دستورالعمل های طراحی PCB (کوتاه سوالات متداول در مورد طرح PCB). طرح PCB و EMC برای میکروکنترلرهای سری MB90

تعاریف:

سازگاری الکترومغناطیسی، EMC (سازگاری الکترومغناطیسی، EMC): توانایی در حین کار برای عدم کمک بیش از حد به محیط توسط تشعشعات الکترومغناطیسی. هنگامی که این شرط برآورده شود، تمام قطعات الکترونیکی به درستی با هم کار می کنند.

تداخل الکترومغناطیسی، EMI (تداخل الکترومغناطیسی، EMI): انرژی الکترومغناطیسی ساطع شده از یک دستگاه که می تواند باعث کاهش عملکرد در دستگاه دیگر شود.

ایمنی الکترومغناطیسی، EMPU (ایمنی الکترومغناطیسی،یا حساسیت، EMS): تحمل (مقاومت) در برابر اثرات انرژی الکترومغناطیسی.

طراحی EMC: 4 قانون اصلی

مشکل قوانین: هرچه قوانین بیشتری داشته باشید، پیروی از همه آنها دشوارتر است. اولویت بندی اجرای آنها متفاوت است.

بیایید بگوییم که هنگام ایجاد یک برد مدار چاپی چند لایه، باید یک سیگنال فرکانس بالا را از یک قطعه آنالوگ به یک قطعه دیجیتال هدایت کنید. به طور طبیعی، شما می خواهید احتمال مشکل سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) را به حداقل برسانید. با جستجو در اینترنت، سه توصیه را پیدا می کنید که به نظر می رسد با شرایط شما مرتبط باشد:

1. طول باس فرکانس بالا را به حداقل برسانید
2. ریل های برق و زمین را بین قسمت های آنالوگ و دیجیتال مدار جدا کنید
3. چند ضلعی های زمین را با هادی های فرکانس بالا نشکنید

دید شما از سه گزینه سیم کشی ممکن در شکل 1 نشان داده شده است.

در حالت اول، آثار مستقیماً بین دو مؤلفه هدایت می‌شوند و چندضلعی زمین جامد باقی می‌ماند. در حالت دوم، شکافی در چند ضلعی ایجاد می شود و آثار از این شکاف عبور می کنند. در حالت سوم، آثار در امتداد شکاف در چند ضلعی گذاشته می شود.

در هر یک از این سه مورد یکی از قوانین فوق نقض می شود. آیا این موارد جایگزین به همان اندازه خوب هستند زیرا دو قانون از سه قانون را برآورده می کنند؟ آیا همه آنها بد هستند زیرا هر یک از آنها حداقل یک قانون را زیر پا می گذارند؟

اینها سوالاتی است که طراحان PCB هر روز با آن روبرو هستند. انتخاب استراتژی سیم‌کشی درست یا نادرست می‌تواند منجر به برآورده کردن تمام الزامات EMC یا مشکلات سیگنال‌های خارجی شود. در این مورد، انتخاب باید روشن باشد، اما بعداً به این موضوع باز خواهیم گشت.

مشکلات با اولویت بندی توصیه ها کاهش می یابد. توصیه های طراحی در صورتی مفید هستند که به خوبی درک شده باشند و بخشی از یک استراتژی کامل را تشکیل دهند. هنگامی که طراحان یاد بگیرند که توصیه ها را اولویت بندی کنند و بفهمند که چگونه باید از آن توصیه ها استفاده شود، می توانند PCB های خوب طراحی کنند.

در زیر چهار قانون اصلی EMC بر اساس مشخصات کلی محصولات الکترونیکی آورده شده است. در بسیاری از موارد، طراحان PCB عمداً یکی از این قوانین را زیر پا می گذارند تا قوانین مهمتری را انجام دهند.

قانون 1: مسیر جریان سیگنال را به حداقل برسانید

این قانون ساده تقریباً در هر لیستی از توصیه‌های EMC ظاهر می‌شود، اما اغلب یا نادیده گرفته می‌شود یا به نفع سایر توصیه‌ها کم‌اهمیت می‌شود.

اغلب طراح PCB حتی به این فکر نمی کند که جریان سیگنال کجا جریان می یابد و ترجیح می دهد به جای فکر کردن بر اساس جریان، به سیگنال ها از نظر ولتاژ فکر کند.

دو اصل وجود دارد که هر طراح PCB باید بداند:

- جریان های سیگنال همیشه به منبع خود باز می گردند، یعنی. مسیر فعلی یک حلقه است
- جریان سیگنال همیشه از مسیری با کمترین امپدانس استفاده می کند

در فرکانس‌های چند مگاهرتز و بالاتر، تعیین مسیر جریان سیگنال نسبتاً آسان است زیرا مسیر با کمترین امپدانس، به طور کلی، مسیری با کمترین اندوکتانس است. روی انجیر شکل 2 دو جزء را روی یک برد مدار چاپی نشان می دهد. سیگنال 50 مگاهرتز در طول هادی بر روی چند ضلعی از جزء A به جزء B منتشر می شود.



می دانیم که سیگنالی با همان اندازه باید از جزء B به جزء A منتشر شود. فرض کنید که این جریان (بیایید آن را بازگشتی بنامیم) از ترمینال جزء B، با برچسب GND، به پایانه جزء A که همچنین GND نام دارد، جریان می یابد.

از آنجایی که تداوم چند ضلعی تضمین می شود و پین های مشخص شده به عنوان GND هر دو جزء نزدیک به یکدیگر قرار دارند، به این نتیجه می رسیم که جریان کوتاه ترین مسیر را بین آنها طی خواهد کرد (مسیر 1). با این حال، این درست نیست. جریان های فرکانس بالا مسیری با حداقل اندوکتانس (یا مسیری با کمترین ناحیه حلقه، مسیر کمترین چرخش) را طی می کنند. بیشتر جریان برگشتی سیگنال از طریق چند ضلعی در یک مسیر باریک مستقیماً زیر رد سیگنال (مسیر 2) جریان می یابد.

اگر یک چند ضلعی به هر دلیلی با یک بریدگی همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است ساخته شده باشد، بریدگی 1 تأثیر کمی بر یکپارچگی و انتشار سیگنال خواهد داشت. شکاف 2 دیگر می تواند منجر به مشکلات قابل توجهی شود. با توصیه 2 مغایرت دارد. مساحت حلقه به طور قابل توجهی افزایش می یابد. جریان های معکوس آنقدر شدید هستند که در امتداد مرز ناپیوستگی جریان دارند.



در فرکانس‌های پایین (به طور کلی، کیلوهرتز و کمتر)، مسیر کم‌ترین امپدانس، مسیری با کمترین فرکانس سیگنال است. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، برای یک برد مدار چاپی با چند ضلعی های جریان برگشتی جامد، مقاومت چند ضلعی ها جریان را از بین می برد به طوری که جریانی که بین دو نقطه دور می گذرد می تواند در سطح بزرگ تری از برد منتشر شود.



در یک برد سیگنال مختلط با قطعات آنالوگ و دیجیتال فرکانس پایین، این می تواند مشکل ساز باشد. شکل 5 نشان می‌دهد که چگونه یک ناپیوستگی خوب در یک صفحه زمین می‌تواند با گرفتن جریان‌های برگشتی فرکانس پایین که از طریق زمین در یک منطقه تعیین‌شده جریان دارند، وضعیت را اصلاح کند.



قانون 2: چند ضلعی سیگنال بازگشت را منفجر نکنید

درست است. ما به تازگی یک مثال عالی را در موقعیتی به شما نشان دادیم که در آن ایجاد وقفه در مسیر جریان سیگنال بازگشتی تصمیم درستی بود. با این حال، به عنوان مهندسان EMC معمولی، به شما توصیه می کنیم که هرگز این کار را انجام ندهید. چرا؟ زیرا بسیاری از پیشرفت‌هایی که از افراد کاملاً درک شده با آنها مواجه شده‌ایم، نتیجه شکستن ناخواسته قانون 1 و ایجاد شکاف در چند ضلعی‌های برگشتی بوده است. علاوه بر این، اغلب شکاف بی اثر و غیر ضروری بود.

یک پیشنهاد این است که جریان برگشتی سیگنال آنالوگ باید همیشه از جریان برگشتی سیگنال دیجیتال جدا شود. این ایده زمانی به وجود آمد که مدارهای آنالوگ و دیجیتال در فرکانس های کیلوهرتز کار می کردند. به عنوان مثال، تخته‌هایی که برای صدای دیجیتال استفاده می‌شوند، اغلب به دلیل تأثیر جریان‌های سیگنال دیجیتال با فرکانس پایین که در زیر ناحیه برد که تقویت‌کننده‌های حساس آنالوگ در آن قرار داشتند، دارای مشکلات نویز بودند. مدتی پیش طراحان صدا سعی کردند با جداسازی چند ضلعی های جریان برگشتی برای کنترل مسیرهای برگشت و حذف مدارهای جریان آنالوگ از مدارهای دیجیتال، از این مشکل جلوگیری کنند.

دانشجویان ما برای حل یک چالش طراحی که مستلزم محافظت از اجزای حساس آنالوگ (معمولاً تقویت‌کننده‌های صوتی یا نوسان‌گرهای قفل‌شده فاز) از بخش دیجیتال مدار است، با جدا کردن مسیر جریان برگشتی سیگنال به گونه‌ای که جریان‌های فرکانس پایین جدا می‌شوند، به چالش کشیده می‌شوند. و جریان های فرکانس بالا تداخل ایجاد نمی کنند. معمولاً مشخص نیست که چگونه می توان این کار را انجام داد، و اغلب شکاف ها در چند ضلعی ها بیش از آن که حل کنند، مشکلاتی ایجاد می کنند.

وضعیت مشابهی هنگام سیم کشی لاستیک برای تجهیزات رادیویی الکترونیکی خودرو یا هوانوردی ایجاد می شود. در چنین تجهیزاتی، جریان های برگشتی مدار دیجیتال اغلب از محفظه مشترک جدا می شوند تا از آسیب دیدن مدار دیجیتال توسط جریان های LF بالا که می توانند از ساختار فلزی خودرو عبور کنند، محافظت کنند. فیلتر EMI و حفاظت گذرا معمولاً به اتصالات به شاسی نیاز دارند در حالی که سیگنال باید نسبت به گذرگاه سیگنال برگشتی دیجیتال منتقل شود.

هنگامی که مدار بسته و چند ضلعی های جریان برگشتی دیجیتال از یک گذرگاه مشترک استفاده می کنند، به صورت یک چند ضلعی ناپیوسته ظاهر می شوند. این گاهی اوقات سردرگمی ایجاد می کند که یک قطعه جداگانه باید به کدام زمین متصل شود. در این شرایط، سیم کشی اتوبوس شاسی و برگشت دیجیتال در اتوبوس های جداگانه، معمولا ایده خوبی است. چند ضلعی برگشتی دیجیتال باید جامد باشد و ناحیه زیر تمام اجزای دیجیتال، ردپاها و رابط ها را پوشش دهد. اتصال به شاسی باید به ناحیه برد نزدیک کانکتورها محدود شود.

بدون شک، شرایطی وجود دارد که نیاز به یک شکست مناسب در مسیر جریان برگشتی است. با این حال، مطمئن ترین روش یک چند ضلعی جامد برای تمام جریان های سیگنال برگشتی است. در مواردی که یک سیگنال تک فرکانس پایین مستعد تداخل است (قابلیت اختلاط با سیگنال های دیگر روی برد)، از ردیابی بر روی یک لایه جداگانه برای بازگشت این جریان به منبع استفاده می شود. به طور کلی، هرگز در یک چند ضلعی جریان برگشتی سیگنال تقسیم یا قطع نکنید. اگر هنوز متقاعد شده اید که برای حل مشکل جداسازی فرکانس پایین، برش در چند ضلعی ضروری است، با یک متخصص مشورت کنید. به دستورالعمل‌ها یا برنامه‌های طراحی تکیه نکنید و سعی کنید مداری را که برای شخص دیگری در طراحی مشابه کار کرده است پیاده‌سازی کنید.

اکنون که با دو قانون اصلی EMC آشنا شدیم، آماده بررسی مجدد مشکل در شکل هستیم. 1. کدام یک از گزینه ها بهترین است؟ اولین مورد تنها موردی است که قوانین را نقض نمی کند. اگر به دلایلی (خارج از میل طراحی)، شکاف در چند ضلعی خاکی مورد نیاز بود، گزینه سوم سیم کشی قابل قبول تر است. ردیابی در امتداد ناپیوستگی مساحت حلقه جریان سیگنال را به حداقل می رساند.

قانون 3: مدارهای پرسرعت را بین کانکتورها قرار ندهید

این یکی از رایج ترین طرح های تخته است که ما در آزمایشگاه خود بررسی و ارزیابی کرده ایم. در بردهای ساده، که قرار بود بدون هیچ هزینه یا تلاش اضافی تحت تمام الزامات EMC هیچ خرابی نداشته باشند، محافظ و فیلتر خوب باطل شد زیرا این قانون ساده زیر پا گذاشته شد.

چرا قرار دادن کانکتور بسیار مهم است؟ زیر چند صد مگاهرتز، طول موج در حد یک متر یا بیشتر است. هادی های روی برد - آنتن های احتمالی - طول الکتریکی نسبتاً کوتاهی دارند و بنابراین عملکرد ناکارآمدی دارند. با این حال، کابل ها یا سایر دستگاه های متصل به برد می توانند آنتن های کاملاً مؤثری باشند.

جریان های سیگنالی که از طریق هادی ها جریان می یابند و از چند ضلعی های جامد باز می گردند، افت ولتاژ کوچکی بین هر دو نقطه در چند ضلعی ایجاد می کنند. این ولتاژها متناسب با جریان عبوری از چند ضلعی هستند. وقتی همه کانکتورها روی یک لبه برد قرار می گیرند، افت ولتاژ ناچیز است.

با این حال، المان‌های مدار با سرعت بالا که بین کانکتورها قرار می‌گیرند می‌توانند به راحتی اختلاف پتانسیل بین کانکتورها تا چندین میلی ولت یا بیشتر ایجاد کنند. این ولتاژها می توانند جریان های تحریک را به کابل های متصل القا کنند و تشعشع آنها را افزایش دهند.

اگر حتی یک کانکتور کابلی در طرف مقابل برد قرار گیرد، بردی که تمام مشخصات را برآورده می کند، زمانی که کانکتورها در یک طرف قرار دارند، می تواند برای یک مهندس EMC یک کابوس باشد. محصولاتی که این نوع مشکل را نشان می‌دهند (کابل‌هایی که ولتاژهای القا شده از طریق زمین جامد را حمل می‌کنند) به‌ویژه رفع مشکل هستند. اغلب این نیاز به یک غربالگری نسبتاً خوب دارد. در بسیاری از موارد، اگر کانکتورها در یک طرف یا گوشه ای از برد قرار می گرفتند، به هیچ وجه به این محافظ نیازی نبود.

قانون 4. کنترل زمان انتقال سیگنال

بردی که با فرکانس 100 مگاهرتز کار می کند هرگز نباید شرایط لازم برای کار با فرکانس 2 گیگاهرتز را برآورده کند. یک سیگنال دیجیتال خوب در هارمونیک های پایین تر قدرت زیادی خواهد داشت و در هارمونیک های بالاتر قدرت زیادی نخواهد داشت. با کنترل زمان انتقال سیگنال، می توان قدرت سیگنال را در هارمونیک های بالاتر کنترل کرد که برای EMC ارجحیت دارد. زمان های انتقال بیش از حد طولانی می تواند منجر به یکپارچگی سیگنال و مشکلات حرارتی شود. در فرآیند توسعه و طراحی، باید بین این پیش نیازهای رقیب سازش حاصل شود. زمان انتقال تقریباً 20٪ از دوره سیگنال منجر به شکل موج قابل قبولی می شود که مشکلات ناشی از تداخل و تشعشع را کاهش می دهد. بسته به کاربرد، زمان انتقال ممکن است بیشتر یا کمتر از 20 درصد دوره سیگنال باشد. با این حال، این زمان نباید غیر قابل کنترل باشد.

سه راه اصلی برای تغییر لبه های سیگنال های دیجیتال وجود دارد:
- استفاده از ریزمدارهای دیجیتال سری که سرعت آنها با سرعت مورد نیاز مطابقت دارد.
- قرار دادن مقاومت یا سلف روی فریت به صورت سری با سیگنال خروجی و
- قرار دادن یک خازن به موازات سیگنال خروجی

راه اول اغلب ساده ترین و موثرترین است. استفاده از یک مقاومت یا فریت به طراح کنترل بیشتری بر گذرا می دهد و تأثیر کمتری بر تغییراتی که در خانواده های منطقی در طول زمان رخ می دهد دارد. مزیت استفاده از خازن برای کنترل این است که در صورت عدم نیاز به راحتی می توان آن را جدا کرد. با این حال، باید به خاطر داشت که خازن ها جریان منبع RF را افزایش می دهند.

توجه داشته باشید که تلاش برای فیلتر کردن سیگنال تک سیم در مسیر جریان برگشتی همیشه ایده بدی است. به عنوان مثال، هرگز یک رد فرکانس پایین را از طریق یک شکاف در چند ضلعی بازگشتی در تلاش برای فیلتر کردن نویز فرکانس بالا هدایت نکنید. پس از در نظر گرفتن دو قانون اول، این باید واضح باشد. با این حال، تخته هایی که از این استراتژی نادرست استفاده می کنند، گاهی در آزمایشگاه ما یافت می شوند.

به طور کلی در فرآیند طراحی ساختار و چیدمان برد باید رعایت قوانین EMC را در اولویت قرار داد. هنگام تلاش برای پیروی از سایر توصیه های EMC نباید این قوانین به خطر بیفتد. با این حال، چند توصیه اضافی وجود دارد که شایسته توجه است. برای مثال، جداسازی کافی ریل برق، کوتاه نگه داشتن سیم‌های ورودی/خروجی و فیلتر کردن سیگنال‌های خروجی مهم است.

همچنین ایده خوبی است که دستگاه های فعال را با دقت انتخاب کنید. همه اجزای نیمه هادی سازگار با پین از نظر نویز معادل نیستند. دو دستگاه با مشخصات یکسان، اما ساخته شده توسط سازنده های مختلف، می توانند به طور قابل توجهی از نظر نویز در پایه های ورودی، خروجی و پاور متفاوت باشند. این امر به ویژه برای مدارهای بسیار یکپارچه مانند ریزپردازنده ها و مدارهای مجتمع مخصوص کاربردهای بزرگ (ASIC) صادق است. این ایده خوبی است که در صورت امکان اجزای سازنده‌های مختلف را ارزیابی کنید.

و در نهایت، طرح خود را دوباره بررسی کنید. حتی اگر شما یک طراح PCB باتجربه و متخصص EMC هستید، خوب است فردی را داشته باشید که در مورد تجزیه و تحلیل EMC آگاه و با طراحی PCB آشنا باشد. از او بخواهید طرح شما را به طور انتقادی بررسی کند.

به توصیه چه کسی می توان اعتماد کرد؟ به هر کسی که توصیه‌هایش به وضوح به شما در انجام چهار قانون اصلی کمک می‌کند اعتماد کنید. کمی توجه بیشتر در طول طراحی می تواند باعث صرفه جویی در زمان، هزینه و تلاش زیادی شود که در تلاش برای به کار انداختن یک محصول بدون سازش به درستی هدر می رود.

ترجمه مقاله:
دکتر. تاد هابینگ، دکتر. تام ون دورن
طراحی برای EMC: 4 دستورالعمل برتر
طراحی و ساخت مدار چاپی، ژوئن 2003

دکتر. تاد هیوبینگ، استاد بازنشسته مهندسی برق و کامپیوتر، دو بار جایزه "انتشارات بهترین سمپوزیوم" سمپوزیوم بین المللی موسسه مهندسین برق و الکترونیک را دریافت کرد.

دکتر. تام ون دورن، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در آزمایشگاه سازگاری الکترومغناطیسی دانشگاه میسوری رول.

حاشیه سود در لوازم الکترونیکی مصرفی کم است و تولیدکنندگان سعی می کنند هزینه های محصول را پایین نگه دارند تا رقابتی باقی بمانند. به همین دلیل، طراحان را ملزم به استفاده از بردهای مدار چاپی (PCB) و قطعات ارزان قیمت و در عین حال حفظ عملکرد مطلوب دستگاه ها می کنند. سازندگان بر این باورند که اطمینان از سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) در طراحی PCB و استفاده از اجزای EMC بالا، لوکسی است که آنها نمی توانند از عهده آن برآیند.

بسیاری بر این باورند که مشکلات EMC را می توان در پایان چرخه توسعه با اجزای اضافی سرکوب EMI حل کرد. همیشه واضح نیست که هزینه چنین اصلاحاتی در مراحل نهایی توسعه چندین برابر هزینه های تضمین سازگاری الکترومغناطیسی در مراحل اولیه طراحی هنگام ایجاد PCB باشد. بنابراین تمایل به کاهش هزینه مواد و قطعات در واقع منجر به افزایش قابل توجه قیمت تمام شده محصول خواهد شد.

برای طراحی PCB با سطح نویز کم و حداقل حساسیت به تداخل، اولاً باید مدار زمین را به درستی سازماندهی کرد و ثانیاً برد مدار چاپی را به درستی مرتب کرد. برای هر PW مطلوب است که حداقل امپدانس زمین برای اطمینان از جریان کارآمد در هنگام تداخل داشته باشد. از سوی دیگر، این یک چیدمان شایسته است که پیش نیاز ایجاد یک برد مدار چاپی خوب است. مسیریابی مناسب نه تنها امپدانس هادی ها را کاهش می دهد، بلکه از جفت شدن امپدانس رایج نیز جلوگیری می کند.

PCB فرکانس بالا: مدارهای دیجیتال و نویز

مدارهای مجتمع دیجیتال (IC) حاوی گیت های منطقی منبع نویز گذرا به دلیل تاخیر در خاموش شدن ترانزیستور هستند. هر بار که گیت منطقی تغییر حالت می دهد، یک پالس کوتاه جریان از طریق ترانزیستورهای مکمل مرحله خروجی جریان می یابد. اندوکتانس ردپای زمین اجازه نمی دهد جریان به طور ناگهانی تغییر کند، که منجر به افزایش ولتاژ می شود.

برای کاهش اثر چنین تداخلی، تمام مدارهای دیجیتال باید دارای حداقل امپدانس زمین باشند. علاوه بر این، یک جزء جداکننده باید در کنار هر چیپ منطقی نصب شود، که تضمین می کند که حلقه جریان پالسی به منبع تغذیه Vcc منتشر نمی شود.

امپدانس زمین را می توان به چند روش کاهش داد: با کاهش اندوکتانس ردیابی رسانا، با کاهش مساحت حلقه های جریان، و با کاهش طول مسیرهای حامل جریان. این را می توان تا حدی با جدا کردن اجزای واقع در نزدیکی هر تراشه منطقی انجام داد.

کاهش اندوکتانس هادی های زمین

اندوکتانس یک هادی با طول آن نسبت مستقیم دارد. بنابراین لازم است طول مسیرهایی که جریان های پالسی در آن جریان دارند کاهش یابد. کاهش اضافی در اندوکتانس نیز با افزایش عرض مسیرهای قدرت امکان پذیر است. متأسفانه، اندوکتانس با عرض مسیر نسبت معکوس دارد و این رویکرد چندان کارآمد نیست. در نتیجه، این طول مسیر است که مهمترین عامل از نظر اطمینان از حداقل اندوکتانس است.

اگر از اندوکتانس متقابل غفلت کنیم، اندوکتانس معادل دو مسیر موازی یکسان نصف خواهد شد. در مورد چهار مسیر موازی، اندوکتانس معادل چهار برابر کمتر خواهد بود. با این حال، محدودیتی برای استفاده از این روش وجود دارد. واقعیت این است که اگر آهنگ ها به یکدیگر نزدیک باشند، اندوکتانس متقابل به خود القایی نزدیک می شود و اندوکتانس معادل کاهش نمی یابد. با این حال، اگر ردیابی ها دو برابر عرضشان فاصله داشته باشند، می توان 25 درصد کاهش در اندوکتانس به دست آورد.

بنابراین، در یک مدار فرکانس بالا، باید تا حد امکان مسیرهای موازی جایگزین برای جریان جریان های زمین فراهم کنید. اگر تعداد رساناها به طور نامحدود افزایش یابد، در نهایت به لایه ای از زمین جامد خواهیم رسید. استفاده از یک لایه زمین جداگانه در تخته های چند لایه به شما امکان می دهد تعداد زیادی از مشکلات را به طور همزمان حل کنید.

اگر در مورد تخته دو لایه صحبت می کنیم، با اجرای زمین به شکل شبکه می توان به نتیجه قابل قبولی دست یافت (شکل 1). در این حالت، بهترین گزینه زمانی خواهد بود که مسیر زمین از زیر هر ریز مدار در تمام طول آن عبور کند. استفاده از فاصله شبکه عمودی برابر با طول آی سی مجاز است. ردپای عمودی و افقی می تواند در طرف مقابل تخته باشد، اما باید در گره های شبکه با استفاده از vias متصل شود.

برنج. 1. زمین به صورت شبکه ای ساخته شده است

معلوم شد که اگر در یک برد مدار چاپی دو طرفه معمولی با 15 میکرو مدار، زمین به شکل شبکه ساخته شود، صدای زمین ده برابر کاهش می یابد. بنابراین تمام بردهای مدار چاپی دولایه با آی سی دیجیتال باید از چنین راه حلی استفاده کنند.

کاهش مساحت حلقه های جریان

روش دیگر برای کاهش اندوکتانس، کاهش مساحت حلقه های جریان است. یک برد مدار چاپی با یک حلقه باز بزرگ (شکل 2 الف) یک مولد نویز موثر است. علاوه بر این، خود مدار نیز به میدان های مغناطیسی خارجی حساس خواهد بود.

مدار قدرتی متشکل از دو ردپای موازی یکسان - رد منبع تغذیه Vcc و ردپای زمین GND - را در نظر بگیرید که در آن جریان ها در جهت مخالف جریان می یابند. اندوکتانس کل آنها (Lt) با استفاده از فرمول 1 محاسبه می شود:

Lt = 2 (L - M) (1)

که در آن L اندوکتانس هر مسیر و M اندوکتانس متقابل است.

اگر ردهای Vcc و زمین را نزدیک به هم قرار دهید، اندوکتانس متقابل حداکثر خواهد بود و اندوکتانس مؤثر تقریباً نصف می شود. در حالت ایده آل، در PCB، رد Vcc باید موازی با ردیابی زمین باشد. این امر مساحت حلقه جریان را کاهش می دهد و به حل مشکلات مربوط به تولید نویز و حساسیت به تداخل کمک می کند.

روی انجیر شکل 2a یک طرح ناموفق از برد مدار چاپی را نشان می دهد و در شکل. 2b یک نسخه بهبود یافته را نشان می دهد. در آن، با کاهش مساحت مدار، کاهش طول مسیر و افزایش اندوکتانس متقابل امکان پذیر شد که امکان دستیابی به کاهش انتشار و حساسیت به تداخل را فراهم کرد.

جداسازی خازن ها

روی انجیر 3 و قدرت Vcc و ردپای زمین نزدیک به هم هستند. با این حال، مسیر جریان پالسی که در منبع تغذیه شروع و به پایان می رسد، یک حلقه بزرگ (منطقه سبز رنگ در شکل) را تشکیل می دهد که می تواند تداخل الکترومغناطیسی ایجاد کند. اگر یک خازن سرامیکی جداکننده Cc، متصل بین مدارهای Vcc و زمین، در کنار هر IC قرار گیرد، به عنوان یک عنصر بافر برای تامین برق IC در طول زمان سوئیچینگ عمل می کند و در نتیجه حلقه جریان جریان را کاهش می دهد.

برنج. 3. خازن جداسازی

در حالت ایده آل، خازن جداسازی باید حدود 1 نانوفاتر باشد. خازن های سرامیکی باید استفاده شوند زیرا می توانند شارژ را با سرعت بسیار بالایی تخلیه کنند. جریان تخلیه بالا و خود القایی کم آنها را برای کاربردهای جداسازی برق ایده آل می کند.

کوپلینگ امپدانس در بردهای مدار چاپی

روی انجیر شکل 4 نمونه ای از کوپلینگ امپدانس را در هنگام استفاده از ریل های برق و زمین مشترک نشان می دهد. در این مدار، تقویت کننده آنالوگ قدرت و ریل زمین را با گیت منطقی به اشتراک می گذارد. امپدانس های مسیر به صورت عناصر توده ای (Zg و Zs) نشان داده می شوند. در فرکانس های بالاتر، امپدانس تراک ها چندین برابر افزایش می یابد. این نه تنها به دلیل افزایش جزء القایی است، بلکه به دلیل افزایش مقاومت ناشی از اثر پوست است.

برنج. 4. کوپلینگ امپدانس مشترک

همانطور که قبلا دیدیم، هر زمان که گیت منطقی سوئیچ می شود، یک افزایش ولتاژ رخ می دهد. بخشی از امپدانس زمین (Zg3) برای تقویت کننده و گیت منطقی مشترک است، بنابراین تقویت کننده این پالس ولتاژ را به صورت نویز در مدار قدرت می بیند. این نویز می تواند مستقیماً از طریق ورودی برق یا از طریق امپدانس مشترک Zg3 به مدار تقویت کننده منتقل شود. در نتیجه نویز مستقیماً در ورودی تقویت کننده ظاهر می شود. برای کاهش کوپلینگ امپدانس کلی، یا مقدار امپدانس کلی را کاهش دهید یا به طور کامل از شر آن خلاص شوید.

امپدانس مشترک را حذف کنید

امپدانس مشترک را می توان با اتصال ستاره مدارهای برق مدارهای مختلف همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است حذف کرد. برای انجام این کار، لازم است مدارها را بسته به سطح نویز و حساسیت آنها به تداخل گروه بندی کنیم. در هر گروه می توان از اتوبوس های معمولی استفاده کرد، اما خطوط برق گروه های جداگانه در یک نقطه به هم متصل می شوند. چنین ارتباطی ترکیبی نامیده می شود. روش دوم استفاده از منابع تغذیه جداگانه برای هر گروه از مدارها است که جداسازی بین مدارها را بیشتر بهبود می بخشد.

برنج. 5. اتصال در یک نقطه

در این بخش، نحوه جلوگیری از اعوجاج سیگنال دیجیتال مرتبط با انتقال آن در امتداد هادی روی برد مدار چاپی را در نظر می گیریم. اگرچه این در درجه اول وظیفه مهندس مدار است، طراح PCB نیز اغلب مقصر مشکلات سیگنال دهی روی برد و همچنین تداخل و تداخلی است که روی برد رخ می دهد.

چرا سیگنال در حین انتقال مخدوش می شود؟
اول از همه، اعوجاج مشخصه سیگنال های فرکانس بالا، با فرکانس 1 گیگاهرتز یا بیشتر است. این به دلیل تأثیر رزونانس ها و بازتاب ها بر روی بخش های جداگانه هادی ها، گذرگاه ها، انشعابات روی برد و همچنین در ورودی گیرنده ها است. با این حال، مشکل این است که سیگنال‌هایی با فرکانس‌های تا 500 مگاهرتز، که برای مدارهای دیجیتال استاندارد معمول هستند، همانطور که در زیر خواهیم دید، اغلب می‌توانند به طور قابل توجهی تحریف شوند، به این معنی که می‌توانند به عنوان فرکانس بالا نیز طبقه‌بندی شوند.

ایده انتقال بدون اعوجاج چیست؟
اصل انتقال سیگنال بدون اعوجاج این است که هادی به عنوان یک خط انتقال (یا "خط بلند") با یک ویژگی مشخص (موج) امپدانس ساخته شده است، به عنوان مثال. امپدانس Z 0، از منبع تا گیرنده سیگنال یکسان است که یکنواختی خط را تضمین می کند. شرط دوم سازگاری خط با منبع و گیرنده سیگنال است. برخلاف یک هادی معمولی، چنین خط انتقالی در طول انتقال سیگنال، مهم نیست که چقدر طولانی باشد، منجر به تشدید، اعوجاج و بازتاب نمی شود. خطوط انتقال را می توان با استفاده از موادی با پارامترهای شناخته شده و تامین ابعاد مورد نیاز عناصر الگوی چاپی، به راحتی بر روی برد مدار چاپی پیاده سازی کرد. بین تطبیق خط سری و موازی تمایز قائل شد و لازم است از مقاومت های پایان دهنده خاصی در خروجی منبع و / یا ورودی گیرنده سیگنال استفاده شود. البته خطوط انتقال تشکیل شده روی برد را می توان با استفاده از کانکتورها و کابل هایی با امپدانس کنترل شده Z 0 در خارج از برد گسترش داد.

برای چه سیگنال هایی اعوجاج قابل توجه می شود؟
با مقایسه طول هادی روی برد با طول موجی که بالاترین فرکانس جزء سیگنال ارسالی دارد (هنگام انتشار، به عنوان مثال، در مواد FR4)، می توان به اصطلاح طول الکتریکی هادی را تعیین کرد. طول الکتریکی را می توان بر حسب کسری از حداقل طول موج، یا در کسری از متقابل آن، مدت زمان جلو بیان کرد. اگر طول الکتریکی هادی بیش از حد زیاد باشد، برای جلوگیری از اعوجاج بیش از حد سیگنال، این هادی باید به عنوان یک خط انتقال ساخته شود. توجه داشته باشید که هنگام ارسال سیگنال های فرکانس بالا، خطوط انتقال باید نه تنها برای کاهش اعوجاج، بلکه برای کاهش سطح تابش الکترومغناطیسی (EMR) استفاده شود.

قانون نیمه افزایش
یک قانون کلی این است که هادی از نظر الکتریکی طولانی است (آنچه در مهندسی برق نامیده می شود. "خط طولانی") اگر زمان افزایش سیگنال از منبع تا دورترین گیرنده از نصف زمان افزایش سیگنال بیشتر شود. در این حالت است که انعکاس در خط می تواند به طور قابل توجهی جلوی سیگنال را مخدوش کند. فرض کنید دستگاه دارای تراشه هایی با زمان افزایش 2 ns است (به عنوان مثال، طبق مستندات سری FastTTL). ثابت دی الکتریک مواد PCB (FR4) در فرکانس های بالا نزدیک به 4.0 است که سرعت جلویی حدود 50 درصد سرعت نور یا 1.5.10 8 متر بر ثانیه را می دهد. این مربوط به زمان انتشار در جلو 6.7 ps/mm است. با این سرعت، جلو حدود 300 میلی متر را در 2 ثانیه طی می کند. از این می توان نتیجه گرفت که برای چنین سیگنال هایی، "خطوط انتقال" باید فقط در صورتی استفاده شود که طول هادی بیش از نیمی از این فاصله باشد - یعنی 150 میلی متر.

متأسفانه این پاسخ اشتباه است. قانون نیم افزایش بیش از حد ساده است و در صورت عدم توجه به کاستی های آن می تواند منجر به مشکلاتی شود.

مشکلات رویکرد ساده شده
داده های مربوط به زمان افزایش که در مستندات ریزمدارها ارائه شده است، حداکثر مقدار را منعکس می کند، و اغلب زمان سوئیچ واقعی به طور قابل توجهی کمتر است (مثلاً، می تواند 3-4 برابر کمتر از "حداکثر" باشد، و به سختی می توان آن را تضمین کرد. که از دسته‌ای به دسته‌ای از چیپس‌ها متفاوت نیست). علاوه بر این، جزء بارگذاری خازنی اجتناب‌ناپذیر (از ورودی‌های ریزمدارهای متصل به خط) سرعت انتشار سیگنال را در مقایسه با سرعت محاسبه‌شده قابل دستیابی بر روی یک برد مدار چاپی خالی کاهش می‌دهد. بنابراین، برای دستیابی به یکپارچگی سیگنال ارسالی کافی، خطوط انتقال باید برای هادی‌های بسیار کوتاه‌تر از قانون توصیف شده قبلی استفاده شود. می توان نشان داد که برای سیگنال هایی با زمان افزایش (طبق مستندات) 2 ns، توصیه می شود از خطوط انتقال از قبل برای هادی هایی استفاده کنید که طول آنها از 30 میلی متر (و گاهی اوقات کمتر) بیشتر است! این امر به ویژه برای سیگنال هایی که عملکرد همگام سازی یا راه اندازی را دارند صادق است. برای چنین سیگنال هایی است که مشکلات مربوط به "مثبت کاذب"، "محاسبه مجدد"، "تثبیت داده های نادرست" و موارد دیگر معمول است.

چگونه خطوط انتقال را طراحی کنیم؟
انتشارات زیادی وجود دارد که به انواع خطوط انتقال، نحوه طراحی آنها بر روی برد مدار چاپی، نحوه بررسی پارامترهای آنها اختصاص داده شده است. به طور خاص، IEC 1188-1-2: 1988 راهنمایی دقیق در این مورد ارائه می دهد. همچنین محصولات نرم افزاری زیادی وجود دارد که به شما امکان می دهد طراحی خط انتقال و ساختار برد مدار چاپی را انتخاب کنید. اکثر سیستم های طراحی PCB مدرن دارای برنامه های داخلی هستند که به طراح اجازه می دهد خطوط انتقال را با پارامترهای داده شده طراحی کند. به عنوان مثال می توان از برنامه هایی مانند AppCAD، CITS25، TXLine نام برد. کامل ترین امکانات توسط محصولات نرم افزاری Polar Instruments ارائه شده است.

نمونه هایی از خطوط انتقال
به عنوان مثال، ساده ترین انواع خطوط انتقال را در نظر بگیرید.

چگونه یک خط انتقال را به بهترین شکل طراحی کنیم؟
سیگنال‌های بالاترین سرعت (یا بحرانی‌ترین) باید در لایه‌های مجاور طرح زمین (GND) باشند، ترجیحاً در لایه‌ای که با طرح قدرت جداسازی جفت می‌شود. در صورتی که این طرح ها به اندازه کافی جدا شده باشند و نویز زیادی نداشته باشند، می توان سیگنال های بحرانی کمتری را به سمت طرح های برق هدایت کرد. هر یک از این طرح های قدرت باید با میکرو مداری که از آن یا به آن سیگنال دریافت می شود، مرتبط باشد. بهترین نویز و مصونیت EMC توسط خطوط نواری که بین دو پلن GND اجرا می‌شوند، ارائه می‌شود، که هر کدام با طرح قدرت جداسازی خاص خود جفت شده‌اند.
خط انتقال نباید دارای سوراخ، شکاف یا شکاف در هیچ یک از پلان های پایه ای باشد که روی آن کشیده شده است، زیرا این امر منجر به تغییرات قابل توجهی در Z 0 می شود. همچنین خط نوار باید تا حد امکان از هر شکافی در پلان یا از لبه پلان مرجع فاصله داشته باشد و این فاصله نباید کمتر از ده برابر عرض هادی باشد. خطوط انتقال مجاور باید با حداقل سه عرض هادی از هم جدا شوند تا تداخل از بین برود. سیگنال‌های بسیار بحرانی یا «تهاجمی» (مانند ارتباط با آنتن رادیویی) می‌توانند در EMC از استفاده از یک خط متعادل با دو ردیف دریچه‌های نزدیک به هم بهره ببرند، گویی که آن را از سایر هادی‌ها مسدود می‌کنند و یک ساختار کواکسیال در برد مدار چاپی ایجاد می‌کنند. . با این حال، برای چنین ساختارهایی، Z 0 با استفاده از فرمول های دیگر محاسبه می شود.

چگونه می توان پروژه را ارزان تر کرد؟
انواع خطوط انتقالی که در بالا توضیح داده شد تقریباً همیشه نیاز به استفاده از یک برد چند لایه دارند، بنابراین ممکن است برای ایجاد محصولات انبوه با رده قیمت پایین‌تر قابل استفاده نباشند (اگرچه در حجم بالا، بردهای مدار چاپی 4 لایه فقط 20 تا 30 درصد بیشتر هستند. گرانتر از دو طرفه). اما برای طراحی های کم هزینه از انواع خطوط مانند متعادل (یکنواخت) یا همسطح نیز استفاده می شود که می توان آن ها را روی تخته تک لایه ساخت. باید در نظر داشت که خطوط تک لایه خطوط انتقال چندین برابر بیشتر از خطوط میکرواستریپ و نوار مساحت بیشتری را در برد اشغال می کنند. علاوه بر این، با صرفه جویی در هزینه برد مدار چاپی، مجبور خواهید بود برای محافظ اضافی دستگاه و فیلتر نویز هزینه بیشتری بپردازید. یک قانون کلی وجود دارد که هزینه حل یک مشکل EMC در سطح پکیج 10 تا 100 برابر بیشتر از حل همان مشکل در سطح PCB است.
بنابراین، زمانی که بودجه توسعه خود را با کاهش تعداد لایه‌های PCB کاهش می‌دهید، آماده باشید که زمان و هزینه بیشتری را صرف تکرارهای متعدد سفارش تخته‌های نمونه کنید تا به سطح مورد نیاز یکپارچگی سیگنال و EMC برسید.

چگونه اثر منفی تغییر لایه ها را تضعیف کنیم؟
طبق قوانین سیم کشی معمولی، حداقل یک خازن جداکننده در نزدیکی هر میکرو مدار وجود دارد، به طوری که می توانیم لایه نزدیک ریز مدار را تغییر دهیم. با این حال، طول کل بخش هایی که در لایه "نوار" قرار ندارند باید در نظر گرفته شود. یک قانون کلی این است که کل طول الکتریکی این بخش ها نباید از یک هشتم زمان افزایش بیشتر شود. اگر تغییر بیش از حد در Z 0 ممکن است در هر یک از این بخش‌ها رخ دهد (مثلاً هنگام استفاده از سوکت‌های ZIF یا انواع دیگر سوکت‌های آی سی)، بهتر است سعی کنید این طول را تا یک دهم زمان افزایش به حداقل برسانید. از قانون فوق برای تعیین حداکثر طول کل مجاز بخش های غیر عادی استفاده کنید و سعی کنید تا حد امکان آن را در این محدوده ها کوچک نگه دارید.
بر این اساس، برای سیگنال هایی با زمان جلو (طبق مستندات) 2 ns، باید لایه را بیش از 10 میلی متر از مرکز ریز مدار یا از مرکز مقاومت پایان دهنده تغییر دهیم. این قانون با در نظر گرفتن یک حاشیه 4 برابری برای این واقعیت ایجاد شده است که زمان سوئیچینگ واقعی می تواند به طور قابل توجهی کمتر از حداکثر با توجه به مستندات باشد. تقریباً در همان فاصله (نه بیشتر) از محل تغییر لایه، باید حداقل یک خازن جداکننده وجود داشته باشد که زمین و نقشه های برق مربوطه را به هم متصل کند. دستیابی به چنین فاصله های کوچکی هنگام استفاده از تراشه های بزرگ دشوار است، بنابراین سازش هایی در طرح مدارهای پرسرعت امروزی وجود دارد. با این حال، این قانون ترجیح تراشه‌های کوچک را در مدارهای پرسرعت توجیه می‌کند و واقعیت توسعه سریع فناوری‌های BGA و Flip-chip را توضیح می‌دهد که مسیر سیگنال از هادی روی برد به تراشه را به حداقل می‌رساند.

مدل سازی و آزمایش نمونه های اولیه
به دلیل تنوع زیاد ریزمدارها و حتی کاربردهای بیشتر، ممکن است برخی مهندسان این قوانین کلی را به اندازه کافی دقیق نباشند، و برخی ممکن است آنها را اغراق آمیز بدانند، اما این نقش "قوانین سرانگشتی" است - این فقط یک تقریب تقریبی است که به شما اجازه می دهد تا به طور مستقیم دستگاه های کار را به درستی طراحی کنید.
امروزه ابزارهای مدل سازی کامپیوتری روز به روز در دسترس تر و پیشرفته تر می شوند. آنها به شما امکان می دهند پارامترهای یکپارچگی سیگنال، EMC را بسته به ساختار واقعی لایه ها و سیم کشی سیگنال محاسبه کنید. البته، کاربرد آنها نتایج دقیق تری نسبت به استفاده از تقریب های تقریبی ما به همراه خواهد داشت، بنابراین توصیه می کنیم تا حد امکان از شبیه سازی های کامپیوتری استفاده کنید. با این حال، فراموش نکنید که زمان سوئیچینگ واقعی ریزمدارها می تواند به طور قابل توجهی کوتاهتر از آنچه در مستندات نشان داده شده باشد، و این می تواند منجر به نتایج نادرست شود، بنابراین مطمئن شوید که مدل مراحل خروجی و ورودی با واقعیت مطابقت دارد.
مرحله بعدی بررسی عبور سیگنال حیاتی بر روی اولین نمونه PCB "نمونه اولیه" با استفاده از یک اسیلوسکوپ فرکانس بالا است. باید مراقب بود که شکل موج با حرکت در امتداد PCB در تمام طول رسانا تحریف نشود، و پیروی از قوانین فوق به تنهایی بعید است که در بار اول نتایج عالی به همراه داشته باشد، اگرچه می توانند بسیار خوب باشند. استفاده از یک آنالایزر میدان الکترومغناطیسی RF یا آنالایزر طیف انتشار، می تواند راه دیگری برای مطالعه یکپارچگی سیگنال و مسائل مربوط به EMC در سطح "نمونه اولیه" PCB باشد. روش های چنین تحلیلی موضوع این مقاله نیست.
حتی اگر از شبیه‌سازی مدار پیچیده استفاده می‌کنید، از یکپارچگی سیگنال و آزمایش EMC روی اولین نمونه اولیه PCB غافل نشوید.

اطمینان از امپدانس موج در مرحله تولید PCB
یک ماده معمولی FR4 که برای ساخت بردهای مدار چاپی در نظر گرفته شده است دارای مقدار ثابت دی الکتریک (Er) در حدود 3.8...4.2 در 1 گیگاهرتز است. مقادیر واقعی Er ممکن است در 25 ± درصد متفاوت باشد. مواد Er4 مشخص و تضمین شده توسط فروشنده در دسترس هستند که بسیار گرانتر از مواد معمولی نیستند، اما سازندگان PCB ملزم به استفاده از درجه های FR4 "رده بندی" نیستند، مگر اینکه به طور خاص در سفارش PCB مشخص شده باشد.
تولیدکنندگان PCB با دی الکتریک های ضخامت استاندارد ("پیش آغشته" و "لمینیت") کار می کنند و ضخامت آنها در هر لایه باید قبل از تولید برد با در نظر گرفتن تحمل ضخامت (حدود 10±٪) تعیین شود. برای ارائه یک Z 0 معین، برای ضخامت معینی از دی الکتریک، می توانید عرض مناسب هادی را انتخاب کنید. برای برخی از تولید کنندگان، لازم است که عرض هادی مورد نیاز واقعی را نشان دهیم، برای برخی دیگر - با حاشیه برای زیر برش، که می تواند به 25-50 میکرون نسبت به عرض اسمی برسد. بهترین گزینه این است که به سازنده نشان دهید چه عرض هادی در کدام لایه ها طراحی شده است تا از Z 0 مشخص شده اطمینان حاصل شود. در این حالت، سازنده می تواند عرض هادی و ساختار لایه را تنظیم کند تا پارامترهای مشخص شده را مطابق با فناوری تولید خود ارائه دهد. علاوه بر این، سازنده امپدانس موج واقعی را در هر قسمت خالی کارخانه اندازه‌گیری می‌کند و تخته‌هایی را که Z 0 روی آن‌ها در محدوده تلرانس 10% یا دقیق‌تر قرار نمی‌گیرد، رد می‌کند.
برای سیگنال های بالاتر از 1 گیگاهرتز ممکن است لازم باشد از مواد با فرکانس بالاتر با پایداری بهتر و سایر خواص دی الکتریک (مانند Duroid از Rogers و غیره) استفاده شود.

ادبیات
1. تکنیک های طراحی برای EMC و یکپارچگی سیگنال، Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 تابلوهای چاپی و مجامع تابلوهای چاپی - طراحی و استفاده. بخش 1-2: الزامات عمومی - امپدانس کنترل شده، www.iec.ch.
3. طراحی بردهای مدار چاپی چند لایه با پیچیدگی بالا. سمینار فناوری PCB، 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. طراحی سخت افزار. والت کستر.

ملاحظات کلی

با توجه به تفاوت های قابل توجه مدار آنالوگ و مدار دیجیتال، قسمت آنالوگ مدار باید از بقیه مدار جدا شود و در سیم کشی آن باید روش ها و قوانین خاصی رعایت شود. اثرات عملکرد غیر ایده آل PCB به ویژه در مدارهای آنالوگ با فرکانس بالا قابل توجه است، اما خطاهای کلی شرح داده شده در این مقاله می تواند بر کیفیت دستگاه هایی که حتی در محدوده فرکانس صوتی کار می کنند تأثیر بگذارد.

هدف این مقاله بحث درباره اشتباهات رایج طراحان PCB، تشریح تاثیر این اشتباهات بر عملکرد و ارائه توصیه هایی برای حل مشکلات پیش آمده است.

برد مدار چاپی - جزء مدار

فقط در موارد نادری می توان برد مدار چاپی یک مدار آنالوگ را به گونه ای هدایت کرد که اثراتی که ایجاد می کند تأثیری بر عملکرد مدار نداشته باشد. در عین حال، چنین ضربه ای را می توان به حداقل رساند تا مشخصات مدارهای آنالوگ دستگاه مانند مدل و نمونه اولیه باشد.

نمونه سازی

طراحان مدارهای دیجیتال می توانند خطاهای کوچک روی برد تولیدی را با افزودن جامپرها یا برعکس حذف هادی های غیرضروری، ایجاد تغییراتی در عملکرد ریزمدارهای قابل برنامه ریزی و غیره تصحیح کنند و خیلی زود به سراغ طرح بعدی بروند. این مورد برای مدار آنالوگ نیست. برخی از خطاهای رایج مورد بحث در این مقاله را نمی توان با اضافه کردن جامپرها یا حذف سیم های اضافی برطرف کرد. آنها می توانند و می توانند کل برد مدار چاپی را از کار بیاندازند.

برای یک طراح مدار دیجیتال که از این روش‌های تصحیح استفاده می‌کند، بسیار مهم است که مطالب این مقاله را قبل از ارائه طرح به تولید بخواند و درک کند. کمی توجه به طراحی و بحث در مورد گزینه های احتمالی نه تنها از تبدیل شدن PCB به ضایعات جلوگیری می کند، بلکه هزینه را به دلیل اشتباهات در قسمت کوچک آنالوگ مدار کاهش می دهد. پیدا کردن اشکالات و رفع آنها می تواند صدها ساعت را تلف کند. نمونه سازی می تواند این زمان را به یک روز یا کمتر کاهش دهد. تمام مدارهای آنالوگ خود را بردبرد.

منابع نویز و تداخل

نویز و تداخل عناصر اصلی هستند که ویژگی های کیفی مدارها را محدود می کنند. تداخل می تواند توسط منابع منتشر شود یا بر روی عناصر مدار القا شود. مدارهای آنالوگ اغلب بر روی یک برد مدار چاپی همراه با قطعات دیجیتالی پرسرعت از جمله پردازنده های سیگنال دیجیتال قرار دارند. DSP).

سیگنال های منطقی فرکانس بالا تداخل RF قابل توجهی ایجاد می کنند ( RFI). تعداد منابع انتشار نویز بسیار زیاد است: منابع تغذیه کلیدی برای سیستم های دیجیتال، تلفن های همراه، رادیو و تلویزیون، منابع تغذیه برای لامپ های فلورسنت، رایانه های شخصی، تخلیه رعد و برق و غیره. حتی اگر مدار آنالوگ در محدوده فرکانس صوتی کار کند، RFI می تواند نویز قابل توجهی در سیگنال خروجی ایجاد کند.

انتخاب طرح PCB عامل مهمی در تعیین عملکرد مکانیکی دستگاه به عنوان یک کل است. برای ساخت بردهای مدار چاپی از مواد با سطوح کیفی مختلف استفاده می شود. مناسب ترین و راحت ترین برای طراح در صورتی است که سازنده PCB در نزدیکی آن قرار داشته باشد. در این مورد، کنترل مقاومت و ثابت دی الکتریک - پارامترهای اصلی مواد تخته مدار چاپی آسان است. متأسفانه این کافی نیست و آگاهی از پارامترهای دیگر مانند اشتعال پذیری، پایداری دمای بالا و رطوبت سنجی اغلب مورد نیاز است. این پارامترها را تنها سازنده قطعات مورد استفاده در تولید بردهای مدار چاپی می تواند بداند.

مواد لایه ای با شاخص های FR ( مقاوم در برابر شعله) و G. مواد با شاخص FR-1 دارای بیشترین اشتعال پذیری و FR-5 کمترین. مواد با شاخص های G10 و G11 ویژگی های خاصی دارند. مواد برد مدار چاپی در جدول آورده شده است. یکی

از برد مدار چاپی دسته FR-1 استفاده نکنید. نمونه های زیادی از بردهای مدار چاپی FR-1 وجود دارد که آسیب حرارتی ناشی از قطعات با توان بالا را متحمل شده اند. PCB های این دسته بیشتر شبیه مقوا هستند.

FR-4 اغلب در ساخت تجهیزات صنعتی استفاده می شود، در حالی که FR-2 در ساخت لوازم خانگی استفاده می شود. این دو دسته استاندارد شده در صنعت هستند و بردهای مدار FR-2 و FR-4 اغلب برای اکثر کاربردها مناسب هستند. اما گاهی اوقات ناقص بودن ویژگی های این دسته ها استفاده از مواد دیگر را مجبور می کند. به عنوان مثال، برای کاربردهای فرکانس بسیار بالا، از PTFE و حتی سرامیک به عنوان مواد برد مدار چاپی استفاده می شود. با این حال، هرچه مواد PCB عجیب‌تر باشد، قیمت آن بالاتر خواهد بود.

هنگام انتخاب یک ماده PCB، توجه ویژه ای به رطوبت سنجی آن داشته باشید، زیرا این پارامتر می تواند تأثیر منفی قوی بر ویژگی های مورد نظر برد - مقاومت سطح، نشت، خواص عایق ولتاژ بالا (خرابی و جرقه) و استحکام مکانیکی داشته باشد. همچنین به دمای کارکرد توجه کنید. نقاط داغ را می توان در مکان های غیرمنتظره، مانند مدارهای مجتمع دیجیتال بزرگ که با فرکانس بالا سوئیچ می کنند، پیدا کرد. اگر چنین مناطقی مستقیماً زیر اجزای آنالوگ قرار گیرند، افزایش دما می تواند بر ویژگی های مدار آنالوگ تأثیر بگذارد.

میز 1

	اجزاء، نظرات
	کاغذ، ترکیب فنلی: فشار دادن و مهر زنی در دمای اتاق، رطوبت بالا
	کاغذ، ترکیب فنلی: قابل استفاده برای بردهای مدار چاپی یک طرفه لوازم خانگی، ضریب جذب آب پایین
	کاغذ، ترکیب اپوکسی: پیشرفت هایی با ویژگی های مکانیکی و الکتریکی خوب
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: خواص مکانیکی و الکتریکی عالی
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: استحکام بالا در دماهای بالا، غیر قابل اشتعال
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: خواص عایق بالا، بالاترین استحکام فایبرگلاس، رطوبت کم
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: استحکام خمشی بالا در دماهای بالا، مقاومت در برابر حلال بالا

پس از انتخاب ماده PCB، ضخامت فویل PCB باید تعیین شود. این پارامتر در درجه اول بر اساس مقدار حداکثر جریان جاری انتخاب می شود. در صورت امکان سعی کنید از فویل بسیار نازک استفاده نکنید.

تعداد لایه های تخته چاپ شده

بسته به پیچیدگی کلی مدار و الزامات کیفی، طراح باید تعداد لایه‌های PCB را تعیین کند.

برد مدار چاپی تک لایه

مدارهای الکترونیکی بسیار ساده بر روی تخته های یک طرفه با استفاده از مواد فویل ارزان قیمت (FR-1 یا FR-2) ساخته می شوند و اغلب دارای جامپرهای زیادی هستند که شبیه تخته های دو طرفه هستند. این روش برای ایجاد بردهای مدار چاپی فقط برای مدارهای فرکانس پایین توصیه می شود. به دلایلی که در زیر توضیح داده می شود، بردهای مدار چاپی یک طرفه بسیار مستعد تداخل هستند . طراحی یک PCB یک طرفه خوب به دلایل زیادی دشوار است. با این وجود، تابلوهای خوبی از این نوع وجود دارد، اما هنگام توسعه آنها، باید از قبل خیلی فکر کنید.

برد مدار چاپی دو لایه

در سطح بعدی، بردهای مدار چاپی دو طرفه قرار دارند که در بیشتر موارد از FR-4 به عنوان ماده زیرلایه استفاده می کنند، اگرچه FR-2 نیز گهگاه یافت می شود. استفاده از FR-4 ارجح تر است، زیرا سوراخ هایی از این ماده در بردهای مدار چاپی با کیفیت بهتر به دست می آید. سیم‌کشی مدارهای روی بردهای مدار چاپی دو طرفه بسیار آسان‌تر است. در دو لایه، مسیریابی آثار متقاطع آسان تر است. با این حال، عبور از ردیابی برای مدارهای آنالوگ توصیه نمی شود. در صورت امکان، لایه زیرین ( پایین) باید در زیر چند ضلعی زمین قرار گیرد و بقیه سیگنال ها باید در لایه بالایی قرار گیرند ( بالا). استفاده از محل دفن زباله به عنوان اتوبوس زمینی چندین مزیت دارد:

• سیم مشترک بیشترین اتصال سیم در مدار است. بنابراین منطقی است که برای ساده کردن سیم کشی، سیم مشترک "زیادی" داشته باشیم.
• استحکام مکانیکی تخته را افزایش می دهد.
• مقاومت تمام اتصالات به سیم مشترک کاهش می یابد که به نوبه خود باعث کاهش نویز و تداخل می شود.
• ظرفیت توزیع شده برای هر مدار مدار افزایش می یابد و به سرکوب نویز تابشی کمک می کند.
• چند ضلعی که یک صفحه است، پیکاپ های ساطع شده توسط منابع واقع در کنار چند ضلعی را سرکوب می کند.

بردهای مدار چاپی دو طرفه، علیرغم تمام مزایایی که دارند، به خصوص برای مدارهای با سیگنال کوچک یا پرسرعت بهترین نیستند. به طور کلی، ضخامت PCB، به عنوان مثال. فاصله بین لایه های آبکاری 1.5 میلی متر است که برای درک کامل برخی از مزایای برد مدار چاپی دو لایه که در بالا ذکر شد بسیار زیاد است. به عنوان مثال، ظرفیت تخصیص داده شده به دلیل چنین فاصله زیاد بسیار کم است.

بردهای مدار چاپی چند لایه

طراحی مدار مسئول به بردهای مدار چاپی چندلایه (MPB) نیاز دارد. برخی از دلایل استفاده از آنها واضح است:

• همانطور که برای اتوبوس سیم مشترک، سیم کشی اتوبوس برق مناسب است. اگر از چند ضلعی ها در یک لایه جداگانه به عنوان گذرگاه برق استفاده می شود، تامین برق به هر عنصر مدار با استفاده از vias بسیار ساده است.
• لایه های سیگنال از ریل های قدرت آزاد می شوند که سیم کشی هادی های سیگنال را تسهیل می کند.
• خازن توزیع شده بین زمین و چند ضلعی قدرت ظاهر می شود که نویز فرکانس بالا را کاهش می دهد.

علاوه بر این دلایل برای استفاده از بردهای مدار چاپی چند لایه، دلایل کمتر آشکار دیگری نیز وجود دارد:

• سرکوب بهتر الکترومغناطیسی ( EMI) و فرکانس رادیویی ( RFI) تداخل ناشی از اثر بازتاب ( افکت صفحه تصویر) از زمان مارکونی شناخته شده است. هنگامی که هادی نزدیک به یک سطح رسانا صاف قرار می گیرد، بیشتر جریان های فرکانس بالا برگشتی در صفحه مستقیماً زیر هادی جریان می یابد. جهت این جریان ها برخلاف جهت جریان ها در هادی خواهد بود. بنابراین، انعکاس هادی در هواپیما یک خط انتقال سیگنال ایجاد می کند. از آنجایی که جریان ها در هادی و صفحه از نظر بزرگی برابر و در جهت مخالف هستند، مقداری کاهش در تداخل تابشی ایجاد می شود. اثر انعکاس تنها با چند ضلعی های جامد بدون شکستگی کار می کند (آنها می توانند هم چند ضلعی زمین و هم چند ضلعی های غذایی باشند). هر گونه نقض یکپارچگی منجر به کاهش در سرکوب تداخل خواهد شد.
• کاهش هزینه کلی در تولید در مقیاس کوچک. اگرچه تولید بردهای مدار چاپی چند لایه گرانتر است، انتشار احتمالی آنها کمتر از بردهای تک لایه و دو لایه است. بنابراین، در برخی موارد، استفاده از تخته‌های چند لایه به شما این امکان را می‌دهد که الزامات تنظیم تشعشع را در طول توسعه برآورده کنید و آزمایش‌ها و آزمایش‌های اضافی را انجام ندهید. استفاده از MFP می تواند سطح نویز تابشی را در مقایسه با بردهای دولایه 20 دسی بل کاهش دهد.

ترتیب لایه ها

برای طراحان بی تجربه، اغلب در مورد ترتیب بهینه لایه های PCB سردرگمی وجود دارد. به عنوان مثال یک محفظه 4 لایه حاوی دو لایه سیگنال و دو لایه چند ضلعی - یک لایه زمین و یک لایه قدرت. بهترین ترتیب لایه چیست؟ آیا لایه های سیگنال بین چند ضلعی ها به عنوان صفحه نمایش عمل می کنند؟ یا اینکه لایه های چند ضلعی را داخلی کنیم تا تداخل لایه های سیگنال کاهش یابد؟

در تصمیم گیری برای این سوال مهم است که به یاد داشته باشید که اغلب قرار دادن لایه ها واقعاً مهم نیست، زیرا به هر حال اجزا در لایه های بیرونی قرار دارند و باس هایی که سیگنال ها را به پین ​​های خود تغذیه می کنند، گاهی اوقات از تمام لایه ها عبور می کنند. بنابراین، هر گونه افکت صفحه نمایش تنها یک مصالحه است. در این صورت بهتر است از ایجاد ظرفیت توزیع شده بزرگ بین چند ضلعی های قدرت و زمین و قرار دادن آنها در لایه های داخلی مراقبت شود.

یکی دیگر از مزایای وجود لایه های سیگنال در خارج، در دسترس بودن سیگنال برای آزمایش و همچنین امکان تغییر اتصالات است. هر کسی که تا به حال اتصالات هادی های واقع در لایه های داخلی را تغییر داده است از این فرصت قدردانی خواهد کرد.

برای بردهای مدار چاپی با بیش از چهار لایه، قرار دادن سیگنال های پرسرعت بین زمین و هواپیماهای قدرت، و رها کردن لایه های بیرونی برای لایه های با فرکانس پایین، یک قانون کلی است.

زمین

زمین خوب یک نیاز معمول برای یک سیستم غنی و لایه ای است. و باید از اولین گام توسعه طراحی برنامه ریزی شود.

قانون اساسی: تقسیم زمین .

تقسیم زمین به قطعات آنالوگ و دیجیتال یکی از ساده ترین و موثرترین روش های کاهش نویز است. یک یا چند لایه از برد مدار چاپی چند لایه معمولاً در زیر لایه ای از صفحات زمین قرار می گیرد. اگر توسعه دهنده خیلی باتجربه یا بی دقت نباشد، زمین قسمت آنالوگ مستقیماً به این چند ضلعی ها متصل می شود. جریان برگشتی آنالوگ از همان مدار جریان برگشتی دیجیتال استفاده می کند. پرورش دهندگان خودرو تقریباً به همین روش کار می کنند و همه زمین ها را با هم متحد می کنند.

اگر یک برد مدار چاپی قبلا ساخته شده با یک چند ضلعی زمین منفرد که زمینه های آنالوگ و دیجیتال را ترکیب می کند، تحت پردازش قرار گیرد، ابتدا لازم است که زمین ها را به صورت فیزیکی روی برد جدا کنید (پس از این عملیات، عملکرد برد تقریبا غیرممکن می شود). پس از آن، تمام اتصالات به صفحه زمین آنالوگ اجزای مدار آنالوگ (یک زمین آنالوگ تشکیل می شود) و به صفحه زمین دیجیتالی اجزای مدار دیجیتال (زمین دیجیتال تشکیل می شود) انجام می شود. و تنها پس از آن، زمینه های دیجیتال و آنالوگ در منبع ترکیب می شوند.

سایر قوانین تشکیل زمین:

تقریباً همه سیگنال‌های ساعت، سیگنال‌های با فرکانس کافی هستند که حتی ظرفیت‌های کوچک بین ردیابی‌ها و چند ضلعی‌ها می‌توانند جفت‌های قابل توجهی ایجاد کنند. باید به خاطر داشت که نه تنها فرکانس کلاک اصلی می تواند مشکل ایجاد کند، بلکه هارمونیک های بالاتر آن نیز می تواند مشکل ایجاد کند.

نمونه ای از قرار دادن قطعات خوب

شکل 4 طرح احتمالی تمام اجزای برد، از جمله منبع تغذیه را نشان می دهد. در اینجا از سه صفحه زمین/قدرت مجزا و ایزوله استفاده می شود: یکی برای منبع، یکی برای مدار دیجیتال و دیگری برای مدار آنالوگ. مدارهای زمین و برق قطعات آنالوگ و دیجیتال فقط در منبع تغذیه ترکیب می شوند. نویز فرکانس بالا در مدارهای تغذیه توسط چوک ها فیلتر می شود. در این مثال سیگنال های فرکانس بالا قسمت آنالوگ و دیجیتال از یکدیگر جدا شده اند. چنین طراحی دارای احتمال بسیار بالایی برای نتیجه مطلوب است، زیرا از قرار دادن خوب اجزا و رعایت قوانین جداسازی مدارها اطمینان می دهد.

تنها یک مورد وجود دارد که در آن سیگنال های آنالوگ و دیجیتال باید در سطح زمین آنالوگ ترکیب شوند. مبدل های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ در محفظه هایی با پایه های زمین آنالوگ و دیجیتال قرار می گیرند. با توجه به ملاحظات قبلی می توان فرض کرد که پایه زمین دیجیتال و پایه زمین آنالوگ باید به ترتیب به گذرگاه های زمین دیجیتال و آنالوگ متصل شوند. با این حال، این در این مورد درست نیست.

نام پین ها (آنالوگ یا دیجیتال) فقط به ساختار داخلی مبدل و به اتصالات داخلی آن اشاره دارد. در مدار، این پایه ها باید به گذرگاه زمین آنالوگ متصل شوند. اتصال را می توان در داخل مدار مجتمع نیز انجام داد، با این حال، به دست آوردن مقاومت کم چنین اتصالی به دلیل محدودیت های توپولوژیکی بسیار دشوار است. بنابراین، هنگام استفاده از مبدل ها، اتصال خارجی پایه های زمین آنالوگ و دیجیتال فرض می شود. اگر این کار انجام نشود، پارامترهای ریز مدار بسیار بدتر از موارد ذکر شده در مشخصات خواهند بود.

باید در نظر داشت که عناصر دیجیتال مبدل می توانند ویژگی های کیفی مدار را کاهش دهند و نویز دیجیتال را به مدارهای برق آنالوگ و زمین آنالوگ وارد کنند. در طراحی مبدل ها این تاثیر منفی در نظر گرفته شده است تا قسمت دیجیتال تا حد ممکن کمترین انرژی مصرف کند. در این حالت تداخل عناصر منطقی سوئیچینگ کاهش می یابد. اگر خروجی های دیجیتال مبدل بارگذاری زیادی نداشته باشد، سوئیچینگ داخلی معمولاً مشکلات زیادی ایجاد نمی کند. هنگام طراحی PCB حاوی ADC یا DAC، باید توجه لازم به جدا کردن برق دیجیتال مبدل به زمین آنالوگ داده شود.

ویژگی های فرکانس مولفه های غیرفعال

انتخاب صحیح اجزای غیرفعال برای عملکرد صحیح مدارهای آنالوگ ضروری است. توسعه طراحی خود را با در نظر گرفتن دقیق ویژگی‌های فرکانس بالای اجزای غیرفعال و پیش‌موقعیت‌بندی و چیدمان آنها بر روی طرح تخته آغاز کنید.

تعداد زیادی از طراحان به طور کامل محدودیت های فرکانس اجزای غیرفعال را هنگام استفاده در مدارهای آنالوگ نادیده می گیرند. این قطعات دارای محدوده فرکانس محدودی هستند و عملکرد آنها در خارج از محدوده فرکانس مشخص شده می تواند منجر به نتایج غیر قابل پیش بینی شود. ممکن است تصور شود که این بحث فقط در مورد مدارهای آنالوگ پرسرعت است. با این حال، این به دور از واقعیت است - سیگنال های فرکانس بالا بر اجزای غیرفعال مدارهای فرکانس پایین کاملاً قوی از طریق تابش یا اتصال مستقیم از طریق هادی ها تأثیر می گذارد. به عنوان مثال، یک فیلتر پایین گذر ساده روی یک آپمپ می تواند به راحتی به یک فیلتر بالا گذر تبدیل شود که فرکانس بالا به ورودی آن اعمال شود.

مقاومت ها

مشخصات فرکانس بالای مقاومت ها را می توان با مدار معادل نشان داده شده در شکل 5 نشان داد.

معمولاً از سه نوع مقاومت استفاده می شود: 1) سیم، 2) کامپوزیت کربن و 3) فیلم. درک اینکه چگونه یک مقاومت سیمی می تواند به یک اندوکتانس تبدیل شود، نیاز به تخیل زیادی ندارد، زیرا سیم پیچی از سیم فلزی با مقاومت بالا است. اکثر طراحان دستگاه های الکترونیکی هیچ ایده ای در مورد ساختار داخلی مقاومت های فیلم ندارند که آنها نیز یک سیم پیچ هستند، البته از یک فیلم فلزی ساخته شده اند. بنابراین، مقاومت های فیلم نیز اندوکتانس کمتری نسبت به مقاومت های سیمی دارند. مقاومت های فیلمی با مقاومت حداکثر 2 کیلو اهم می توانند آزادانه در مدارهای فرکانس بالا استفاده شوند. پایانه های مقاومت ها موازی یکدیگر هستند، بنابراین یک جفت خازنی قابل توجه بین آنها وجود دارد. برای مقاومت های با مقاومت بالا، خازن ترمینال باعث کاهش امپدانس کلی در فرکانس های بالا می شود.

خازن ها

مشخصات فرکانس بالای خازن ها را می توان با مدار معادل نشان داده شده در شکل 6 نشان داد.

خازن ها در مدارهای آنالوگ به عنوان اجزای جداکننده و فیلتر کننده استفاده می شوند. برای یک خازن ایده آل، راکتانس با فرمول زیر تعیین می شود:

بنابراین، یک خازن الکترولیتی 10 µF مقاومتی برابر با 1.6 Ω در 10 کیلوهرتز و 160 µΩ در 100 مگاهرتز خواهد داشت. آیا اینطور است؟

هنگام استفاده از خازن های الکترولیتی، اتصال صحیح باید رعایت شود. ترمینال مثبت باید به پتانسیل DC مثبت تری متصل شود. اتصال نادرست منجر به عبور جریان DC از خازن الکترولیتی می شود که می تواند نه تنها به خود خازن، بلکه به بخشی از مدار نیز آسیب برساند.

در موارد نادر، اختلاف پتانسیل DC بین دو نقطه در یک مدار می تواند علامت معکوس کند. این امر مستلزم استفاده از خازن های الکترولیتی غیرقطبی است که ساختار داخلی آنها معادل دو خازن قطبی متصل به صورت سری است.

اندوکتانس

مشخصات فرکانس بالا سلف ها را می توان با مدار معادل نشان داده شده در شکل 7 نشان داد.

راکتانس یک سلف با فرمول زیر توصیف می شود:

بنابراین، یک سلف 10 mH دارای راکتانس 628 اهم در 10 کیلوهرتز و راکتانس 6.28 MΩ در 100 مگاهرتز خواهد بود. درست؟

تخته مدار چاپی

خود برد مدار چاپی دارای ویژگی های اجزای غیرفعال مورد بحث در بالا است، اگرچه چندان واضح نیست.

الگوی هادی ها روی برد مدار چاپی می تواند هم منبع و هم گیرنده تداخل باشد. سیم کشی خوب حساسیت مدار آنالوگ را به منابع تابشی کاهش می دهد.

برد مدار چاپی مستعد تشعشع است زیرا رساناها و سرنخ های قطعات نوعی آنتن را تشکیل می دهند. نظریه آنتن موضوعی نسبتاً پیچیده برای مطالعه است و در این مقاله به آن پرداخته نشده است. با این حال، برخی از اصول اولیه در اینجا آورده شده است.

کمی تئوری آنتن

در جریان مستقیم یا فرکانس های پایین، جزء فعال غالب است. با افزایش فرکانس، مولفه واکنشی بیشتر و مهمتر می شود. در محدوده 1 کیلوهرتز تا 10 کیلوهرتز، جزء القایی شروع به اثرگذاری می کند و هادی دیگر یک اتصال دهنده با مقاومت کم نیست، بلکه بیشتر به عنوان یک سلف عمل می کند.

فرمول محاسبه اندوکتانس هادی PCB به شرح زیر است:

به طور معمول، ردهای PCB دارای مقادیری بین 6 تا 12 nH در هر سانتی متر طول هستند. به عنوان مثال، هادی 10 سانتی متری دارای مقاومت 57 mΩ و اندوکتانس 8 nH بر سانتی متر است، در 100 کیلوهرتز، راکتانس 50 mΩ می شود و در فرکانس های بالاتر هادی به جای مقاومت، یک اندوکتانس خواهد بود.

قانون آنتن شلاقی بیان می کند که شروع به تعامل محسوس با میدان در طول حدود 1/20 طول موج می کند و حداکثر تعامل در طول پین، برابر با 1/4 طول موج رخ می دهد. بنابراین، هادی 10 سانتی متری مثال در پاراگراف قبل شروع به تبدیل شدن به یک آنتن خوب در فرکانس های بالای 150 مگاهرتز می کند. باید به خاطر داشت که علیرغم این واقعیت که ژنراتور ساعت یک مدار دیجیتال ممکن است در فرکانس بالاتر از 150 مگاهرتز کار نکند، هارمونیک های بالاتر همیشه در سیگنال آن وجود دارد. اگر PCB دارای قطعاتی با پین های با طول قابل توجهی باشد، این پین ها می توانند به عنوان آنتن نیز عمل کنند.

نوع اصلی دیگر آنتن آنتن حلقه ای است. اندوکتانس یک هادی مستقیم زمانی که خم می شود و به بخشی از یک قوس تبدیل می شود بسیار افزایش می یابد. افزایش اندوکتانس فرکانس شروع تعامل آنتن با خطوط میدان را کاهش می دهد.

طراحان PCB باتجربه که در تئوری آنتن های حلقه کاملاً مسلط هستند، نمی دانند که برای سیگنال های بحرانی حلقه ایجاد نکنند. با این حال، برخی از طراحان به این موضوع فکر نمی کنند و هادی های جریان برگشتی و سیگنال در مدارهای آنها حلقه هستند. ایجاد آنتن های حلقه به راحتی با یک مثال نشان داده می شود (شکل 8). علاوه بر این، ایجاد یک آنتن اسلات در اینجا نشان داده شده است.

سه مورد را در نظر بگیرید:

گزینه A نمونه ای از طراحی بد است. اصلاً از چند ضلعی زمین آنالوگ استفاده نمی کند. مدار حلقه توسط یک زمین و یک هادی سیگنال تشکیل شده است. با عبور جریان، یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی عمود بر آن ایجاد می شود. این فیلدها اساس یک آنتن حلقه را تشکیل می دهند. قانون آنتن حلقه بیان می کند که برای حداکثر بازده، طول هر رسانا باید برابر با نصف طول موج تابش دریافتی باشد. با این حال، نباید فراموش کرد که حتی در 1/20 طول موج، آنتن حلقه هنوز کاملا موثر است.

گزینه B بهتر از گزینه A است، اما یک شکاف در چند ضلعی وجود دارد، احتمالاً برای ایجاد یک مکان خاص برای مسیریابی سیم های سیگنال. مسیرهای سیگنال و جریان برگشتی یک آنتن شکاف را تشکیل می دهند. حلقه های دیگری در برش های اطراف تراشه ها تشکیل می شوند.

گزینه B نمونه ای از طراحی بهتر است. مسیرهای سیگنال و جریان برگشتی همپوشانی دارند و کارایی آنتن حلقه را نفی می کنند. توجه داشته باشید که این گزینه دارای برش هایی در اطراف آی سی ها نیز می باشد اما از مسیر جریان برگشتی جدا شده اند.

تئوری انعکاس و تطبیق سیگنال ها به نظریه آنتن ها نزدیک است.

هنگامی که هادی PCB تا 90 درجه بچرخد، بازتاب ممکن است رخ دهد. این عمدتا به دلیل تغییر در عرض مسیر فعلی است. در بالای گوشه، عرض ردیابی با ضریب 1.414 افزایش می یابد، که منجر به عدم تطابق در ویژگی های خط انتقال، به ویژه خازن توزیع شده و اندوکتانس ذاتی ردیابی می شود. اغلب لازم است یک ردپای 90 درجه روی PCB چرخانده شود. بسیاری از بسته های مدرن CAD به شما این امکان را می دهند که گوشه های مسیرهای ترسیم شده را صاف کنید یا مسیرها را به صورت یک قوس ترسیم کنید. شکل 9 دو مرحله را برای بهبود شکل گوشه نشان می دهد. فقط آخرین مثال عرض ردیابی را ثابت نگه می دارد و بازتاب ها را به حداقل می رساند.

نکته برای چیدمان PCB با تجربه: قبل از ایجاد قطرات و ریختن چند ضلعی، مراحل صاف کردن را به آخرین مرحله کار بسپارید. در غیر این صورت، بسته CAD به دلیل محاسبات پیچیده تر، زمان بیشتری برای هموارسازی خواهد داشت.

ردهای PCB در لایه های مختلف هنگام عبور به صورت خازنی جفت می شوند. گاهی اوقات این می تواند مشکل ایجاد کند. هادی هایی که روی لایه های مجاور روی هم چیده شده اند، یک خازن فیلم بلند ایجاد می کنند. ظرفیت چنین خازنی بر اساس فرمول نشان داده شده در شکل 10 محاسبه می شود.

به عنوان مثال، یک برد مدار چاپی ممکن است پارامترهای زیر را داشته باشد:
- 4 لایه؛ سیگنال و لایه چند ضلعی زمین مجاور هستند،
- فاصله بین لایه ها - 0.2 میلی متر،
- عرض هادی - 0.75 میلی متر،
- طول هادی - 7.5 میلی متر.

مقدار ER معمولی برای FR-4 4.5 است.

با جایگزینی تمام مقادیر در فرمول، مقدار ظرفیت خازنی بین این دو اتوبوس برابر با 1.1 pF را بدست می آوریم. حتی چنین ظرفیت به ظاهر کوچکی برای برخی از برنامه ها غیرقابل قبول است. شکل 11 اثر یک خازن 1 pF را هنگام اتصال به ورودی معکوس کننده یک آپ امپ فرکانس بالا نشان می دهد.

مشاهده می شود که دامنه سیگنال خروجی در فرکانس های نزدیک به حد بالایی محدوده فرکانس سیستم عامل دو برابر می شود. این به نوبه خود می تواند منجر به تولید، به ویژه در فرکانس های کاری آنتن (بالای 180 مگاهرتز) شود.

این تأثیر باعث ایجاد مشکلات متعددی می شود که با این وجود راه های زیادی برای آنها وجود دارد. بارزترین آنها کاهش طول هادی ها است. راه دیگر کاهش عرض آنهاست. دلیلی برای استفاده از هادی با این عرض برای تغذیه سیگنال به ورودی معکوس وجود ندارد، زیرا جریان بسیار کمی از این هادی عبور می کند. کاهش طول ردیابی به 2.5 میلی متر و عرض به 0.2 میلی متر، ظرفیت خازن را به 0.1 pF کاهش می دهد و چنین ظرفیتی دیگر منجر به افزایش قابل توجهی در پاسخ فرکانسی نخواهد شد. راه دیگر برای حل آن، حذف بخشی از چند ضلعی زیر ورودی معکوس و هادی است که به سمت آن می آید.

عرض آثار PCB را نمی توان به طور نامحدود کاهش داد. عرض محدود کننده هم با فرآیند تکنولوژیکی و هم ضخامت فویل تعیین می شود. اگر دو هادی از نزدیک به هم عبور کنند، یک جفت خازنی و القایی بین آنها تشکیل می شود (شکل 12).

سیم های سیگنال نباید به صورت موازی با یکدیگر اجرا شوند، مگر در مورد سیم کشی دیفرانسیل یا میکرواستریپ. فاصله بین هادی ها باید حداقل سه برابر عرض هادی ها باشد.

ظرفیت بین ردپای در مدارهای آنالوگ می تواند برای مقادیر مقاومت بزرگ (چند MΩ) مشکل ساز باشد. کوپلینگ خازنی نسبتاً بزرگ بین ورودی های معکوس و غیر معکوس یک op-amp می تواند به راحتی مدار را به خود تحریک کند.

به عنوان مثال، با d=0.4 mm و h=1.5 mm (مقادیر کاملاً رایج)، اندوکتانس سوراخ 1.1 nH است.

به یاد داشته باشید که اگر مقاومت های زیادی در مدار وجود دارد، باید توجه ویژه ای به تمیز کردن برد شود. باقیمانده های شار و آلاینده ها باید در طی مراحل نهایی ساخت PCB حذف شوند. اخیراً، هنگام نصب بردهای مدار چاپی، اغلب از شارهای محلول در آب استفاده می شود. از آنجایی که مضرات کمتری دارند، به راحتی با آب پاک می شوند. اما در عین حال، شستن تخته با آب ناکافی تمیز می تواند منجر به آلودگی اضافی شود که ویژگی های دی الکتریک را بدتر می کند. بنابراین، تمیز کردن PCB با مدارهای امپدانس بالا با آب مقطر تازه بسیار مهم است.

اتصال سیگنال

همانطور که قبلا ذکر شد، نویز می تواند از طریق مدارهای قدرت وارد قسمت آنالوگ مدار شود. برای کاهش چنین تداخلی، از خازن های جداکننده (مسدود کننده) برای کاهش امپدانس محلی باس های قدرت استفاده می شود.

اگر نیاز به جدا کردن یک برد مدار چاپی دارید که دارای قطعات آنالوگ و دیجیتال است، باید حداقل کمی در مورد ویژگی های الکتریکی عناصر منطقی بدانید.

یک مرحله معمولی خروجی یک عنصر منطقی شامل دو ترانزیستور است که به صورت سری به یکدیگر و همچنین بین مدارهای قدرت و زمین متصل هستند (شکل 14).

این ترانزیستورها به طور ایده آل به طور دقیق در آنتی فاز کار می کنند، یعنی. هنگامی که یکی از آنها باز است، در همان زمان دومی بسته می شود و یک سیگنال منطقی یا یک سیگنال صفر منطقی در خروجی ایجاد می کند. در حالت منطقی حالت پایدار، توان مصرفی عنصر منطقی کم است.

هنگامی که مرحله خروجی از یک حالت منطقی به حالت دیگر تغییر می کند، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر می کند. در این حالت، برای مدت کوتاهی، هر دو ترانزیستور می توانند به طور همزمان باز شوند و جریان تغذیه مرحله خروجی به شدت افزایش می یابد، زیرا مقاومت بخش مسیر جریان از گذرگاه برق به شین زمین از طریق دو سری. ترانزیستورهای متصل کاهش می یابد. مصرف برق به طور ناگهانی افزایش می یابد و سپس کاهش می یابد که منجر به تغییر موضعی در ولتاژ تغذیه و ظاهر شدن یک تغییر شدید و کوتاه مدت در جریان می شود. چنین تغییرات جریان منجر به انتشار انرژی RF می شود. حتی در یک برد مدار چاپی نسبتاً ساده، ممکن است ده ها یا صدها مرحله خروجی از عناصر منطقی در نظر گرفته شود، بنابراین تأثیر کلی عملکرد همزمان آنها می تواند بسیار زیاد باشد.

پیش‌بینی دقیق محدوده فرکانسی که این نوسان‌های جریان روی آن اتفاق می‌افتد غیرممکن است، زیرا فرکانس وقوع آنها به عوامل زیادی از جمله تأخیر انتشار ترانزیستورهای سوئیچینگ در عنصر منطقی بستگی دارد. تأخیر، به نوبه خود، به بسیاری از علل تصادفی که در طول فرآیند تولید رخ می دهد نیز بستگی دارد. نویز سوئیچینگ دارای توزیع هارمونیک پهن باند در کل محدوده است. برای سرکوب نویز دیجیتال روش های مختلفی وجود دارد که کاربرد آن ها به توزیع طیفی نویز بستگی دارد.

جدول 2 حداکثر فرکانس های کاری را برای انواع خازن های رایج فهرست می کند.

جدول 2

از جدول مشخص است که خازن های الکترولیتی تانتالیوم برای فرکانس های زیر 1 مگاهرتز استفاده می شود، در فرکانس های بالاتر باید از خازن های سرامیکی استفاده شود. باید به خاطر داشت که خازن ها رزونانس خاص خود را دارند و انتخاب اشتباه آنها نه تنها کمکی نمی کند، بلکه مشکل را تشدید می کند. شکل 15 خود تشدید معمولی دو خازن با کاربرد عمومی را نشان می دهد، یک الکترولیتی تانتالیوم 10 میکروF و یک سرامیک 0.01 μF.

مشخصات واقعی ممکن است از سازنده ای به سازنده دیگر و حتی از لاتی به لات دیگر از همان سازنده متفاوت باشد. درک این نکته مهم است که برای اینکه خازن به طور موثر کار کند، فرکانس هایی که سرکوب می کند باید در محدوده کمتری نسبت به فرکانس خود تشدید باشند. در غیر این صورت، ماهیت راکتانس القایی خواهد بود و خازن دیگر به طور موثر کار نخواهد کرد.

اشتباه نکنید که یک خازن 0.1uF تمام فرکانس ها را رد می کند. خازن های کوچک (10 nF یا کمتر) می توانند با کارایی بیشتری در فرکانس های بالاتر کار کنند.

جداسازی برق آی سی

جداسازی برق مدار مجتمع برای سرکوب نویز فرکانس بالا شامل یک یا چند خازن متصل بین پایه های برق و زمین است. مهم است که هادی های اتصال دهنده ها به خازن ها کوتاه نگه داشته شوند. اگر اینطور نباشد، خود القایی هادی ها نقش بسزایی دارد و مزایای استفاده از خازن های جداکننده را نفی می کند.

یک خازن جداکننده باید به هر بسته تراشه متصل شود، صرف نظر از اینکه 1، 2 یا 4 opamp در داخل بسته وجود دارد. اگر آپ امپ از منبع تغذیه دوقطبی تغذیه می شود، ناگفته نماند که خازن های جداکننده باید قرار داشته باشند. در هر پایه پاور مقدار خازن باید بسته به نوع نویز و تداخل موجود در مدار با دقت انتخاب شود.

در موارد بسیار دشوار، ممکن است لازم باشد یک سلف متصل به صورت سری به خروجی برق اضافه شود. اندوکتانس باید قبل از خازن قرار گیرد نه بعد از آن.

یکی دیگر از راه های ارزان تر، جایگزینی اندوکتانس با مقاومت کم (10 ... 100 اهم) است. در این حالت، همراه با خازن جداکننده، مقاومت یک فیلتر فرکانس پایین را تشکیل می دهد. این روش محدوده تغذیه آپ امپ را کاهش می دهد که همچنین بیشتر به مصرف برق وابسته می شود.

معمولاً برای سرکوب نویز فرکانس پایین در مدارهای برق، کافی است از یک یا چند خازن الکترولیتی آلومینیومی یا تانتالیومی در کانکتور ورودی برق استفاده کنید. یک خازن سرامیکی اضافی نویز فرکانس بالا را از سایر بردها سرکوب می کند.

سپرده ورودی و خروجی

بسیاری از مشکلات نویز ناشی از اتصال مستقیم پایه های ورودی و خروجی است. در نتیجه محدودیت‌های فرکانس بالا اجزای غیرفعال، پاسخ مدار به قرار گرفتن در معرض نویز فرکانس بالا می‌تواند کاملاً غیرقابل پیش‌بینی باشد.

در شرایطی که محدوده فرکانس نویز القایی به طور قابل توجهی با محدوده فرکانس مدار متفاوت است، راه حل ساده و واضح است - قرار دادن یک فیلتر RC غیرفعال برای سرکوب نویز فرکانس بالا. با این حال، هنگام استفاده از یک فیلتر غیرفعال، باید مراقب بود: ویژگی های آن (به دلیل ویژگی های فرکانس غیر ایده آل اجزای غیرفعال) در فرکانس هایی که 100 ... 1000 برابر بیشتر از فرکانس قطع (f 3db) هستند، خواص خود را از دست می دهند. . هنگام استفاده از فیلترهای متصل به سری که در محدوده فرکانس های مختلف تنظیم شده اند، فیلتر بالاتر باید به تداخل نزدیکتر باشد. القاگر فریت همچنین می تواند برای سرکوب نویز استفاده شود. آنها ماهیت القایی مقاومت را تا یک فرکانس خاص حفظ می کنند و بالاتر از آن مقاومت آنها فعال می شود.

تداخل در مدار آنالوگ می تواند آنقدر زیاد باشد که تنها با استفاده از صفحه نمایش می توان از شر آن خلاص شد (یا حداقل کاهش داد). برای کارکرد موثر، باید با دقت طراحی شوند تا فرکانس هایی که بیشترین مشکل را ایجاد می کنند نتوانند وارد مدار شوند. این بدان معنی است که سپر نباید دارای سوراخ یا بریدگی بزرگتر از 1/20 طول موج تابش محافظ باشد. این ایده خوبی است که از همان ابتدای طراحی PCB فضای کافی برای صفحه نمایش مورد نظر در نظر گرفته شود. هنگام استفاده از محافظ، می توانید علاوه بر این، از حلقه های فریت (یا مهره ها) برای همه اتصالات به مدار استفاده کنید.

بدنه های OP-AMP

یک مورد معمولاً دارای یک، دو یا چهار تقویت کننده عملیاتی است (شکل 16).

یک آپ امپ منفرد اغلب دارای ورودی های اضافی نیز می باشد، به عنوان مثال برای تنظیم ولتاژ بایاس. آمپلی فایرهای دوگانه و کواد آپ فقط دارای ورودی و خروجی معکوس و غیر معکوس هستند. بنابراین، اگر نیاز به تنظیمات اضافی دارید، باید از تقویت کننده های تک عملیاتی استفاده کنید. هنگام استفاده از خروجی های اضافی، باید به خاطر داشت که آنها ورودی های کمکی در ساختار خود هستند، بنابراین، باید با دقت و مطابق با توصیه های سازنده مدیریت شوند.

در یک آپ امپ تک، خروجی در سمت مخالف ورودی ها قرار می گیرد. این می تواند کارکرد تقویت کننده را در فرکانس های بالا به دلیل طول سیم های فیدبک دشوار کند. یکی از راه های غلبه بر این مشکل، قرار دادن تقویت کننده و اجزای بازخورد در دو طرف PCB است. با این حال، این منجر به حداقل دو سوراخ و بریدگی اضافی در چند ضلعی زمین می شود. گاهی اوقات برای حل این مشکل حتی اگر از تقویت کننده دوم استفاده نشود (و خروجی های آن باید به درستی وصل شوند) ارزش دارد که از یک آپ امپ دوگانه برای حل این مشکل استفاده کنید. شکل 17 کوتاه شدن سیم های حلقه بازخورد را برای اتصال معکوس نشان می دهد.

آمپلی فایرهای دوگانه به ویژه در تقویت کننده های استریو و آمپلی فایرهای چهارگانه در مدارهای فیلتر چند مرحله ای رایج هستند. با این حال، این یک نقطه منفی نسبتا قابل توجهی دارد. اگرچه فناوری فعلی جداسازی مناسبی را بین سیگنال‌های تقویت‌کننده‌های واقع در همان تراشه سیلیکونی ایجاد می‌کند، هنوز هم تداخلی بین آنها وجود دارد. در صورتی که وجود چنین تداخلی بسیار کم باشد، لازم است از تقویت کننده های تک عملیاتی استفاده شود. Crosstalk تنها با تقویت کننده های دوگانه یا چهارگانه اتفاق نمی افتد. منبع آنها می تواند مکان بسیار نزدیکی از اجزای غیرفعال کانال های مختلف باشد.

آمپلی فایرهای دوگانه و چهارگانه، علاوه بر موارد فوق، امکان نصب محکم تری را نیز دارند. تقویت کننده های جداگانه، همانطور که بود، نسبت به یکدیگر آینه می شوند (شکل 18).

شکل های 17 و 18 همه اتصالات مورد نیاز برای عملکرد عادی را نشان نمی دهند، مانند یک درایور میان رده با یک منبع. شکل 19 نمودار چنین درایوری را هنگام استفاده از تقویت کننده چهارگانه نشان می دهد.

نمودار تمام اتصالات لازم برای اجرای سه مرحله وارونگی مستقل را نشان می دهد. توجه به این نکته ضروری است که هادی های درایور نیم ولتاژ مستقیماً در زیر بسته مدار مجتمع قرار دارند که امکان کاهش طول آنها را فراهم می کند. این مثال نه اینکه چگونه باید باشد، بلکه نشان می دهد که چه کاری باید انجام شود. به عنوان مثال، ولتاژ سطح متوسط ​​می تواند برای هر چهار تقویت کننده یکسان باشد. اجزای غیرفعال می توانند اندازه مناسبی داشته باشند. به عنوان مثال، اجزای مسطح اندازه 0402 با فاصله پین ​​یک بسته استاندارد SO مطابقت دارند. این به طول هادی بسیار کوتاه برای کاربردهای فرکانس بالا اجازه می دهد.

نصب حجمی و سطحی

هنگام قرار دادن تقویت کننده های عملیاتی در بسته های DIP و اجزای غیرفعال با سیم سیم، وجود vias بر روی برد مدار چاپی برای نصب آنها ضروری است. چنین قطعاتی در حال حاضر زمانی استفاده می شوند که نیازهای خاصی به اندازه PCB وجود نداشته باشد. آنها معمولا ارزان تر هستند، اما هزینه برد مدار چاپی در طول فرآیند تولید به دلیل حفر سوراخ های اضافی برای سرنخ های قطعه افزایش می یابد.

علاوه بر این، هنگام استفاده از قطعات افزودنی، ابعاد برد و طول هادی ها افزایش می یابد، که اجازه نمی دهد مدار در فرکانس های بالا کار کند. Vias ها اندوکتانس خاص خود را دارند که محدودیت هایی را نیز بر روی ویژگی های دینامیکی مدار اعمال می کند. بنابراین، اجزای پلاگین برای مدارهای فرکانس بالا یا مدارهای آنالوگ واقع در نزدیکی مدارهای منطقی با سرعت بالا توصیه نمی شوند.

برخی از طراحان در تلاش برای کاهش طول هادی ها، مقاومت ها را به صورت عمودی قرار می دهند. در نگاه اول ممکن است به نظر برسد که این باعث کاهش طول مسیر می شود. با این حال، این مسیر جریان را از طریق مقاومت افزایش می دهد و خود مقاومت یک حلقه (کویل اندوکتانس) است. ظرفیت تابش و دریافت چندین برابر افزایش می یابد.

نصب سطحی نیازی به سوراخ برای هر پین جزء ندارد. با این حال، هنگام آزمایش مدار، مشکلاتی وجود دارد و شما باید از vias به عنوان نقاط تست استفاده کنید، به خصوص در هنگام استفاده از قطعات در مقیاس کوچک.

بخش های استفاده نشده OU

هنگام استفاده از آمپرهای دوگانه و چهار اپراتوری در مدار، ممکن است برخی از بخش های آنها بلااستفاده بماند و در این صورت باید به درستی وصل شوند. اتصال نادرست می تواند منجر به افزایش مصرف برق، گرمای بیشتر و نویز بیشتر در همان پکیج آپ امپ شود. خروجی تقویت کننده های عملیاتی استفاده نشده را می توان همانطور که در شکل نشان داده شده است وصل کرد. ساعت 20 اتصال پین ها با اجزای اضافی (شکل 20b) استفاده از این آپ امپ را در هنگام راه اندازی آسان می کند.

نتیجه

نکات کلیدی زیر را در نظر داشته باشید و هنگام طراحی و سیم کشی مدارهای آنالوگ به آنها توجه داشته باشید.

معمول هستند:

• برد مدار چاپی را به عنوان یک جزء مدار الکتریکی در نظر بگیرید.
• داشتن ایده و درک از منابع نویز و تداخل؛
• مدارهای مدل و چیدمان

تخته مدار چاپی:

• از تخته های مدار چاپی فقط از مواد با کیفیت استفاده کنید (به عنوان مثال FR-4).
• مدارهای ساخته شده روی بردهای مدار چاپی چندلایه نسبت به مدارهای ساخته شده روی بردهای دولایه 20 دسی بل کمتر در معرض تداخل خارجی هستند.
• از چند ضلعی های مجزا و بدون همپوشانی برای زمین ها و خوراک های مختلف استفاده کنید.
• چند ضلعی های زمین و قدرت را روی لایه های داخلی PCB قرار دهید.

اجزاء:

• از محدودیت های فرکانس معرفی شده توسط اجزای غیرفعال و ردیابی های برد آگاه باشید.
• سعی کنید از قرار دادن عمودی اجزای غیرفعال در مدارهای با سرعت بالا اجتناب کنید.
• برای مدارهای فرکانس بالا، از قطعات طراحی شده برای نصب روی سطح استفاده کنید.
• هادی ها باید کوتاه تر باشند بهتر.
• اگر طول هادی بیشتر مورد نیاز است، عرض آن را کاهش دهید.
• سرنخ های استفاده نشده اجزای فعال باید به درستی متصل شوند.

سیم کشی:

• مدار آنالوگ را نزدیک کانکتور برق قرار دهید.
• هرگز سیم های حامل سیگنال های منطقی را از طریق ناحیه آنالوگ برد هدایت نکنید و بالعکس.
• هادی ها را برای ورودی معکوس اتصال کوتاه عملیات آمپر مناسب کنید.
• اطمینان حاصل کنید که هادی های ورودی های معکوس و غیر معکوس op-amp در مسافت طولانی با یکدیگر موازی نیستند.
• سعی کنید از استفاده از vias اضافی اجتناب کنید، زیرا اندوکتانس خود آنها می تواند منجر به مشکلات اضافی شود.
• هادی ها را در زاویه قائمه اجرا نکنید و در صورت امکان بالای گوشه ها را صاف کنید.

تبادل:

• از انواع صحیح خازن ها برای سرکوب نویز در مدارهای قدرت استفاده کنید.
• برای سرکوب تداخل و نویز فرکانس پایین، از خازن های تانتالیوم در کانکتور ورودی برق استفاده کنید.
• برای سرکوب تداخل و نویز فرکانس بالا، از خازن های سرامیکی در کانکتور ورودی برق استفاده کنید.
• از خازن های سرامیکی در هر خروجی ریز مدار استفاده کنید. در صورت لزوم، از چندین خازن برای محدوده فرکانس های مختلف استفاده کنید.
• اگر تحریک در مدار رخ دهد، لازم است از خازن هایی با مقدار ظرفیت کمتر و نه بزرگتر استفاده شود.
• در موارد دشوار در مدارهای قدرت، از مقاومت های متصل به سری با مقاومت یا اندوکتانس کوچک استفاده کنید.
• خازن های جداکننده برق آنالوگ فقط باید به زمین آنالوگ وصل شوند نه به زمین دیجیتال.

هنگام طراحی بردهای مدار چاپی با بهینه سازی هزینه، تعدادی از مسائل کلیدی مطرح می شود. اگرچه هدف اولیه ممکن است طراحی PCB تا حد امکان کوچک باشد، ممکن است ارزان ترین راه حل برای کل سیستم نباشد. کاهش اندازه PCB با افزایش تعداد لایه های PCB امکان پذیر است که به نوبه خود مشکلات EMC را معرفی می کند که می تواند منجر به هزینه های کلان پروژه شود.

تداخل الکترومغناطیسی، EMI یا سازگاری الکترومغناطیسی، EMC یک عامل کلیدی در طراحی PCB است. اطمینان از سازگاری الکترومغناطیسی دستگاه به‌عنوان یک کل می‌تواند فرآیندی بسیار پرهزینه باشد، اگر طراح در طراحی و ساخت بردهای مدار چاپی گوشه‌هایی را بریده باشد، بنابراین برخی از رویکردهای کاهش هزینه باید در همان ابتدا کنار گذاشته شوند. اگر قطعات با EMI تعامل داشته باشند یا EMI منتشر کنند، برای برآورده کردن الزامات EMC در مرحله آزمایش، به هزینه های بالایی نیاز دارد.

در حالی که یک برد چهار لایه به عنوان تعادل بهینه حفاظت EMI و مسیریابی برد در نظر گرفته می شود، اغلب می توان یک برد دو لایه با همان مشخصات با استفاده از ابزارهای مسیریابی PCB رایگان طراحی کرد. PCB DesignSpark. این کاهش قابل توجهی را در هزینه ساخت برد مدار چاپی بدون تأثیر بر روند آزمایشات در آینده فراهم می کند.

مسیرهای برگشت سیگنال سخت ترین مشکل در مسیریابی PCB است. ردیابی زمین برگشتی در زیر هر اثر مرتبط با پین سیگنال میکروکنترلر بسیار دشوار است، اما این دقیقاً همان چیزی است که یک برد لایه زمین چهار لایه ارائه می دهد. مهم نیست ردها کجا می روند، همیشه یک مسیر سیگنال بازگشت به زمین در زیر آنها وجود دارد.

نزدیکترین لایه به لایه زمین از نظر مشخصات در یک تخته دو لایه، شبکه زمین است که انتشار تداخل الکترومغناطیسی از مسیرهای سیگنال را کاهش می دهد. کاهش مساحت حلقه با مسیریابی مسیر برگشت در زیر رد سیگنال کارآمدترین راه برای حل این مشکل است و ایجاد شبکه زمین مهمترین مرحله (پس از برنامه ریزی چیدمان) در مسیریابی PCB است.

تولید شبکه یک سطح ایجاد می کند

تولید شبکه یک تکنیک کلیدی برای دستیابی به EMC در بردهای دو لایه است. بسیار شبیه شبکه برق، شبکه ای از اتصالات مستطیلی بین هادی های زمینی است. در واقع، این یک صفحه زمین ایجاد می کند که همان کاهش EMI را به عنوان یک برد 4 لایه ارائه می دهد و به طور موثر صفحه زمین مورد استفاده در یک تخته 4 لایه را برای بهبود EMC تقلید می کند، یک مسیر بازگشت به زمین در زیر هر رد سیگنال ایجاد می کند و باعث کاهش می شود. امپدانس بین میکروکنترلر و تنظیم کننده ولتاژ

تولید شبکه با گسترش ردپای زمین و ایجاد شکل های مسطح رسانای زمین به منظور ایجاد شبکه ای از اتصالات زمین در سراسر سطح PCB انجام می شود. به عنوان مثال، اگر یک PCB عمدتاً دارای ردپای لایه بالایی باشد که به صورت عمودی اجرا می شود و ردیابی لایه پایینی عمدتاً افقی است، این قبلاً شرایط را برای مسیریابی مسیرهای بازگشت به زمین تحت ردیابی سیگنال بدتر می کند که معمولاً در دو مرحله انجام می شود:

• ابتدا، تمام هادی های زمین به منظور اشغال بزرگترین فضای روی برد مدار چاپی منبسط می شوند.
• سپس تمام فضای آزاد باقی مانده با یک سطح زمین پر می شود.

هدف از این رویکرد ایجاد یک شبکه بزرگ تا حد امکان بر روی یک برد مدار چاپی دو لایه است. تغییرات کوچک در چیدمان PCB ممکن است به اتصالات اضافی اجازه دهد تا مساحت شبکه زمین را افزایش دهد.

منطقه بندی PCB

منطقه بندی PCB فناوری دیگری است که می توان از آن برای کاهش نویز PCB و EMI استفاده کرد و در نتیجه نیاز به لایه های PCB اضافی را کاهش داد. این تکنیک همان معنای اصلی برنامه ریزی قرار دادن کامپوننت را دارد، که فرآیند مکان یابی اجزا بر روی یک تخته خالی قبل از مسیریابی ردیابی است. پهنه بندی PCB یک فرآیند کمی پیچیده تر برای قرار دادن عملکردهای مشابه در یک منطقه PCB است، به جای مخلوط کردن اجزای عملکردی متفاوت با یکدیگر. منطق پرسرعت، از جمله میکروکنترلرها، تا حد امکان نزدیک به مدارهای قدرت، قطعات کندتر بیشتر و قطعات آنالوگ دورتر قرار می گیرند. این رویکرد به طور قابل توجهی بر EMC برد مدار چاپی تأثیر می گذارد.

با این آرایش، منطق پرسرعت تاثیر کمتری بر هادی سیگنال های دیگر دارد. بسیار مهم است که حلقه کریستالی دور از مدارهای آنالوگ، سیگنال های سرعت پایین و کانکتورها قرار گیرد. این قانون در مورد بردهای مدار چاپی و همچنین در مورد قرار دادن قطعات در داخل دستگاه اعمال می شود. از چیدمان هایی که بسته های کابل در اطراف یک تشدید کننده یا میکروکنترلر قرار می گیرند باید اجتناب شود، زیرا این کابل ها نویز را دریافت کرده و آن را به همه جا منتقل می کنند. بنابراین در حین منطقه بندی، محل قرارگیری کانکتورها روی برد مدار چاپی نیز مشخص می شود.

ابزار توسعه PCB

ابزارهای توسعه زیادی برای پشتیبانی از طراحی با در نظر گرفتن بهینه سازی EMC وجود دارد. یکی از این وسایل PCB DesignSpark آخرین نسخه ای است که از بررسی قوانین طراحی (DRC) در هنگام ردیابی، به جای بررسی پس از اتمام ردیابی، پشتیبانی می کند. این به ویژه هنگام بهینه سازی PCB برای هزینه مفید است، زیرا هر گونه تضاد یا خطا بلافاصله علامت داده می شود و قابل حل است. البته این بررسی ها به کامل بودن اطلاعات ارائه شده توسط طراح بستگی دارد، اما این رویکرد به شما اجازه می دهد تا روند مسیریابی را تسریع کنید و در نتیجه زمان را برای مسائل مهم دیگر آزاد کنید.

نسخه 5 بررسی قانون طراحی آنلاین PCB PCB DesignSpark هر مؤلفه ای را که در نتیجه عملیات ویرایش تعاملی اضافه شده و جابجا شده است، بررسی می کند. به عنوان مثال، تمام سیم های متصل به یک جزء جابجا شده و تمام سیم های اضافه شده در طول مسیریابی دستی بررسی می شوند.

نسخه 5 همچنین پشتیبانی اتوبوس را اضافه کرده است تا ردیابی ها به راحتی با هم گروه بندی و مسیریابی شوند. به جای ترسیم تمام اتصالات در یک طرح و اتصال آنها به هر پایه، طراح می تواند با افزودن اتصالات پین جزء به گذرگاهی که سیگنال از آن عبور می کند، طرحی با درهم ریختگی کمتر با باس ها ایجاد کند.

شکل 1: افزودن باسبار به نسخه 5 PCB DesignSpark

لاستیک ها می توانند باز یا بسته باشند. یک گذرگاه بسته مجموعه ای از نام های سیم است که برای یک گذرگاه مشخص از پیش تعریف شده است، و فقط آن سیم ها می توانند به یک گذرگاه معین متصل شوند، در حالی که یک گذرگاه باز می تواند شامل هر سیمی باشد.

در حالی که این ویژگی ها هنگام مسیریابی باسبارها منطقی هستند، اما می توان از آنها برای مسیریابی سایر ردیابی ها روی PCB استفاده کرد. این توانایی برای استفاده از باسبارها در مدارها می‌تواند با گروه‌بندی چند هادی ساطع کننده EMI همراه با هادی‌های برگشت زمین اطرافشان و در نتیجه کاهش EMI روی برد در حال طراحی، به ساده‌تر و واضح‌تر شدن طراحی کمک کند. یک قانون سرانگشتی خوب این است که هرگز ردهای منتشر کننده EMI را در قسمت بیرونی برد اجرا نکنید، که می تواند برای بردهای کوچک دو لایه مشکل باشد. دور نگه داشتن مدارهای غیر EMI از مکان هایی مانند کانکتورها، مدارهای تشدید کننده، رله ها، درایورهای رله، جایی که می توان EMI را در این مدارها القا کرد نیز به بهبود سازگاری الکترومغناطیسی کمک می کند.

نتیجه

طراحی یک PCB با سادگی مورد نیاز برای کاهش هزینه شاید بیشتر از استفاده از غنای یک برد چند لایه چالش برانگیز باشد.

برخی از مشکلات EMC را می توان با استفاده از خازن های کوپلینگ و دانه های فریت برای سرکوب هرگونه سیگنالی که ممکن است منتشر شود حل کرد، اما این امر به طراحی پیچیدگی می بخشد و هزینه تولید را افزایش می دهد. در حالی که مشکلات EMI و EMC را می توان با قوانین طراحی صحیح با استفاده از ملاحظات منطقه بندی و تداخل به حداقل رساند، تولید برق و شبکه زمین می تواند همان سطح محافظ را در یک برد دو لایه فراهم کند که در طراحی چهار یا شش لایه امکان پذیر است. این نه تنها هزینه ساخت برد را کاهش می دهد، بلکه قابلیت اطمینان و عملکرد از جمله سازگاری الکترومغناطیسی را بهبود می بخشد، بنابراین هزینه چرخه عمر تجهیزات را کاهش می دهد.