiti uzemljene poligone sa visokofrekventnim provodnicima

Vaša vizija za tri moguća izgleda prikazana je na slici 1.

U prvom slučaju, poravnanja se usmjeravaju direktno između dvije komponente i prizemni poligon ostaje čvrst. U drugom slučaju, u poligonu se formira jaz, a tragovi prolaze preko njega. U trećem slučaju, poravnanja se polažu duž razmaka u poligonu.

U svakom od ova tri slučaja dolazi do kršenja jednog od gore navedenih pravila. Da li su ovi alternativni slučajevi jednako dobri jer zadovoljavaju dva od tri pravila? Jesu li svi loši jer svaki prekrši barem jedno pravilo?

Ovo su pitanja sa kojima se PCB planeri suočavaju svaki dan. Ispravna ili neispravna strategija ožičenja može dovesti do rezultata u kojima će ploča ili ispuniti sve EMC zahtjeve ili će imati problema sa prijemčivom na vanjske signale. U ovom slučaju, izbor bi trebao biti jasan, ali na to ćemo se vratiti kasnije.

Problemi se ublažavaju određivanjem prioriteta preporuka. Smjernice za dizajn su korisne ako se dobro razumiju i ako čine dio ukupne strategije. Kada dizajneri nauče kako odrediti prioritete smjernica i razumjeti kako te smjernice treba koristiti, mogu vješto dizajnirati dobre PCB-e.

Slijede četiri glavna pravila za EMC, zasnovana na općim karakteristikama elektroničkog proizvoda. U mnogim slučajevima, dizajneri PCB-a namjerno krše jedno od ovih pravila u pokušaju da ispune važnija.

Pravilo 1: Minimizirajte putanju struje signala

Ovo jednostavno pravilo se pojavljuje na gotovo svakoj listi EMC preporuka, ali se često ili zanemaruje ili umanjuje u korist drugih preporuka.

Često dizajner PCB-a čak i ne razmišlja o tome gdje teku signalne struje i radije razmišlja o signalima u smislu napona, već bi trebao razmišljati u smislu struje.

Postoje dva aksioma koji bi svaki dizajner PCB-a trebao znati:

- signalne struje se uvijek vraćaju svom izvoru, tj. trenutna putanja je petlja
- signalne struje uvijek koriste stazu sa najnižom impedancijom

Na frekvencijama od nekoliko megaherca i više, putanju struje signala je relativno lako odrediti jer je put s najnižom impedancijom općenito put s najnižom induktivnošću. Na sl. 2 prikazuje dvije komponente na štampanoj ploči. Signal od 50 MHz širi se duž provodnika iznad poligona od komponente A do komponente B.



Znamo da se signal iste veličine mora širiti nazad od komponente B do komponente A. Pretpostavimo da ova struja (nazovimo je povratkom) teče od pina komponente B, označene GND, do pina komponente A, također označene GND .

Budući da je osiguran integritet (kontinuitet) poligona, a pinovi, označeni kao GND, obje komponente nalaze se blizu jedna drugoj, to dovodi do zaključka da će struja proći najkraći put između njih (put 1). Međutim, to nije tačno. Struje visoke frekvencije idu putem najmanje induktivnosti (ili putem s najmanjom površinom petlje, putem najmanjeg zavoja). Većina povratne struje signala teče kroz poligon na uskom putu neposredno ispod signalnog traga (put 2).

Ako je poligon napravljen iz bilo kojeg razloga sa zarezom kao što je prikazano na slici 3, tada će zarez 1 imati mali utjecaj na integritet signala i emisije. Drugi zarez 2 može dovesti do značajnih problema; to je u suprotnosti sa preporukom 2. Površina petlje se značajno povećava; reverzne struje su toliko intenzivne da teku duž granice diskontinuiteta.



Na niskim frekvencijama (obično kHz i ispod), put najmanje impedanse teži da bude put sa najnižom frekvencijom signala. Za štampanu ploču sa čvrstim poligonima povratnih struja, otpor poligona ima tendenciju da rasipa struju tako da se struja koja teče između dve udaljene tačke može proširiti na veću površinu ploče, kao što je prikazano na slici 4.



Na ploči s miješanim signalima, niskofrekventnim analognim i digitalnim komponentama, to može biti problem. Slika 5 ilustruje kako dobro pozicioniran prekid na deponiji može ispraviti ovu situaciju hvatanjem povratnih struja niske frekvencije koje teku kroz deponiju u određenom području.



Pravilo 2: Nemojte eksplodirati povratni poligon

Tako je. Upravo smo vam pokazali odličan primjer u situaciji kada je stvaranje otvorenog kola u struji povratnog signala bilo pravo rješenje. Međutim, kao tipični EMC inženjeri, savjetujemo vam da to nikada ne radite. Zašto? Zato što je veliki dio razvoja dobro shvaćenih ljudi s kojim smo se susreli rezultat nenamjernog kršenja Pravila 1 i stvaranja praznina u povratnim poligonima. Štaviše, jaz je često bio neefikasan i nepotreban.

Vjeruje se da povratna struja analognog signala uvijek treba biti izolirana od povratne struje digitalnog signala. Ova ideja je nastala kada su analogna i digitalna kola radila na kilohercnim frekvencijama. Na primjer, ploče koje su se koristile za digitalno audio snimanje često su imale probleme sa šumom zbog efekata niskofrekventnih struja digitalnog signala ispod područja ploče gdje su se nalazila osjetljiva analogna pojačala. Prije nekog vremena, audio dizajneri su pokušali izbjeći ovaj problem dijeljenjem povratnih struja kako bi kontrolirali povratne puteve i uklanjanjem analognog iz digitalnih kola.

Naši studenti su pozvani da riješe projektni problem koji zahtijeva zaštitu osjetljivih analognih komponenti (obično audio pojačala ili fazno zaključanih generatora) od digitalnog dijela kola dijeljenjem strujnog poligona povratnog signala na način da se LF struje izoluju. a RF struje ne bi stvarale smetnje. Obično nije očigledno kako se to može učiniti, a vrlo često diskontinuiteti poligona stvaraju probleme veće nego što ih rješavaju.

Slična situacija se događa kod usmjeravanja guma za automobilsku ili zrakoplovnu radioelektronsku opremu. U takvoj opremi, povratne struje digitalnog kola su često izolovane od zajedničkog kućišta kako bi se digitalna kola zaštitila od oštećenja usled visokih NF struja koje mogu teći kroz metalnu strukturu vozila. EMI filtriranje i zaštita od tranzijenta obično zahtijevaju uzemljenje, dok se signal mora prenositi u odnosu na digitalnu povratnu magistralu.

Kada mrežna struja šasije i digitalna povratna struja dijele istu magistralu, one se pojavljuju kao jedan prekinuti poligon. Ovo ponekad stvara zabunu na koje uzemljenje treba spojiti bilo koju komponentu. U ovoj situaciji, obično je dobra ideja povezati sabirnicu šasije i digitalni povratak na odvojene sabirnice. Poligon digitalnog povratka mora biti čvrst i pokrivati ​​područje ispod svih digitalnih komponenti, tragova i konektora. Veza sa šasijom treba biti ograničena na područje ploče u blizini konektora.

Bez sumnje, postoje situacije u kojima je potreban dobro lociran prekid u opsegu povratne struje. Međutim, najpouzdanija metoda je jedan čvrsti poligon za sve struje povratnog signala. U slučajevima kada je odvojeni niskofrekventni signal podložan smetnjama (sposoban da se miješa sa drugim signalima ploče), praćenje na posebnom sloju se koristi da se ova struja vrati izvoru. Općenito, nikada ne koristite cijepanje ili kliping u poligonu struje povratnog signala. Ako ste i dalje uvjereni da je izrez u poligonu neophodan za rješavanje problema niskofrekventnog razdvajanja, obratite se stručnjaku. Nemojte se oslanjati na preporuke za dizajn ili aplikacije i ne pokušavajte implementirati sklop koji je radio za nekog drugog u sličnom dizajnu.

Sada kada smo upoznati sa dva glavna pravila za EMC, spremni smo da preispitamo problem na Sl. 1. Koja alternativa je najbolja? Prvi je jedini koji nije u suprotnosti sa pravilima. Ako je iz nekog razloga (izvan želje dizajna) bio potreban prekid u zemljanoj deponiji, tada je treća opcija rasporeda prihvatljivija. Praćenje duž prekida minimizira područje strujne petlje signala.

Pravilo 3. Ne postavljajte kola velike brzine između konektora

Ovo je jedan od najčešćih dizajna ploča koje smo pregledali i ocijenili u našoj laboratoriji. U jednostavnim pločama, koje su trebale da ispune sve EMC zahtjeve bez ikakvih dodatnih troškova i truda, dobra zaštita i filtriranje su negirani jer je ovo jednostavno pravilo prekršeno.

Zašto je postavljanje konektora toliko važno? Na frekvencijama ispod nekoliko stotina megaherca, talasna dužina je reda veličine metar ili više. Provodnici na ploči - moguće antene - imaju relativno kratku električnu dužinu i stoga ne rade efikasno. Međutim, kablovi ili drugi uređaji povezani na ploču mogu biti prilično efikasne antene.

Signalne struje koje teku kroz provodnike i vraćaju se kroz čvrste poligone stvaraju male padove napona između bilo koje dvije tačke u poligonu. Ovi naponi su proporcionalni struji koja teče kroz poligon. Kada se svi konektori nalaze na jednoj ivici ploče, pad napona je zanemarljiv.

Međutim, elementi kola velike brzine postavljeni između konektora mogu lako stvoriti potencijalne razlike između konektora do nekoliko milivolti ili više. Ovi naponi mogu inducirati struje polja na povezanim kablovima, povećavajući njihovo zračenje.

Ploča koja ispunjava sve specifikacije sa konektorima na jednoj ivici može postati noćna mora EMC inženjera ako se barem jedan konektor sa kablom nalazi na suprotnoj strani ploče. Posebno je teško popraviti proizvode koji imaju ovu vrstu problema (kablovi koji nose napone inducirane preko integralnog poligona). Ovo često zahtijeva dovoljno dobru zaštitu. U mnogim slučajevima, ova zaštita uopće ne bi bila potrebna da su konektori smješteni na jednoj strani ili u kutu ploče.

Pravilo 4. Vrijeme prijelaza kontrolnog signala

Ploča koja radi na 100 MHz nikada ne bi trebala biti usklađena kada radi na 2 GHz. Dobro formiran digitalni signal će imati veću snagu na nižim harmonicima i ne mnogo snage na višim harmonicima. Kontrolom prolaznog vremena signala, moguće je kontrolisati jačinu signala na višim harmonicima, što je poželjno za EMC. Prekomjerno vrijeme prijelaza može dovesti do integriteta signala i termalnih problema. U procesu razvoja i dizajna, mora se postići kompromis između ovih konkurentskih preduslova. Prolazno vrijeme od približno 20% perioda signala rezultira prihvatljivim valnim oblikom, smanjujući preslušavanje i probleme sa zračenjem. Ovisno o primjeni, vrijeme prijelaza može biti više ili manje od 20% perioda signala; međutim, ovo vrijeme ne bi trebalo biti van kontrole.

Postoje tri glavna načina za promjenu rubova digitalnih signala:
- korištenje digitalnih mikro krugova serije, čija se brzina poklapa sa potrebnom brzinom,
- postavljanje otpornika ili induktora na ferit u seriju sa izlaznim signalom, i
- postavljanje kondenzatora paralelno sa izlaznim signalom

Prva metoda je često najjednostavnija i najefikasnija. Upotreba otpornika ili ferita daje dizajneru veću kontrolu nad tranzijentom i manji utjecaj na promjene koje se dešavaju u logičkim porodicama tokom vremena. Prednost korištenja kondenzatora za kontrolu je u tome što se može lako ukloniti ako nije potreban. Međutim, treba imati na umu da kondenzatori povećavaju struju izvora RF signala.

Imajte na umu da je uvijek loša ideja pokušati filtrirati jednožični signal na povratnoj strujnoj putanji. Na primjer, nikada nemojte usmjeravati niskofrekventni trag preko prekida u povratnom poligonu u pokušaju da filtrirate visokofrekventnu buku. Nakon što pogledamo prva dva pravila, trebalo bi da bude očigledno. Međutim, ploče koje koriste ovu pogrešnu strategiju ponekad se nalaze u našoj laboratoriji.

Uopšteno govoreći, tokom dizajna i izgleda ploče, potrebno je dati prioritet poštovanju EMC pravila. Ova pravila ne bi trebala biti ugrožena kada pokušavate slijediti druge EMC smjernice. Međutim, postoji nekoliko dodatnih preporuka vrijednih pažnje. Na primjer, važno je obezbijediti adekvatno razdvajanje sabirnice napajanja, držati I/O žice kratke i filtrirati izlazne signale.

Također je dobra ideja pažljivo odabrati svoje aktivne uređaje. Nisu sve poluprovodničke komponente kompatibilne sa pinovima ekvivalentne u smislu buke. Dva uređaja sa istim tehničkim parametrima, ali različitih proizvođača, mogu se značajno razlikovati po buci koju stvaraju na ulaznim i izlaznim pinovima, kao i na pinovima napajanja. Ovo posebno važi za visoko integrisana mikro kola kao što su mikroprocesori i velika specijalizovana integrisana kola (ASIC). Dobra je ideja procijeniti komponente različitih proizvođača kad god je to moguće.

Na kraju, ponovo pogledajte svoj dizajn. Čak i ako ste iskusni PCB planer i stručnjak za EMC, dobro je imati nekoga ko je upućen u EMC analizu i upoznat sa dizajnom PCB-a. Neka kritički pregleda vaš dizajn.

Čijem savjetu možete vjerovati? Vjerujte svakome čiji savjet vam jasno pomaže da ispunite četiri glavna pravila. Malo dodatne pažnje tokom dizajna može uštedjeti mnogo vremena, novca i truda koji bi bili potrošeni pokušavajući da natjerate izdržljiv proizvod da radi kako treba.

Prijevod članka:
dr. Todd Hubing, dr. Tom van Doren
Dizajniranje za EMC: NAJBOLJE 4 SMJERNICE
Dizajn i proizvodnja štampanih kola, jun 2003

dr. Todd Hubing, uvaženi profesor elektrotehnike i računarstva, dva puta nagrađen nagradom „Najbolje publikacije simpozijuma“ Međunarodnog simpozijuma Instituta elektrotehničkih i elektronskih inženjera.

dr. Tom Van Doren, profesor elektrotehnike i računarstva u Laboratoriji za elektromagnetnu kompatibilnost Univerziteta Missouri-Roll.

Marže potrošačke elektronike su niske, a proizvođači pokušavaju zadržati niske troškove proizvoda kako bi ostali konkurentni. Iz tog razloga zahtijevaju od programera da koriste jeftine štampane ploče (PCB) i komponente uz održavanje željene funkcionalnosti uređaja. Proizvođači vjeruju da je osiguravanje elektromagnetne kompatibilnosti (EMC) u dizajnu PCB-a i korištenje komponenti visoke EMC luksuz koji si ne mogu priuštiti.

Mnogi vjeruju da se EMC problemi mogu riješiti na kraju razvojnog ciklusa s dodatnim komponentama za suzbijanje EMI. Nije uvijek očito da će cijena takvih korekcija u završnim fazama razvoja biti višestruko veća od troška osiguranja elektromagnetske kompatibilnosti u početnim fazama dizajna prilikom kreiranja PCB-a. Dakle, želja za smanjenjem cijene materijala i komponenti zapravo će dovesti do značajnog povećanja cijene proizvoda.

Dizajniranje PCB-a sa niskim nivoom buke i minimalnom osjetljivošću na smetnje zahtijeva, prvo, pravilno uzemljenje, a drugo, ispravan raspored PCB-a. Za svaki senzor poželjno je imati minimalnu impedanciju uzemljenja kako bi se osigurao efikasan protok struje u slučaju smetnji. S druge strane, pravilan raspored je preduslov za stvaranje dobrog PCB-a. Ispravno usmjeravanje ne samo da smanjuje impedanciju provodnika, već i izbjegava uobičajeno spajanje impedancije.

PCB visoke frekvencije: digitalna kola i šumovi

Digitalna integrirana kola (IC) koja sadrže logičke kapije su izvor impulsnog šuma zbog kašnjenja u isključivanju tranzistora. Svaki put kada logička kapija promijeni stanje, kratki prolazni impuls protiče kroz komplementarne tranzistore izlaznog stupnja. Induktivnost puteva uzemljenja sprečava nagle fluktuacije struje, što dovodi do prenapona.

Da bi se smanjili efekti takvih smetnji, sva digitalna kola moraju imati minimalnu impedanciju uzemljenja. Osim toga, komponenta za razdvajanje mora biti instalirana blizu svake logičke IC-e kako bi se osiguralo da se put udarne struje ne širi do Vcc napajanja.

Impedancija uzemljenja može se smanjiti na nekoliko načina: smanjenjem induktivnosti provodne staze, smanjenjem površine strujnih petlji i smanjenjem dužine staza kroz koje struja teče. Ovo se može postići dijelom razdvajanjem komponenti smještenih u blizini svakog logičkog čipa.

Smanjenje induktivnosti provodnika uzemljenja

Induktivnost provodnika je direktno proporcionalna njegovoj dužini. Stoga je potrebno smanjiti dužinu kolosijeka duž kojih teku impulsne struje. Dodatno smanjenje induktivnosti moguće je povećanjem širine staza napajanja. Nažalost, induktivnost je obrnuto proporcionalna širini staze, a ovaj pristup nije baš efikasan. Kao rezultat toga, dužina staza je najvažniji faktor u smislu osiguravanja minimalne induktivnosti.

Ako zanemarimo međusobnu induktivnost, onda će ekvivalentna induktivnost dva identična paralelna kolosijeka biti dvostruko manja. U slučaju četiri paralelna kolosijeka, ekvivalentna induktivnost će biti četiri puta manja. Međutim, postoji ograničenje za ovaj pristup. Činjenica je da ako su staze blizu jedna drugoj, tada se međusobna induktivnost približava vlastitoj induktivnosti, a ekvivalentna induktivnost se ne smanjuje. Međutim, ako su staze razmaknute dvostruko od njihove širine, tada se može postići smanjenje induktivnosti za 25%.

Dakle, u visokofrekventnom kolu treba obezbijediti što više alternativnih paralelnih puteva za struje zemlje. Ako se broj provodnika beskonačno poveća, onda ćemo na kraju doći do sloja čvrste zemlje. Upotreba zasebne uzemljene ploče u višeslojnim pločama omogućava rješavanje velikog broja problema odjednom.

Ako govorimo o dvoslojnoj ploči, onda se prihvatljiv rezultat može postići realizacijom zemlje u obliku mreže (slika 1). U ovom slučaju, najbolja opcija bi bila kada se uzemljiva staza proteže ispod svakog mikrokola cijelom dužinom. Dozvoljeno je koristiti vertikalni razmak mreže jednak dužini IC-a. Vertikalne i horizontalne trake mogu biti na suprotnim stranama ploče, ali moraju biti povezane u mrežastim tačkama pomoću vias.

Rice. 1. Zemlja je napravljena u obliku mreže

Ispostavilo se da ako se u konvencionalnoj dvostranoj štampanoj ploči s 15 mikro krugova uzemljenje napravi u obliku mreže, tada se buka uzemljenja smanjuje deset puta. Stoga svi dvoslojni PCB-i sa digitalnim IC-ima moraju koristiti ovo rješenje.

Smanjenje površine strujnih petlji

Druga metoda smanjenja induktivnosti je smanjenje površine strujnih puteva. Štampana ploča sa velikom otvorenom petljom (slika 2a) je efikasan generator buke. Osim toga, sam krug će također biti osjetljiv na vanjska magnetna polja.

Razmislite o strujnoj petlji sastavljenoj od dva identična paralelna kolosijeka — Vcc dovodna staza i GND staza — u kojoj struje teku u suprotnim smjerovima. Njihova ukupna induktivnost (Lt) izračunava se po formuli 1:

Lt = 2 (D - M) (1)

gdje je L induktivnost svake staze, a M međusobna induktivnost.

Postavljanjem Vcc i uzemljenja staza blizu jedan drugom, međusobna induktivnost će biti maksimizirana, a efektivna induktivnost će se skoro prepoloviti. U idealnom slučaju, na PCB-u, Vcc staza treba da ide paralelno sa uzemljenjem. Ovo smanjuje površinu strujne petlje i pomaže u rješavanju problema povezanih s stvaranjem buke i osjetljivošću na smetnje.

Na sl. 2a prikazuje neuspješan raspored PCB-a, a sl. 2b prikazuje poboljšanu verziju. U njemu je smanjenjem površine petlje bilo moguće skratiti dužinu staze i povećati međusobnu induktivnost, što je omogućilo smanjenje emisije i osjetljivosti na smetnje.

Razdvojni kondenzatori

Na sl. 3a, Vcc i zemaljski put su blizu jedan drugom. Međutim, put impulsne struje, koji počinje i završava na izvoru napajanja, formira veliku petlju (zeleno područje na slici) koja može generirati elektromagnetne smetnje. Ako je keramički kondenzator za razdvajanje Cc postavljen pored svakog IC-a, povezan između Vcc i uzemljenja, on djeluje kao baferski element koji osigurava napajanje IC-u tokom vremena uključivanja, čime se smanjuje protok struje.

Rice. 3. Decoupling kondenzator

U idealnom slučaju, kondenzator za razdvajanje treba da ima kapacitet od oko 1 nF. Trebalo bi koristiti keramičke kondenzatore jer su u stanju da isporuče napunjenost vrlo velikom brzinom. Visoka struja pražnjenja i niska samoinduktivnost čine ih idealnim za odvajanje snage.

Impedansna sprega u štampanim pločama

Na sl. 4 prikazuje primjer spajanja impedancije pomoću zajedničkih šina za napajanje i uzemljenje. U ovom kolu, analogno pojačalo dijeli šine snage i uzemljenja pomoću logičke kapije. Impedancije staza su prikazane kao zbirni elementi (Zg i Zs). Na višim frekvencijama, impedanse staza se višestruko povećavaju. To nije samo zbog povećanja induktivne komponente, već i zbog povećanja otpora uzrokovanog skin efektom.

Rice. 4. Opća sprega impedancije

Kao što smo ranije vidjeli, do prenapona dolazi svaki put kada se logička kapija prebaci. Dio impedanse uzemljenja (Zg3) je zajednički i za pojačalo i za logičku kapiju, tako da će pojačalo vidjeti ovaj naponski impuls kao šum u strujnom kolu. Ovaj šum se može prenijeti u krug pojačala ili direktno preko ulaza za napajanje ili preko zajedničke impedanse Zg3. Kao rezultat toga, šum će se pojaviti direktno na ulazu pojačala. Da biste smanjili spregu ukupne impedancije, ili smanjite ukupnu impedanciju ili je se potpuno riješite.

Eliminacija zajedničke impedanse

Uobičajena impedansa se može eliminisati korištenjem izvora napajanja spojenog zvijezdom iz različitih kola, kao što je prikazano na slici 5. Da bi se to postiglo, kola se moraju grupisati u skladu s njihovim pragom buke i njihovoj osjetljivosti na smetnje. Unutar svake grupe mogu se koristiti zajedničke sabirnice, ali su dalekovodi pojedinih grupa povezani u jednoj tački. Takva veza se naziva hibridna. Drugi pristup je korištenje odvojenih izvora napajanja za svaku grupu kola, što dodatno poboljšava izolaciju između kola.

Rice. 5. Veza u jednom trenutku

U ovom dijelu razmatramo kako izbjeći izobličenje digitalnog signala povezanog s njegovim prijenosom duž vodiča na štampanoj ploči. Uprkos činjenici da je ovo prvenstveno zadatak inženjera kola, dizajner štampane ploče je takođe često kriv za probleme sa prenosom signala kroz ploču, kao i za šum i preslušavanje koji se javljaju na ploči.

Zašto je signal izobličen tokom prenosa?
Prije svega, izobličenje je svojstveno visokofrekventnim signalima s frekvencijom od 1 GHz ili više. To je zbog efekata rezonancija i refleksija na pojedinim segmentima provodnika, prolaza, grana na ploči, kao i na ulazima prijemnika. Međutim, problem je što signali frekvencije do 500 MHz, tipične za standardna digitalna kola, kao što ćemo vidjeti u nastavku, često mogu biti značajno izobličeni, što znači da se mogu pripisati i visokofrekventnim.

Koja je ideja iza prijenosa bez izobličenja?
Princip prenosa signala bez izobličenja je da je provodnik projektovan kao dalekovod (ili "duga linija") sa zadatom karakterističnom (karakterističnom) impedansom, tj. impedansa Z 0, ista od izvora do prijemnika signala, čime se osigurava ujednačenost linije. Drugi zahtjev je konzistentnost linije sa izvorom i prijemnikom signala. Za razliku od konvencionalnog provodnika, takav dalekovod ne dovodi do rezonancije, izobličenja ili refleksije u prijenosu signala, bez obzira koliko je dugačak. Daljinski vodovi se lako mogu implementirati na štampanu ploču korišćenjem materijala sa poznatim parametrima i obezbeđivanjem potrebnih dimenzija elemenata štampanog uzorka. Razlikuju se serijski i paralelni završetak linije; u tom slučaju je potrebno koristiti određene završne otpornike na izlazu izvora i/ili ulazu prijemnika signala. Prenosni vodovi formirani na ploči mogu se naravno proširiti van ploče pomoću konektora i kablova sa kontrolisanom karakterističnom impedancijom Z 0.

Za koje signale izobličenje postaje značajno?
Poređenjem dužine provodnika na ploči sa talasnom dužinom koju ima najviša frekventna komponenta emitovanog signala (prilikom širenja, na primer, u materijalu FR4), moguće je odrediti električnu dužinu provodnika tzv. . Električna dužina se može izraziti u dijelovima minimalne valne dužine ili u dijelovima njene inverzne vrijednosti - trajanja fronta. Ako je vodič predugačak u električnoj dužini, dizajnirajte ga kao prijenosnu liniju kako biste spriječili prekomjerno izobličenje signala. Imajte na umu da prilikom prijenosa visokofrekventnih signala, dalekovode treba koristiti ne samo za smanjenje izobličenja, već i za smanjenje nivoa elektromagnetnog zračenja (EMP).

Pola prednjeg pravila
Grubo pravilo je da je provodnik "električno dug" (ono što elektrotehnika naziva "duga linija") ako vrijeme putovanja prednje ivice signala od izvora do najudaljenijeg prijemnika prelazi polovinu trajanja prednje ivice signala. U ovom slučaju refleksije linija mogu značajno izobličiti front signala. Pretpostavimo da uređaj sadrži mikro kola sa vremenom porasta od 2 ns (na primjer, prema dokumentaciji za seriju FastTTL). Dielektrična konstanta PCB materijala (FR4) na visokim frekvencijama je blizu 4,0, što daje prednju brzinu od oko 50% brzine svjetlosti, odnosno 1,5,10 8 m/s. Ovo odgovara vremenu širenja fronta od 6,7 ps/mm. Sa takvom brzinom, front će preći oko 300 mm za 2 ns. Iz ovoga možemo zaključiti da za takve signale treba koristiti "prenosne vodove" samo ako je dužina provodnika veća od polovine zadate udaljenosti - odnosno 150 mm.

Nažalost, ovo nije tačan odgovor. Pravilo pola porasta je previše pojednostavljeno i može biti problematično ako se ne uzme u obzir.

Pitanja pojednostavljenog pristupa
Podaci o vremenu porasta, dati u dokumentaciji za mikro kola, odražavaju maksimalnu vrijednost, a često je stvarno vrijeme uključivanja mnogo manje (recimo, može biti 3-4 puta manje od "maksimalnog", a teško da može biti garantovano da se neće razlikovati od serije do serije mikrokola). Štaviše, nezaobilazna kapacitivna komponenta opterećenja (od IC-a povezanih na liniju) smanjuje brzinu širenja signala u poređenju sa izračunatom brzinom koja se može postići na praznoj PCB-u. Stoga, da bi se postigao adekvatan integritet odašiljanog signala, dalekovode treba koristiti za mnogo kraće provodnike nego što sugerira prethodno opisano pravilo. Može se pokazati da je za signale sa vremenom porasta (prema dokumentaciji) od 2 ns preporučljivo koristiti dalekovode već za provodnike čija dužina prelazi samo 30 mm (a ponekad i manje)! Ovo posebno vrijedi za signale koji imaju funkciju sinkronizacije ili gejtinga. Upravo te signale karakteriziraju problemi povezani s "lažnim pozitivnim rezultatima", "preračunavanjem", "popravljanjem netočnih podataka" i drugim.

Kako projektirati dalekovode?
Postoje mnoge publikacije posvećene tome koje vrste dalekovoda mogu biti, kako ih dizajnirati na štampanoj ploči, kako provjeriti njihove parametre. Konkretno, standard IEC 1188-1-2: 1988 daje detaljne preporuke u tom pogledu. Dostupni su i mnogi softverski proizvodi koji će vam pomoći da odaberete dizajn dalekovoda i strukturu štampane ploče. Većina modernih PCB sistema za projektovanje dolazi sa ugrađenim softverom koji omogućava dizajneru da dizajnira dalekovode prema navedenim parametrima. Primjeri uključuju programe kao što su AppCAD, CITS25, TXLine. Najpotpunije mogućnosti pružaju softverski proizvodi Polar Instruments.

Primjeri dalekovoda
Kao primjere, razmotrite najjednostavnije vrste dalekovoda.

Kako projektirati dalekovod na najbolji način?
Najveća brzina (ili najkritičniji) signali bi trebali biti u slojevima koji su u blizini uzemljenja (GND), po mogućnosti onaj koji je uparen sa planom napajanja za razdvajanje. Manje kritični signali mogu se usmjeriti na planove obroka ako su ovi planovi adekvatno odvojeni i nisu previše bučni. Svaki takav plan napajanja mora biti povezan s mikrokolo kojim se ili na koje se ovaj signal dovodi. Najbolju otpornost na buku i elektromagnetnu kompatibilnost pružaju trakaste linije između dva GND plana, svaki uparen sa različitim planom napajanja za razdvajanje.
Dalekovod ne bi trebao imati rupe, lomove ili rascjepe u bilo kojoj od referentnih ravnina u odnosu na koje je povučen, jer to dovodi do značajnih promjena u Z 0. Štaviše, trakasta linija treba da bude što je moguće dalje od bilo kakvih prekida u planu ili od ivice referentne ravni, a ovo rastojanje ne bi trebalo da bude manje od deset puta širine provodnika. Susjedne dalekovode treba razdvojiti za najmanje tri širine provodnika kako bi se eliminisalo preslušavanje. Veoma kritični ili „agresivni“ signali (kao što je komunikacija sa radio antenom) mogu imati koristi od EMC-a korišćenjem simetrične linije sa dva reda blisko raspoređenih prolaza koji ga blokiraju od drugih provodnika i stvaraju koaksijalnu strukturu u PCB-u. Međutim, za takve strukture, proračun Z 0 se izvodi pomoću različitih formula.

Kako možete smanjiti troškove projekta?
Gore opisani tipovi dalekovoda gotovo uvijek zahtijevaju upotrebu višeslojne ploče, stoga možda neće biti primjenjivi za stvaranje masovnih proizvoda niže cjenovne kategorije (iako je za velike količine 4-slojnih tiskanih ploča samo 20-30 % skuplji od dvostranog). Međutim, za jeftine dizajne koriste se i vrste linija kao što su uravnotežene (ujednačene) ili koplanarne, koje se mogu dizajnirati na jednoslojnoj ploči. Treba imati na umu da jednoslojni tipovi dalekovoda zauzimaju nekoliko puta više površine na ploči od mikrotrakastih i trakastih vodova. Osim toga, ušteda na cijeni PCB-a znači da plaćate više za dodatnu zaštitu i filtriranje buke. Postoji opšte pravilo da rešavanje EMC problema na nivou pakovanja proizvoda košta 10 do 100 puta više od rešavanja istog problema na nivou PCB-a.
Stoga, dok smanjujete svoj razvojni budžet smanjenjem broja slojeva PCB-a, budite spremni potrošiti dodatno vrijeme i novac na naručivanje višestrukih iteracija uzoraka PCB-a kako biste osigurali potreban nivo integriteta signala i EMC-a.

Kako ublažiti negativan učinak promjene slojeva?
Prema tipičnim pravilima ožičenja, postoji najmanje jedan kondenzator za razdvajanje u blizini svakog mikrokola, tako da možemo promijeniti sloj u blizini mikrokola. Međutim, treba uzeti u obzir ukupnu dužinu segmenata koji se ne nalaze u sloju "pruga". Grubo pravilo je da ukupna električna dužina ovih segmenata ne bi trebalo da prelazi jednu osminu vremena porasta. Ako na bilo kojem od ovih segmenata može doći do prevelike promjene u Z 0 (na primjer, kada se koriste ZIF utičnice ili druge vrste utičnica za mikro krugove), bolje je nastojati minimizirati ovu dužinu na jednu desetinu prednjeg vremena. Koristite gornje pravilo da odredite maksimalnu dozvoljenu ukupnu dužinu nestandardizovanih segmenata i pokušajte da je minimizirate unutar ovih granica što je više moguće.
Na osnovu toga, za signale s vremenom porasta (prema dokumentaciji) od 2 ns, moramo mijenjati sloj ne dalje od 10 mm od centra mikrokola ili od centra podudarnog otpornika. Ovo pravilo je razvijeno uzimajući u obzir 4-struku marginu zbog činjenice da stvarno vrijeme prebacivanja može biti znatno manje od maksimalnog prema dokumentaciji. Na otprilike istoj udaljenosti (ne više) od mjesta promjene sloja, trebao bi postojati barem jedan kondenzator za razdvajanje koji povezuje odgovarajuće tlo i planove napajanja. Takve male udaljenosti je teško postići s velikim IC-ovima, tako da postoje neki kompromisi u ožičenju modernih brzih kola. Međutim, ovo pravilo opravdava činjenicu da se mikro krugovi male veličine preferiraju u krugovima velike brzine i objašnjava činjenicu brzog razvoja BGA i flip-chip tehnologija, koje minimiziraju put signala od vodiča na ploči do mikro kola. čip.

Modeliranje i testiranje prototipova
Zbog brojnih opcija za mikro krugove i još više opcija za njihovu upotrebu, neki inženjeri će možda smatrati da ova praktična pravila nisu dovoljno točna, a drugi će ih smatrati pretjeranima, ali ovo je uloga "pravila od palca" - to je samo gruba aproksimacija koja omogućava intuitivan dizajn uređaja koji ispravno rade.
Sada sredstva kompjuterskog modeliranja postaju sve dostupnija i naprednija. Oni omogućavaju proračun integriteta signala, EMC parametara, ovisno o stvarnoj strukturi sloja i rutiranju signala. Naravno, njihova primjena će dati preciznije rezultate od naših grubih aproksimacija, pa preporučujemo korištenje kompjuterskih simulacija što je potpunije. Međutim, ne zaboravite da stvarna vremena uključivanja mikro krugova mogu biti znatno kraća nego što je navedeno u dokumentaciji, a to može dovesti do pogrešnih rezultata, pa se pobrinite da model izlaznih i ulaznih stupnjeva odgovara stvarnosti.
Sljedeći korak je testiranje prolaska kritičnog signala na prvoj "prototipnoj" štampanoj ploči pomoću visokofrekventnog osciloskopa. Uvjerite se da talasni oblik nije izobličen dok putuje preko PCB-a cijelom dužinom provodnika, a malo je vjerovatno da će samo pridržavanje gornjih pravila dati odličan rezultat prvi put, iako može biti prilično dobar. Upotreba RF analizatora elektromagnetnog polja ili analizatora spektra može biti još jedan način da se istraži integritet signala i problemi EMC na nivou „prototipa“ PCB-a. Tehnike za takvu analizu nisu predmet ovog članka.
Čak i ako koristite složene simulacije kola, nemojte zanemariti integritet signala i EMC provjere na prvim prototipovima PCB-a.

Pružanje valnih impedancija u fazi proizvodnje PCB-a
Tipični PCB materijal FR4 ima dielektričnu konstantu (E r) od oko 3,8 ... 4,2 po GHz. Stvarne vrijednosti E r mogu varirati unutar ± 25%. Postoje materijali tipa FR4 za koje je vrijednost E r standardizirana i garantovana od strane dobavljača, i nisu mnogo skuplji od konvencionalnih materijala, ali proizvođači PCB-a nisu u obavezi da koriste “standardizirane” tipove FR4 osim ako nije izričito navedeno u narudžbi za PCB.
Proizvođači PCB-a rade sa standardnim debljinama dielektrika („prepregovi“ i „laminati“), a njihova debljina u svakom sloju mora se odrediti prije početka proizvodnje, uzimajući u obzir tolerancije debljine (oko ± 10%). Da biste dobili dati Z 0, za određenu debljinu dielektrika, možete odabrati odgovarajuću širinu vodiča. Za neke proizvođače potrebno je navesti stvarnu potrebnu širinu vodiča, za druge - s marginom za podrezivanje, koja može doseći 25-50 mikrona u odnosu na nominalnu širinu. Najbolja opcija je da se proizvođaču naznači koja je širina vodiča u kojim slojevima dizajnirana da osigura specificirani Z 0. U tom slučaju, proizvođač može podesiti širinu provodnika i strukturu sloja kako bi osigurao navedene parametre u skladu sa svojom tehnologijom proizvodnje. Osim toga, proizvođač mjeri stvarnu karakterističnu impedanciju na svakom tvorničkom blanku i odbija ploče na kojima Z 0 ne spada u toleranciju od ± 10% ili preciznije.
Za signale iznad 1 GHz, možda će biti potrebno koristiti materijale veće frekvencije sa boljom stabilnošću i drugim dielektričnim parametrima (kao što je Rogersov Duroid, itd.).

Književnost
1. Tehnike dizajna za EMC i integritet signala, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Štampane ploče i štampane ploče - Dizajn i upotreba. Dio 1-2: Generički zahtjevi - Kontrolisana impedansa, www.iec.ch.
3. Projektovanje višeslojnih štampanih ploča visoke složenosti. Seminar PCB tehnologija, 2006.
4.http: //library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Dizajn hardvera. Walt Kester.

OPĆA RAZMATRANJA

Zbog značajnih razlika između analognog i digitalnog sklopa, analogni dio kola se mora odvojiti od ostalih, a prilikom ožičenja moraju se poštovati posebne metode i pravila. Efekti zbog nesavršenih karakteristika štampanih ploča postaju posebno uočljivi u visokofrekventnim analognim kolima, ali opšte greške opisane u ovom članku mogu uticati na karakteristike kvaliteta uređaja koji rade čak i u opsegu audio frekvencija.

Namjera ovog članka je da prodiskutuje uobičajene greške dizajnera PCB-a, opiše uticaj ovih grešaka na performanse i pruži preporuke za rješavanje problema.

Štampana ploča - shematska komponenta

Samo u rijetkim prilikama se analogna ploča može usmjeriti tako da efekti koje ona uvodi nemaju nikakav utjecaj na performanse kola. U isto vrijeme, svaki takav utjecaj se može minimizirati tako da karakteristike analognog kola uređaja budu iste kao kod modela i prototipa.

Izgled

Dizajneri digitalnih kola mogu ispraviti male greške na proizvedenoj ploči tako što će je dopuniti kratkospojnicima ili, obrnuto, ukloniti nepotrebne vodiče, napraviti promjene u radu programabilnih mikro krugova, itd., Prelazeći vrlo brzo na sljedeći razvoj. Ovo nije slučaj za analogno kolo. Neke od uobičajenih grešaka o kojima se govori u ovom članku ne mogu se ispraviti dodavanjem kratkospojnika ili uklanjanjem viška žica. Oni mogu i učiniće čitavu štampanu ploču neupotrebljivom.

Veoma je važno za dizajnera digitalnih kola koji koristi takve metode korekcije da pročita i razume materijal predstavljen u ovom članku mnogo unapred, pre nego što projekat podnese u proizvodnju. Malo pažnje tokom dizajna i diskusije o mogućim opcijama ne samo da će spriječiti recikliranje PCB-a, već će i smanjiti troškove zbog grešaka u malom analognom dijelu kola. Pronalaženje grešaka i njihovo popravljanje može dovesti do gubitaka stotina sati. Izrada prototipa može smanjiti ovo vrijeme na jedan dan ili manje. Modelirajte sva svoja analogna kola.

Izvori buke i smetnji

Buka i smetnje su glavni elementi koji ograničavaju performanse kola. Smetnje mogu emitovati izvori ili biti usmjerene na elemente kola. Analogna kola se često nalaze na štampanoj ploči zajedno sa digitalnim komponentama velike brzine, uključujući digitalne procesore signala ( DSP).

Logički signali visoke frekvencije generiraju značajne RFI ( RFI). Broj izvora emisije buke je ogroman: ključna napajanja za digitalne sisteme, mobilne telefone, radio i televiziju, fluorescentne lampe, personalne računare, munjevita pražnjenja itd. Čak i kada analogno kolo radi u opsegu audio frekvencija, RFI može stvoriti primjetan šum u izlaznom signalu.

Izbor dizajna PCB-a je važan faktor u određivanju mehaničkih performansi uređaja u cjelini. Za izradu štampanih ploča koriste se materijali različitih nivoa kvaliteta. Za programera će biti najprikladnije i najprikladnije ako je proizvođač PCB-a u blizini. U ovom slučaju, lako je kontrolisati otpornost i dielektričnu konstantu - glavne parametre PCB materijala. Nažalost, to nije dovoljno, a često je potrebno poznavanje drugih parametara, kao što su zapaljivost, visokotemperaturna stabilnost i koeficijent higroskopnosti. Ove parametre može znati samo proizvođač komponenti koje se koriste u proizvodnji štampanih ploča.

Laminirani materijali su označeni indeksom FR ( otporan na plamen, otporan na plamen) i G. Materijal sa indeksom FR-1 ima najveću zapaljivost, a FR-5 - najmanju. Materijali sa indeksima G10 i G11 imaju posebne karakteristike. Materijali štampanih ploča dati su u tabeli. jedan.

Nemojte koristiti PCB kategoriju FR-1. Mnogo je primjera upotrebe FR-1 PCB-a koji imaju termička oštećenja od komponenti velike snage. PCB-ovi u ovoj kategoriji su više poput kartona.

FR-4 se često koristi u proizvodnji industrijske opreme, dok se FR-2 koristi u proizvodnji kućanskih aparata. Ove dvije kategorije su industrijski standardizirane, a FR-2 i FR-4 PCB-i su često prikladni za većinu aplikacija. Ali ponekad nesavršenost karakteristika ovih kategorija prisiljava upotrebu drugih materijala. Na primjer, za primjene vrlo visoke frekvencije, fluoroplastika, pa čak i keramika se koristi kao PCB materijal. Međutim, što je PCB materijal egzotičniji, cijena može biti viša.

Prilikom odabira materijala za štampanu ploču, obratite posebnu pažnju na njegovu higroskopnost, jer ovaj parametar može imati snažan negativan uticaj na željene karakteristike ploče - otpornost površine, curenje, visokonaponska izolaciona svojstva (kvarovi i lučni luk) i mehaničku čvrstoću. Takođe obratite pažnju na radnu temperaturu. Vruće tačke se mogu pojaviti na neočekivanim lokacijama, kao što su blizu velikih digitalnih integrisanih kola koja se prebacuju na visokim frekvencijama. Ako se ove oblasti nalaze direktno ispod analognih komponenti, porast temperature može uticati na performanse analognog kola.

Tabela 1

	Komponente, komentari
	papir, fenolni sastav: presovanje i štancanje na sobnoj temperaturi, visok koeficijent higroskopnosti
	papir, fenolni sastav: primjenjiv za jednostrane tiskane ploče kućanskih aparata, niske higroskopnosti
	papir, epoksidni sastav: formulacije sa dobrim mehaničkim i električnim karakteristikama
	fiberglas, epoksidni sastav: odlična mehanička i električna svojstva
	fiberglas, epoksidni sastav: visoka čvrstoća na povišenim temperaturama, bez zapaljivosti
	fiberglas, epoksidni sastav: visoka izolacijska svojstva, najveća čvrstoća stakloplastike, nizak koeficijent higroskopnosti
	fiberglas, epoksidni sastav: visoka čvrstoća na savijanje na povišenim temperaturama, visoka otpornost na rastvarače

Kada je PCB materijal odabran, potrebno je odrediti debljinu PCB folije. Ovaj parametar se prvenstveno bira na osnovu maksimalne vrijednosti struje koja teče. Kad god je moguće, izbjegavajte korištenje vrlo tanke folije.

BROJ PCB SLOJEVA

U zavisnosti od ukupne složenosti kola i zahtjeva za kvalitetom, dizajner mora odrediti broj slojeva u PCB-u.

Jednoslojne štampane ploče

Vrlo jednostavna elektronska kola izrađuju se na jednostranim pločama koristeći jeftine materijale obložene folijom (FR-1 ili FR-2) i često imaju mnogo kratkospojnika, nalik na dvostrane ploče. Ova metoda izrade štampanih ploča preporučuje se samo za niskofrekventna kola. Iz razloga koji će biti opisani u nastavku, jednostrane štampane ploče su veoma osetljive na smetnje ... Dobar jednostrani PCB je teško dizajnirati iz više razloga. Ipak, postoje dobre ploče ovog tipa, ali one zahtijevaju puno razmišljanja unaprijed kada ih razvijaju.

Dvoslojni PCB

Na sljedećem nivou su dvostrani PCB-i, koji u većini slučajeva koriste FR-4 kao materijal supstrata, iako se ponekad nalazi i FR-2. Poželjna je upotreba FR-4, jer su rupe na štampanim pločama od ovog materijala kvalitetnije. Krugove na obostranim štampanim pločama je mnogo lakše ožičiti, jer lakše je rutirati ukrštajuće tragove u dva sloja. Međutim, prelazak staze se ne preporučuje za analogna kola. Gdje je moguće, donji sloj ( dnu) moraju biti rutirani ispod zemaljskog poligona, a ostali signali moraju biti rutirani u gornji sloj ( top). Postoji nekoliko prednosti korištenja poligona kao zemaljske ravni:

• obična žica je najčešće spojena žica u kolu; stoga je razumno imati "puno" uobičajene žice kako bi se pojednostavilo ožičenje.
• mehanička čvrstoća ploče se povećava.
• otpor svih priključaka na zajedničku žicu se smanjuje, što zauzvrat smanjuje buku i smetnje.
• distribuirana kapacitivnost se povećava za svaki krug u kolu, pomažući u suzbijanju zračenja buke.
• poligon, koji je ekran, potiskuje smetnje koje emituju izvori koji se nalaze sa strane poligona.

Dvostrani PCB, uz sve svoje prednosti, nisu najbolji, posebno za kola sa malim signalom ili za velike brzine. Generalno, debljina štampane ploče, tj. razmak između slojeva je 1,5 mm, što je previše da bi se u potpunosti ostvarile neke od prednosti dvoslojne PCB iznad. Dodijeljeni kapacitet je, na primjer, premali zbog tako velikog intervala.

Višeslojni PCB

Za kritični dizajn kola, potrebne su višeslojne štampane ploče (MPP). Neki od razloga za njihovu upotrebu su očigledni:

• isti zgodan, kao i za uobičajenu žičanu sabirnicu, raspored sabirnice napajanja; ako se poligoni na zasebnom sloju koriste kao sabirnice napajanja, tada je prilično jednostavno izvršiti napajanje svakog elementa kruga pomoću vias;
• Slojevi signala su oslobođeni strujnih šina, što olakšava ožičenje signala.
• pojavljuje se raspoređeni kapacitet između tla i poligona snage, što smanjuje visokofrekventni šum.

Osim ovih razloga za korištenje višeslojnih tiskanih ploča, postoje i drugi, manje očigledni:

• bolje suzbijanje elektromagnetnih ( EMI) i radio frekvenciju ( RFI) smetnje zbog efekta refleksije ( efekat ravni slike), poznat još u vrijeme Markonija. Kada je provodnik postavljen blizu ravne provodljive površine, većina povratnih struja visoke frekvencije će teći u ravni direktno ispod vodiča. Smjer ovih struja bit će suprotan smjeru struja u provodniku. Dakle, refleksija provodnika u ravnini stvara liniju za prijenos signala. Budući da su struje u provodniku i u ravni jednake po veličini i suprotne po smjeru, stvara se određeno smanjenje zračenja smetnji. Efekat refleksije efikasno funkcioniše samo sa čvrstim poligonima koji se ne lome (mogu biti i zemaljski poligoni i poligoni za ponovno punjenje). Svako kršenje integriteta će rezultirati smanjenim odbijanjem smetnji.
• niži ukupni troškovi za proizvodnju malih serija. Iako su višeslojni PCB-i skuplji za proizvodnju, njihovo potencijalno zračenje je manje nego kod jednoslojnih i dvoslojnih PCB-a. Shodno tome, u nekim slučajevima, upotreba samo višeslojnih ploča omogućit će vam da ispunite zahtjeve za zračenje postavljene tokom razvoja, a ne da provodite dodatna ispitivanja i ispitivanja. Upotreba MPP-a može smanjiti nivo zračenja interferencije za 20 dB u poređenju sa dvoslojnim pločama.

Redoslijed slojeva

Neiskusni programeri često imaju zabunu oko optimalnog redosleda slojeva PCB-a. Uzmimo, na primjer, 4-slojni odjel koji sadrži dva signalna sloja i dva poligona sloja - sloj zemlje i sloj snage. Koji je najbolji redoslijed slojeva? Signalni slojevi između poligona koji će služiti kao štitovi? Ili da slojeve poligona napravite internim kako biste smanjili interferenciju sloja signala?

Prilikom rješavanja ovog problema važno je imati na umu da često raspored slojeva zapravo nije bitan, jer se komponente ionako nalaze na vanjskim slojevima, a sabirnice koje dovode signale na svoje pinove ponekad prolaze kroz sve slojeve. Stoga su svi efekti na ekranu samo kompromis. U ovom slučaju, bolje je voditi računa o stvaranju velikog distribuiranog kapaciteta između poligona snage i tla, postavljajući ih u unutrašnje slojeve.

Još jedna prednost vanjskih slojeva signala je dostupnost signala za testiranje i mogućnost modifikacije veza. Svako ko je barem jednom promijenio veze provodnika koji se nalaze u unutrašnjim slojevima cijenit će ovu mogućnost.

Za PCB sa više od četiri sloja, postoji opšte pravilo da se signalne žice velike brzine postavljaju između uzemljenja i električnih vodova, a niskofrekventne žice u spoljne slojeve.

GROUNDING

Dobro uzemljenje je uobičajeni zahtjev za bogat, slojevit sistem. I to treba planirati od prvog koraka dizajna.

Osnovno pravilo: podjela zemljišta .

Podjela tla na analogne i digitalne dijelove jedna je od najjednostavnijih i najefikasnijih metoda suzbijanja buke. Jedan ili više slojeva višeslojne štampane ploče obično se dodeljuju kao uzemljenje. Ako programer nije previše iskusan ili nepažljiv, tada će tlo analognog dijela biti direktno povezano sa ovim poligonima, tj. analogni povrat struje će koristiti isti krug kao i digitalni povratni struj. Autobrokeri rade na skoro isti način i konsoliduju sve zemlje zajedno.

Ako se prethodno razvijena štampana ploča s jednom pločom uzemljenja koja kombinira analogno i digitalno uzemljenje podvrgne obradi, tada prvo morate fizički odvojiti uzemljenje na ploči (nakon ove operacije rad ploče postaje gotovo nemoguć). Nakon toga se izvode sve veze na analognu uzemljenje komponenti analognog kola (formira se analogno uzemljenje) i na digitalnu uzemljenje komponenti digitalnog kola (formira se digitalno uzemljenje). I tek nakon toga, digitalno i analogno uzemljenje se kombiniraju u izvoru.

Ostala pravila za formiranje zemljišta:

Gotovo svi taktni signali su signali dovoljno visoke frekvencije da čak i mali kapaciteti između tragova i poligona mogu stvoriti značajne veze. Mora se imati na umu da problem može uzrokovati ne samo osnovna frekvencija sata, već i njeni viši harmonici.

Primjer dobrog postavljanja komponenti

Slika 4 prikazuje mogući raspored svih komponenti na ploči, uključujući i napajanje. Koristi tri odvojena i izolirana poligona zemlja/snaga: jedan za izvor, jedan za digitalni i jedan za analogni. Uzemljenje i strujni krugovi analognog i digitalnog dijela kombiniraju se samo u napajanju. Visokofrekventni šum se filtrira u strujnim krugovima pomoću prigušnica. U ovom primjeru, visokofrekventni signali analognog i digitalnog dijela su razmaknuti. Ovaj dizajn ima vrlo veliku vjerovatnoću za povoljan ishod zbog dobrog postavljanja komponenti i poštovanja pravila za odvajanje strujnih kola.

Postoji samo jedan slučaj kada se analogni i digitalni signali moraju kombinovati preko analognog zemaljskog poligona. A/D i D/A pretvarači su smešteni u kućištima sa analognim i digitalnim uzemljenim pinovima. Na osnovu prethodnih razmatranja, može se pretpostaviti da digitalni pin uzemljenja i analogni pin uzemljenja treba da budu povezani na digitalnu i analognu sabirnicu uzemljenja, respektivno. Međutim, u ovom slučaju to nije tačno.

Nazivi pinova (analogni ili digitalni) odnose se samo na unutrašnju strukturu pretvarača, na njegove interne veze. U krugu, ovi pinovi bi trebali biti povezani na analognu sabirnicu uzemljenja. Veza se također može izvesti unutar integriranog kola, međutim, prilično je teško postići nizak otpor takve veze zbog topoloških ograničenja. Stoga se pri korištenju pretvarača pretpostavlja vanjsko povezivanje analognih i digitalnih pinova uzemljenja. Ako se to ne učini, tada će parametri mikrokola biti mnogo gori od onih navedenih u specifikaciji.

Treba imati na umu da digitalni elementi pretvarača mogu degradirati kvalitetne karakteristike kola, unoseći digitalni šum u analogna uzemljiva i analogna strujna kola. Prilikom projektovanja pretvarača ovaj negativan uticaj se uzima u obzir kako bi digitalni deo trošio što manje energije. Istovremeno, smetnje od komutacionih logičkih elemenata su smanjene. Ako digitalni pinovi pretvarača nisu jako opterećeni, tada interno prebacivanje obično nije problem. Prilikom dizajniranja PCB-a koji sadrži ADC ili DAC, potrebno je uzeti u obzir odvajanje napajanja digitalnog pretvarača od analognog uzemljenja.

FREKVENCIJSKE KARAKTERISTIKE PASIVNIH KOMPONENTI

Pravilan izbor pasivnih komponenti je bitan za ispravan rad analognih kola. Započnite svoj dizajn tako što ćete pažljivo razmotriti RF karakteristike pasivnih komponenti i unaprijed ih postaviti i rasporediti na skicu ploče.

Veliki broj dizajnera potpuno zanemaruje frekventna ograničenja pasivnih komponenti kada se koriste u analognim kolima. Ove komponente imaju ograničene frekvencijske opsege i rad izvan specificiranog frekvencijskog domena može dovesti do nepredvidivih rezultata. Moglo bi se pomisliti da je ova rasprava samo o brzim analognim kolima. Međutim, ovo je daleko od slučaja - visokofrekventni signali snažno utiču na pasivne komponente niskofrekventnih kola putem zračenja ili direktne komunikacije kroz provodnike. Na primjer, jednostavan niskopropusni filtar na op-amp može se lako pretvoriti u visokopropusni filter kada je njegov ulaz visokofrekventni.

Otpornici

Visokofrekventne karakteristike otpornika mogu se predstaviti ekvivalentnim krugom prikazanim na slici 5.

Obično se koriste tri tipa otpornika: 1) namotani na žicu, 2) ugljični kompozit i 3) film. Nije potrebno mnogo mašte da bi se shvatilo kako se žičani otpornik može pretvoriti u induktivnost, budući da je to zavojnica s metalnom žicom visokog otpora. Većina dizajnera elektronskih uređaja nema pojma o unutrašnjoj strukturi filmskih otpornika, koji su također zavojnica, međutim, napravljena od metalne folije. Stoga filmski otpornici također imaju induktivnost koja je niža od induktivnosti žičanih otpornika. Filmski otpornici sa otporom manjim od 2 kOhm mogu se slobodno koristiti u visokofrekventnim krugovima. Vodovi otpornika su paralelni jedan s drugim, tako da je između njih primjetna kapacitivna sprega. Za otpornike visokog otpora, kapacitivnost odvod-pin će smanjiti ukupnu impedanciju na visokim frekvencijama.

Kondenzatori

Visokofrekventne karakteristike kondenzatora mogu se predstaviti ekvivalentnim krugom prikazanim na slici 6.

Kondenzatori u analognim kolima se koriste kao komponente za razdvajanje i filtriranje. Za idealan kondenzator, reaktancija se određuje sljedećom formulom:

Stoga će elektrolitički kondenzator od 10 μF imati otpor od 1,6 oma na 10 kHz i 160 μΩ na 100 MHz. je li tako?

Kada koristite elektrolitičke kondenzatore, provjerite jesu li spojevi ispravni. Pozitivni terminal mora biti spojen na pozitivniji DC potencijal. Neispravna veza dovodi do istosmjerne struje koja teče kroz elektrolitički kondenzator, što može oštetiti ne samo sam kondenzator, već i dio kola.

U rijetkim slučajevima, DC razlika potencijala između dvije tačke u kolu može promijeniti svoj predznak. To zahtijeva upotrebu nepolarnih elektrolitskih kondenzatora, čija je unutrašnja struktura ekvivalentna dvama serijski spojenim polarnim kondenzatorima.

Induktivnost

Visokofrekventne karakteristike induktora mogu se predstaviti ekvivalentnim krugom prikazanim na slici 7.

Reaktancija induktora opisuje se sljedećom formulom:

Stoga će induktivnost od 10 mH imati reaktanciju od 628 Ω na frekvenciji od 10 kHz, a na frekvenciji od 100 MHz otpornost od 6,28 MΩ. zar ne?

Štampana ploča

Sama štampana ploča ima karakteristike pasivnih komponenti o kojima smo gore govorili, iako ne tako očigledne.

Uzorak provodnika na štampanoj ploči može biti i izvor i prijemnik smetnji. Dobro usmjeravanje žica smanjuje osjetljivost analognog kola na emisije izvora.

Štampana ploča je podložna zračenju jer provodnici i vodovi komponenti čine neku vrstu antene. Teorija antena je kompleksan predmet proučavanja i izvan je okvira ovog članka. Međutim, ovdje su navedene neke od osnova.

Malo teorije antene

Na DC ili niskim frekvencijama, aktivna komponenta prevladava. Sa povećanjem frekvencije, reaktivna komponenta postaje sve značajnija. U opsegu od 1 kHz do 10 kHz, induktivna komponenta počinje djelovati i provodnik više nije konektor niske impedancije, već djeluje kao induktor.

Formula za izračunavanje induktivnosti PCB vodiča je sljedeća:

Tipično, PCB tragovi se kreću od 6 nH do 12 nH po centimetru dužine. Na primjer, provodnik od 10 cm ima otpor od 57 mΩ i induktivnost od 8 nH / cm. Na 100 kHz, reaktancija postaje 50 mΩ, a na višim frekvencijama, provodnik će biti induktivnost, a ne otpor.

Pravilo bičaste antene kaže da počinje primjetno da stupa u interakciju sa poljem na njegovoj dužini od oko 1/20 talasne dužine, a maksimalna interakcija se javlja na dužini štapa jednakoj 1/4 talasne dužine. Stoga će žica od 10 cm iz primjera u prethodnom pasusu početi da postaje prilično dobra antena iznad 150 MHz. Treba imati na umu da iako digitalni generator takta možda ne radi iznad 150 MHz, njegov signal uvijek sadrži više harmonike. Ako štampana ploča sadrži komponente sa dugim iglama, ovi pinovi mogu poslužiti i kao antene.

Drugi osnovni tip antene su okvirne antene. Induktivnost ravnog vodiča dramatično se povećava kada se savije i postane dio luka. Povećanje induktivnosti smanjuje frekvenciju na kojoj antena počinje da stupa u interakciju sa linijama polja.

Iskusni dizajneri PCB-a koji su prilično upoznati s teorijom kružnih antena znaju da ne možete stvoriti petlje za kritične signale. Neki dizajneri, međutim, ne razmišljaju o tome, a povratni i signalni vodiči u njihovim krugovima su petlje. Stvaranje okvirnih antena je lako prikazati na primjeru (slika 8). Takođe pokazuje kako da napravite proreznu antenu.

Razmotrite tri slučaja:

Opcija A je primjer lošeg dizajna. Uopće ne koristi analogni zemaljski poligon. Loopback formiraju provodnici za uzemljenje i signal. Kada struja teče, nastaju električno i magnetsko polje okomito na nju. Ova polja čine osnovu okvirne antene. Pravilo kružne antene kaže da za maksimalnu efikasnost, dužina svakog provodnika treba da bude jednaka polovini talasne dužine primljenog zračenja. Međutim, treba imati na umu da je petljasta antena i na 1/20 valne dužine i dalje prilično efikasna.

Opcija B je bolja od opcije A, ali ovdje postoji prekid u poligonu, vjerovatno da bi se stvorio prostor za signalne žice. Putevi signala i povratne struje formiraju proreznu antenu. Ostale petlje se formiraju u izrezima oko mikrokola.

Opcija B je primjer boljeg dizajna. Putanja signala i povratne struje su isti, negirajući efikasnost okvirne antene. Imajte na umu da ova opcija također ima izreze oko čipova, ali su oni odvojeni od putanje povratne struje.

Teorija refleksije i usklađivanja signala bliska je teoriji antena.

Do refleksije signala može doći kada se PCB provodnik zakrene za 90°. To je uglavnom zbog promjene širine tekućeg puta. Na vrhu ugla širina traga se povećava za 1.414 puta, što dovodi do neusklađenosti karakteristika dalekovoda, posebno distribuiranog kapaciteta i samoinduktivnosti traga. Često je potrebno rotirati stazu za 90° na PCB-u. Mnogi moderni CAD paketi vam omogućavaju da izgladite uglove nacrtanih putanja ili nacrtate putanje u obliku luka. Slika 9 prikazuje dva koraka za poboljšanje oblika ugla. Samo posljednji primjer održava konstantnu širinu kolosijeka i minimizira refleksije.

Savjet za iskusne planere PCB rasporeda: ostavite proceduru anti-aliasinga do posljednjeg koraka prije kreiranja pad padova i poligona. Inače će CAD paketu trebati više vremena da se izgladi zbog složenijih proračuna.

Kapacitivna sprega se javlja između provodnika na PCB-u na različitim slojevima kada se ukrste. Ovo ponekad može stvoriti problem. Provodnici naslagani na susjedne slojeve stvaraju kondenzator dugog filma. Kapacitet takvog kondenzatora se izračunava pomoću formule prikazane na slici 10.

Na primjer, štampana ploča može imati sljedeće parametre:
- 4 sloja; signalni i prizemni poligonalni sloj - susjedni,
- međuslojni razmak - 0,2 mm,
- širina provodnika - 0,75 mm,
- dužina provodnika - 7,5 mm.

Tipični ER za FR-4 je 4,5.

Zamjenom svih vrijednosti u formuli, dobivamo vrijednost kapacitivnosti između ove dvije sabirnice, jednaku 1,1 pF. Čak i ovaj naizgled mali kapacitet je neprihvatljiv za neke aplikacije. Slika 11 ilustruje efekat kapacitivnosti od 1 pF kada je povezan na invertujući ulaz visokofrekventnog operativnog pojačala.

Može se vidjeti da dolazi do udvostručavanja amplitude izlaznog signala na frekvencijama blizu gornje granice frekvencijskog opsega operacijskog pojačala. To, pak, može dovesti do laserskog zračenja, posebno na radnim frekvencijama antene (iznad 180 MHz).

Ovaj efekat dovodi do brojnih problema, za koje, ipak, postoji mnogo načina. Najočigledniji od njih je smanjenje dužine provodnika. Drugi način je smanjenje njihove širine. Nema razloga da se koristi provodnik ove širine za povezivanje signala na invertujući ulaz, jer kroz ovaj provodnik teče vrlo malo struje. Smanjenje dužine traga na 2,5 mm i širine na 0,2 mm dovest će do smanjenja kapacitivnosti na 0,1 pF, a takva kapacitivnost više neće dovesti do tako značajnog povećanja frekvencijskog odziva. Drugo rješenje je uklanjanje dijela poligona ispod invertnog ulaza i provodnika koji ide do njega.

Širina provodnika štampane ploče ne može se beskonačno smanjivati. Granična širina je određena i tehnološkim postupkom i debljinom folije. Ako dva vodiča prolaze blizu jedan drugom, tada se između njih formira kapacitivna i induktivna sprega (slika 12).

Signalne žice ne bi trebale biti paralelne jedna s drugom osim ako se ne povezuju diferencijalne ili mikrotrakaste vodove. Razmak između provodnika mora biti najmanje tri puta veći od širine provodnika.

Kapacitet između tragova u analognim kolima može biti težak s velikim vrijednostima otpornika (nekoliko megoma). Relativno velika kapacitivna sprega između invertirajućih i neinvertirajućih ulaza op-pojačala može lako samopobuditi kolo.

Na primjer, sa d = 0,4 mm i h = 1,5 mm (prilično uobičajene vrijednosti), induktivnost rupe je 1,1 nH.

Zapamtite da ako u krugu postoje visoki otpori, posebnu pažnju treba posvetiti čišćenju ploče. U završnim koracima proizvodnje štampane ploče, zaostali fluks i kontaminacija moraju biti uklonjeni. U posljednje vrijeme, pri sastavljanju štampanih ploča, često se koriste vodotopivi tokovi. Manje štetni, lako se mogu ukloniti vodom. Ali u isto vrijeme, pranje ploče nedovoljno čistom vodom može dovesti do dodatne kontaminacije, što pogoršava dielektrične karakteristike. Stoga je vrlo važno očistiti PCB visoke impedancije svježom destilovanom vodom.

INTERCOOLING SIGNALI

Kao što je navedeno, šum može ući u analogni dio kola kroz strujni krug. Da bi se smanjio ovaj šum, koriste se kondenzatori za razdvajanje (blokiranje) za smanjenje lokalne impedanse napojnih šina.

Ako je potrebno odvojiti tiskanu ploču, na kojoj se nalaze i analogni i digitalni dijelovi, onda je potrebno imati barem malu predstavu o električnim karakteristikama logičkih elemenata.

Tipičan izlazni stepen logičkog elementa sadrži dva tranzistora povezana serijski jedan s drugim, kao i između kruga napajanja i uzemljenja (slika 14).

U idealnom slučaju, ovi tranzistori rade striktno u antifazi, tj. kada je jedan od njih otvoren, drugi je istovremeno zatvoren, formirajući na izlazu ili signal logičke jedinice ili logičku nulu. U stabilnom logičkom stanju, potrošnja energije logičkog elementa je niska.

Situacija se dramatično mijenja kada se izlazni stupanj prebaci iz jednog logičkog stanja u drugo. U tom slučaju se u kratkom vremenskom periodu oba tranzistora mogu istovremeno uključiti, a struja napajanja izlaznog stepena se jako povećava, jer otpor strujnog puta od tračnice snage do tračnice uzemljenja kroz dva serijski spojena tranzistori se smanjuju. Potrošnja energije se naglo povećava, a zatim i smanjuje, što dovodi do lokalne promjene napona napajanja i pojave oštre, kratkotrajne promjene struje. Ove promjene struje rezultiraju emisijom energije radio frekvencije. Čak i na relativno jednostavnoj štampanoj ploči može postojati desetine ili stotine razmatranih izlaznih stupnjeva logičkih elemenata, tako da ukupan učinak njihovog istovremenog rada može biti vrlo velik.

Nemoguće je precizno predvidjeti raspon frekvencija u kojem će se ovi strujni udari nalaziti, jer frekvencija njihovog pojavljivanja ovisi o mnogim razlozima, uključujući kašnjenje propagacije prebacivanja tranzistora logičkog elementa. Kašnjenje, zauzvrat, zavisi i od niza slučajnih uzroka koji se javljaju tokom procesa proizvodnje. Šum pri prebacivanju ima širokopojasnu harmonijsku distribuciju u cijelom opsegu. Postoji nekoliko metoda za suzbijanje digitalnog šuma, čija primjena ovisi o spektralnoj distribuciji šuma.

Tabela 2 prikazuje maksimalne radne frekvencije za uobičajene tipove kondenzatora.

tabela 2

Iz tabele je vidljivo da se tantalski elektrolitski kondenzatori koriste za frekvencije ispod 1 MHz, na višim frekvencijama treba koristiti keramičke kondenzatore. Mora se imati na umu da kondenzatori imaju vlastitu rezonancu i njihov pogrešan izbor ne samo da ne može pomoći, već i pogoršati problem. Slika 15 prikazuje tipične prirodne rezonancije dva kondenzatora opšte namjene - 10 μF tantal elektrolitičkog i 0,01 μF keramičkog.

Stvarne karakteristike mogu varirati od proizvođača do proizvođača, pa čak i od serije do serije za jednog proizvođača. Važno je shvatiti da za efikasan rad kondenzatora, frekvencije koje potiskuju moraju biti u nižem rasponu od frekvencije prirodne rezonancije. U suprotnom, priroda reaktancije će biti induktivna, a kondenzator više neće raditi efikasno.

Nemojte pogriješiti da će jedan kondenzator od 0,1 μF potisnuti sve frekvencije. Mali kondenzatori (10 nF ili manje) mogu raditi efikasnije na višim frekvencijama.

IC odvajanje snage

Izolacija IC napajanja za potiskivanje visokofrekventnog šuma sastoji se od upotrebe jednog ili više kondenzatora povezanih između pinova napajanja i uzemljenja. Važno je da su vodovi koji povezuju izvode sa kondenzatorima kratki. Ako to nije slučaj, tada će intrinzična induktivnost provodnika igrati značajnu ulogu i negirati prednosti korištenja kondenzatora za razdvajanje.

Kondenzator za razdvajanje mora biti spojen na svaki paket, bez obzira na to koliko je operativnih pojačala unutar kućišta, 1, 2 ili 4. Ako se operacijsko pojačalo napaja bipolarnim napajanjem, onda se podrazumijeva da kondenzatori za razdvajanje moraju biti locirani na svakom pinu napajanja. Vrijednost kapacitivnosti mora biti pažljivo odabrana na osnovu vrste šuma i smetnji prisutnih u kolu.

U posebno teškim slučajevima, možda će biti potrebno dodati induktivnost u seriju sa napojnim kablom. Induktivnost se mora postaviti prije, a ne iza kondenzatora.

Drugi, jeftiniji način je zamjena induktivnosti otpornikom niskog otpora (10 ... 100 Ohm). U ovom slučaju, zajedno sa kondenzatorom za razdvajanje, otpornik čini niskopropusni filter. Ova metoda smanjuje opseg napajanja operativnog pojačala, koji također postaje više ovisan o potrošnji energije.

Tipično, jedan ili više aluminijskih ili tantalskih elektrolitičkih kondenzatora na ulaznom napojnom konektoru mogu biti dovoljni za suzbijanje buke niske frekvencije u strujnim krugovima. Dodatni keramički kondenzator će potisnuti visokofrekventne smetnje od drugih ploča.

IZOLACIJA ULAZNOG I IZLAZNOG SIGNALA

Mnogo problema sa šumom je rezultat direktnog povezivanja ulaznih i izlaznih pinova. Kao rezultat ograničenja visoke frekvencije pasivnih komponenti, odgovor kola na visokofrekventnu buku može biti prilično nepredvidljiv.

U situaciji kada se frekventni opseg indukovane buke značajno razlikuje od frekvencijskog opsega kola, rešenje je jednostavno i očigledno – postaviti pasivni RC filter za suzbijanje visokofrekventnih smetnji. Međutim, kada koristite pasivni filter, morate biti oprezni: njegove karakteristike (zbog nesavršenih frekvencijskih karakteristika pasivnih komponenti) gube svoja svojstva na frekvencijama 100 ... 1000 puta većim od granične frekvencije (f 3db). Kada se koriste serijski povezani filteri koji su podešeni na različite frekventne opsege, filter višeg prolaza bi trebao biti najbliži izvoru smetnji. Feritni induktori se takođe mogu koristiti za suzbijanje buke; oni zadržavaju induktivni karakter otpora do određene određene frekvencije, a iznad njihov otpor postaje aktivan.

Pokazivanje na analogno kolo može biti toliko veliko da ih je moguće riješiti (ili barem smanjiti) samo korištenjem ekrana. Da bi efikasno radili, moraju biti pažljivo dizajnirani tako da frekvencije koje stvaraju najviše problema ne mogu ući u kolo. To znači da štit ne bi trebao imati otvore ili izreze veće od 1/20 valne dužine zaštićenog zračenja. Dobra je ideja od samog početka dizajna PCB-a izdvojiti dovoljno prostora za predviđeni ekran. Kada koristite štit, možete dodatno koristiti feritne prstenove (ili perle) za sve priključke na strujno kolo.

KUĆIŠTA ZA OPERATIVNO POJAČALO

Jedan paket obično sadrži jedan, dva ili četiri operaciona pojačala (slika 16).

Jedno operacijsko pojačalo često ima i dodatne ulaze, na primjer, za podešavanje napona ofseta. Dvostruka i četverostruka operacijska pojačala imaju samo invertirajuće i neinvertirajuće ulaze i izlaze. Stoga, ako je potrebno izvršiti dodatna podešavanja, potrebno je koristiti pojedinačna operaciona pojačala. Kada koristite dodatne igle, imajte na umu da su oni po svojoj strukturi pomoćni ulazi, pa se moraju pažljivo kontrolirati iu skladu s preporukama proizvođača.

U jednom operativnom pojačalu, izlaz se nalazi na suprotnoj strani od ulaza. Ovo može otežati rad pojačala na visokim frekvencijama zbog dugih provodnika povratne sprege. Jedan od načina da se ovo prevaziđe je postavljanje pojačala i komponenti povratne sprege na različite strane PCB-a. To, međutim, rezultira najmanje dvije dodatne rupe i izrezi u poligonu tla. Ponekad je vrijedno koristiti dvostruko operacijsko pojačalo za rješavanje ovog problema, čak i ako se drugo pojačalo ne koristi (i njegovi vodovi moraju biti pravilno povezani). Slika 17 ilustruje smanjenje dužine provodnika povratne sprege za inverzno uključivanje.

Dvostruka operacijska pojačala se posebno koriste u stereo pojačalima, a četverostruka op pojačala se koriste u višestepenim filterskim krugovima. Međutim, u tome postoji prilično značajan nedostatak. Iako trenutna tehnologija pruža pristojnu izolaciju između pojačala smještenih na istom silikonskom čipu, još uvijek postoji preslušavanje između njih. Ako je potrebno imati vrlo malo takvih smetnji, onda je potrebno koristiti pojedinačna operaciona pojačala. Preslušavanje se ne odnosi samo na dvostruka ili četverostruka pojačala. Njihov izvor može biti vrlo blizak raspored pasivnih komponenti različitih kanala.

Dvostruka i četverostruka operacijska pojačala, pored gore navedenog, omogućavaju čvršću instalaciju. Pojedinačni pojačivači su, takoreći, zrcaljeni jedan u odnosu na drugi (slika 18).

Slike 17 i 18 ne prikazuju sve veze potrebne za normalan rad, na primjer, drajver srednjeg nivoa sa unipolarnim napajanjem. Slika 19 prikazuje dijagram takvog drajvera kada se koristi četverostruko pojačalo.

Dijagram prikazuje sve potrebne veze za implementaciju tri nezavisna invertirajuća stupnja. Potrebno je obratiti pažnju na činjenicu da se provodnici polunaponskog drajvera nalaze direktno ispod kućišta integriranog kola, što omogućava smanjenje njihove dužine. Ovaj primjer ilustruje ne kako bi trebalo biti, već šta bi trebalo učiniti. Napon srednjeg nivoa, na primjer, mogao bi biti isti za sva četiri pojačala. Pasivne komponente mogu biti odgovarajuće veličine. Na primjer, ravnine komponente veličine 0402 odgovaraju razmaku pinova standardnog SO paketa. Ovo omogućava da dužina provodnika bude veoma kratka za aplikacije visoke frekvencije.

VOLUME I POVRŠINSKA MONTAŽA

Kada se op-pojačala postavljaju u DIP pakete i pasivne komponente sa žičanim vodovima, PCB-u su potrebni vias za njihovo montiranje. Takve komponente se trenutno koriste kada ne postoje posebni zahtjevi za dimenzije štampane ploče; Obično su jeftiniji, ali cijena PCB-a se povećava tokom procesa proizvodnje zbog bušenja dodatnih rupa za kablove komponenti.

Osim toga, korištenje vanjskih komponenti povećava veličinu ploče i dužinu vodiča, što ne dozvoljava krugu da radi na visokim frekvencijama. Prelazni spojevi imaju vlastitu induktivnost, što također nameće ograničenja na dinamičke karakteristike kola. Stoga se vanjske komponente ne preporučuju za aplikacije visoke frekvencije ili za analogna kola koja se nalaze u blizini brzih logičkih kola.

Neki dizajneri postavljaju otpornike okomito u pokušaju da smanje dužinu vodiča. Na prvi pogled može izgledati da se time skraćuje dužina staze. Međutim, ovo povećava putanju protoka struje kroz otpornik, a sam otpornik je petlja (induktivni obrt). Kapacitet emitovanja i prijema se višestruko povećava.

Za aplikacije za površinsku montažu, ne morate postavljati rupu za svaku komponentu. Međutim, postoje problemi prilikom testiranja kruga i morate koristiti prelaze kao kontrolne točke, posebno kada koristite male komponente.

NEKORIŠTENE OP SEKCIJE

Kada koristite dual i quad operaciona pojačala u kolu, neke od njihovih sekcija mogu ostati neiskorištene i u tom slučaju moraju biti ispravno spojene. Neispravno povezivanje može dovesti do povećanja potrošnje energije, više grijanja i više buke op-pojačala koji se koriste u istom kućištu. Pinovi neiskorištenih operacionih pojačala mogu se povezati kao što je prikazano na sl. 20a. Povezivanje pinova sa dodatnim komponentama (slika 20b) će olakšati upotrebu ovog op-pojačala prilikom podešavanja.

ZAKLJUČAK

Zapamtite sljedeće osnovne točke i uvijek ih poštujte prilikom projektiranja i povezivanja analognih kola.

Uobičajeni su:

• Zamislite štampanu ploču kao komponentu električnog kola.
• imaju razumijevanje i razumijevanje izvora buke i smetnji;
• model i prototip kola.

Štampana ploča:

• koristite štampane ploče samo od visokokvalitetnog materijala (na primjer, FR-4);
• kola napravljena na višeslojnim štampanim pločama su 20 dB manje podložna spoljnim smetnjama od kola napravljenih na dvoslojnim pločama;
• koristiti podijeljene poligone koji se ne preklapaju za različito zemljište i hranu;
• postavite poligone zemlje i snage na unutrašnje slojeve PCB-a.

Komponente:

• Budite svjesni ograničenja frekvencije koje uvode pasivne komponente i provodnici na ploči;
• pokušajte izbjeći vertikalno postavljanje pasivnih komponenti u kola velike brzine;
• za visokofrekventna kola, koristite komponente dizajnirane za površinsku montažu;
• provodnici bi trebali biti što kraći to bolje;
• ako je potrebna veća dužina vodiča, smanjite njegovu širinu;
• neiskorišteni vodovi aktivnih komponenti moraju biti ispravno povezani.

Ožičenje:

• postavite analogna kola blizu konektora za napajanje;
• nikada ne usmjeravajte žice koje prenose logičke signale kroz analogno područje ploče, i obrnuto;
• neka provodnici budu prikladni za invertni ulaz op-pojačala kratkim;
• pobrinite se da provodnici invertirajućih i neinvertirajućih ulaza op-ampa nisu paralelni jedan s drugim na velikoj udaljenosti;
• pokušajte izbjeći korištenje nepotrebnih vias kao njihova vlastita induktivnost može dovesti do dodatnih problema;
• nemojte voditi provodnike pod pravim uglom i glatkim vrhovima uglova ako je moguće.

Razmjena:

• koristite ispravne tipove kondenzatora za suzbijanje buke u napajanju;
• Za suzbijanje niskofrekventnih smetnji i šuma, koristite tantalske kondenzatore na ulaznom konektoru za napajanje;
• Koristite keramičke kondenzatore na ulaznom napojnom konektoru za suzbijanje visokofrekventnih smetnji i šuma;
• koristite keramičke kondenzatore na svakom pinu za napajanje mikrokola; ako je potrebno, koristite nekoliko kondenzatora za različite frekvencijske opsege;
• ako se u krugu pojavi pobuda, tada je potrebno koristiti kondenzatore s nižom vrijednošću kapacitivnosti, a ne velikom;
• u teškim slučajevima u strujnim krugovima koristite serijski spojene otpornike niskog otpora ili induktivnosti;
• Analogni kondenzatori za razdvajanje snage trebaju biti povezani samo na analogno uzemljenje, a ne digitalno.

Prilikom dizajniranja PCB-a sa optimiziranim cijenama, postavlja se niz ključnih pitanja. Iako bi prvobitni cilj mogao biti da se dizajnira najmanji mogući PCB, ovo možda nije najjeftinije rješenje za cijeli sistem. Smanjenje veličine PCB-a moguće je povećanjem broja slojeva PCB-a, što zauzvrat dovodi do EMC problema koji mogu rezultirati velikim troškovima tokom projekta.

Elektromagnetne smetnje, EMI ili elektromagnetna kompatibilnost, EMC je ključni faktor u dizajnu štampanih ploča. Osiguravanje elektromagnetne kompatibilnosti za uređaj u cjelini može biti izuzetno skupo ako je programer napravio skromne korake u dizajnu i proizvodnji tiskanih ploča, tako da je potrebno na početku odbaciti neke pristupe za uštedu troškova. Ako komponente stupaju u interakciju sa EMI ili emituju EMI, ispunjavanje EMC zahtjeva tokom faze testiranja će biti skupo.

Dok se četveroslojna ploča smatra optimalnom ravnotežom EMI zaštite i praćenja ploče, često je moguće dizajnirati dvoslojnu ploču sa istim specifikacijama koristeći besplatne alate za usmjeravanje PCB-a kao što su DesignSpark PCB. Ovo omogućava značajno smanjenje troškova proizvodnje štampane ploče bez uticaja na dalje testiranje.

Povratni putevi signala su najizazovniji problem prilikom usmjeravanja PCB-a. Bilo bi dovoljno teško pratiti povratno uzemljenje ispod svakog traga spojenog na signalni pin mikrokontrolera, ali to je upravo ono što četveroslojna ploča sa uzemljenom pločom pruža. Bez obzira kuda idu staze, uvijek postoji povratna staza ispod.

Performanse najbliže zemlji na dvoslojnoj ploči je uzemljena mreža, koja smanjuje emisije EMI iz signalnih putanja. Smanjenje područja petlje usmjeravanjem povratne putanje ispod putanje signala je najefikasniji način za rješavanje ovog problema, a kreiranje uzemljene mreže je najvažniji korak (nakon planiranja postavljanja) u usmjeravanju PCB-a.

Generisanje rešetke stvara površinu

Generisanje rešetki je ključna tehnika za EMC performanse u dvoslojnim pločama. Slično kao i električna mreža, to je mreža pravokutnih veza između uzemljenih vodiča. Ovo efektivno stvara uzemljenu ravninu koja obezbeđuje isto smanjenje EMI buke kao i 4-slojna ploča i efektivno emituje uzemljenu ravninu koja se koristi u 4-slojnoj ploči kako bi se obezbedilo poboljšanje EMC-a stvaranjem povratne putanje uzemljenja ispod svakog traga signala i smanjenjem impedanse između mikrokontrolera i regulatora napona.

Generisanje rešetki se izvodi širenjem tragova uzemljenja i stvaranjem uzemljenih vodljivih ravni kako bi se stvorila mreža uzemljenih veza preko cijele površine PCB-a. Na primjer, ako PCB ima pretežno staze gornjeg sloja koji se kreću okomito i staze donjeg sloja koji se kreću pretežno horizontalno, to već otežava praćenje povratnih puteva do zemlje ispod signalnih žica, što se obično radi u dvije faze:

• Prvo, svi provodnici za uzemljenje su prošireni kako bi zauzeli najveći prostor na PCB-u;
• tada se preostali slobodni prostor popunjava uzemljenom površinom.

Cilj ovog pristupa je generirati što je moguće više rešetke na dvoslojnoj PCB-u. Male promjene u rasporedu PCB-a mogu omogućiti dodatnim vezama za povećanje površine mreže za uzemljenje.

PCB zoniranje

PCB zoniranje je još jedna tehnologija koja se može koristiti za smanjenje buke i EMI na PCB-u i na taj način smanjiti potrebu za dodatnim slojevima PCB-a. Ova tehnologija ima isto osnovno značenje kao planiranje postavljanja komponenti, što je proces lociranja komponenti na praznu ploču prije usmjeravanja žica. Zoniranje PCB-a je malo složeniji proces postavljanja slične funkcionalnosti u istu oblast PCB-a, umjesto miješanja funkcionalno različitih komponenti zajedno. Logika velike brzine, uključujući mikrokontrolere, postavljena je što bliže napajanju, spore komponente su postavljene dalje, a analogne komponente dalje. Ovaj pristup ima značajan uticaj na EMC štampane ploče.

Sa ovim rasporedom, logika velike brzine ima manji uticaj na druge signalne provodnike. Posebno je važno da se kristalna petlja nalazi dalje od analognih kola, signala male brzine i konektora. Ovo pravilo važi i za štampane ploče i za postavljanje komponenti unutar uređaja. Treba izbjegavati aranžmane koji postavljaju snopove kablova oko rezonatora ili mikrokontrolera, jer će ovi kablovi pokupiti buku i nositi je svuda. Tako se prilikom zoniranja određuje i lokacija konektora na štampanoj ploči.

PCB razvojni alati

Dostupni su mnogi razvojni alati koji podržavaju dizajn sa EMC optimizacijom na umu. Jedno od ovih sredstava DesignSpark PCB je najnovija verzija koja podržava provjeru pravila dizajna (DRC) prilikom praćenja, umjesto izvođenja provjere nakon što je praćenje završeno. Ovo je posebno korisno kod optimizacije PCB-a za cijenu, jer se svi sukobi ili greške odmah signaliziraju i mogu se riješiti. Naravno, ove provjere zavise od potpunosti informacija koje je odredio dizajner, ali ovaj pristup vam omogućava da ubrzate proces praćenja i time oslobodite vrijeme za druga važna pitanja.

U verziji 5 DesignSpark PCB Online provjera pravila dizajna provjerava sve komponente koje su dodate i prenesene kao rezultat interaktivnih operacija uređivanja. Na primjer, provjeravaju se sve žice spojene na pomaknutu komponentu i sve žice dodane ručnim usmjeravanjem.

Verzija 5 također dodaje podršku sabirnice tako da se provodnici mogu lako grupirati i usmjeriti zajedno. Umjesto da nacrta sve konekcije u dizajnu i poveže ih sa svakim pinom, dizajner može kreirati manje pretrpan dizajn sa sabirnicama dodavanjem komponentnih pinova veza na sabirnicu koja prenosi signal.

Slika 1: Dodavanje sabirnica u DesignSpark PCB verziju 5

Gume mogu biti otvorene ili zatvorene. Zatvorena sabirnica je skup imena žica unaprijed definiranih za datu magistralu, i samo te žice mogu biti povezane na datu magistralu, dok otvorena sabirnica može uključivati ​​bilo koju žicu.

Iako ove mogućnosti imaju smisla za usmjeravanje magistrale, mogu se koristiti za usmjeravanje drugih provodnika oko PCB-a. Ova sposobnost korištenja sabirnica u kolima može pomoći da se dizajn učini jednostavnijim i jasnijim grupisanjem više provodnika visoke elektromagnetske smetnje zajedno sa njihovim okolnim povratnim provodnicima uzemljenja, čime se smanjuje EMI na ploči koja se dizajnira. Dobro pravilo je da nikada ne usmjeravate EMI provodnike na vanjsku stranu ploče, što može biti nezgodno za male dvoslojne ploče. Uklanjanje ne-EMI kola sa lokacija kao što su konektori, rezonatorska kola, releji, drajveri releja gde se elektromagnetne smetnje mogu izazvati u tim kolima takođe pomaže da se poboljša elektromagnetna kompatibilnost.

Zaključak

Dizajniranje PCB-a sa vremenom zastoja koje je potrebno da bi se smanjili troškovi je nedvojbeno teže od iskorištavanja bogatstva višeslojne ploče.

Neki EMC problemi se mogu riješiti korištenjem kondenzatora za blokiranje i feritnih perli za suzbijanje bilo kakvih signala koji bi mogli biti emitirani, ali to dodaje složenost dizajnu i povećava troškove proizvodnje. Ako se problemi EMI i EMC mogu minimizirati pravilnim pravilima dizajna korištenjem zoniranja i preslušavanja, proizvodnja električne i zemaljske mreže može pružiti isti nivo zaštite u dvoslojnoj ploči kao što je moguć u četveroslojnom ili šestoslojnom dizajnu. Ovo ne samo da smanjuje troškove proizvodnje ploče, već i poboljšava pouzdanost i performanse, uključujući EMC, čime se smanjuje trošak životnog ciklusa opreme.