Ghid de proiectare PCB (Mini-FAQs on PCB Layout). Aspect PCB și EMC pentru microcontrolere din seria MB90

Definiții:

Compatibilitate electromagnetică, EMC: capacitatea, în timpul funcționării, de a nu aduce o contribuție excesivă la mediu prin radiațiile electromagnetice. Când această condiție este îndeplinită, toate componentele electronice funcționează împreună corect.

Interferențe electromagnetice, EMI: energie electromagnetică radiată de la un dispozitiv care poate degrada performanța altui dispozitiv.

Imunitate electromagnetică, EMPU (imunitate electromagnetică, sau susceptibilitate, EMS): toleranta (rezistenta) la efectele energiei electromagnetice.

Design EMC: 4 reguli de bază

Problema regulilor: cu cât le ai mai multe, cu atât este mai greu să le urmezi pe toate. Prioritizarea implementării lor este diferită.

Să presupunem că, atunci când creați o placă de circuit imprimat multistrat, trebuie să direcționați un semnal de înaltă frecvență de la o componentă analogică la una digitală. Desigur, doriți să minimizați probabilitatea unei probleme de compatibilitate electromagnetică (EMC). Când căutați pe internet, găsiți trei recomandări care par a fi relevante pentru situația dvs.:

1. Minimizați lungimile magistralei de semnal RF
2. Separați șinele de alimentare și de masă între porțiunile analogice și digitale ale circuitului
3. Nu rupeți poligoane de pământ cu conductori de înaltă frecvență

Viziunea dumneavoastră pentru cele trei configurații posibile este prezentată în Figura 1.

În primul caz, aliniamentele sunt direcționate direct între cele două componente și poligonul de teren rămâne solid. În cel de-al doilea caz, se formează un gol în poligon, iar urmele parcurg acest gol. În al treilea caz, aliniamentele sunt așezate de-a lungul golului din poligon.

În fiecare dintre aceste trei cazuri, are loc o încălcare a uneia dintre regulile de mai sus. Sunt aceste cazuri alternative la fel de bune pentru că îndeplinesc două dintre cele trei reguli? Sunt toate rele pentru că fiecare încalcă cel puțin o regulă?

Acestea sunt întrebările cu care se confruntă planificatorii PCB în fiecare zi. Strategia de cablare corectă sau incorectă poate duce la rezultate în care placa fie va îndeplini toate cerințele EMC, fie va avea probleme cu receptivitatea la semnalele externe. În acest caz, alegerea ar trebui să fie clară, dar vom reveni la asta mai târziu.

Problemele sunt atenuate prin prioritizarea recomandărilor. Orientările de proiectare sunt utile dacă sunt bine înțelese și dacă fac parte dintr-o strategie generală. Odată ce designerii au învățat cum să prioritizeze liniile directoare și să înțeleagă cum ar trebui utilizate acele ghiduri, ei pot proiecta cu pricepere PCB-uri bune.

Următoarele sunt patru reguli principale pentru EMC, bazate pe caracteristicile generale ale produsului electronic. În multe cazuri, designerii PCB încalcă în mod deliberat una dintre aceste reguli în încercarea de a le îndeplini pe altele mai importante.

Regula 1: Minimizați calea curentului de semnal

Această regulă simplă apare în aproape fiecare listă de recomandări EMC, dar este adesea fie ignorată, fie minimizată în favoarea altor recomandări.

Adesea, un proiectant de PCB nici măcar nu se gândește unde curg curenții de semnal și preferă să se gândească la semnale în termeni de tensiune, dar ar trebui să se gândească în termeni de curent.

Există două axiome pe care fiecare proiectant de PCB ar trebui să le cunoască:

- curenții de semnal revin întotdeauna la sursa lor, adică calea curentă este o buclă
- curenții de semnal folosesc întotdeauna calea cu cea mai mică impedanță

La frecvențe de câțiva megaherți și mai sus, calea curentului semnalului este relativ ușor de determinat, deoarece calea cu cea mai mică impedanță este în general calea cu cea mai mică inductanță. În fig. 2 prezintă două componente pe o placă de circuit imprimat. Un semnal de 50 MHz se propagă de-a lungul unui conductor deasupra poligonului de la componenta A la componenta B.



Știm că un semnal de aceeași mărime trebuie să se propagă înapoi de la componenta B la componenta A. Să presupunem că acest curent (să-i spunem întoarcere) curge de la pinul componentei B, notat GND, către pinul componentei A, notat și GND. .

Deoarece integritatea (continuitatea) poligonului este asigurată, iar pinii, desemnați ca GND, ai ambelor componente sunt amplasați aproape unul de celălalt, acest lucru duce la concluzia că curentul va lua calea cea mai scurtă între ele (calea 1). Cu toate acestea, acest lucru nu este corect. Curenții de înaltă frecvență iau calea cu cea mai mică inductanță (sau calea cu cea mai mică zonă a buclei, calea celei mai mici viraj). Cea mai mare parte a curentului de returnare a semnalului circulă prin poligon pe o cale îngustă chiar sub traseul semnalului (calea 2).

Dacă un poligon a fost realizat din orice motiv cu o crestătură așa cum se arată în Figura 3, atunci crestătura 1 va avea un efect redus asupra integrității și emisiilor semnalului. Cealaltă crestătură 2 poate duce la probleme semnificative; este în conflict cu recomandarea 2. Zona buclei crește semnificativ; curenții inversi sunt atât de intensi încât curg de-a lungul limitei discontinuității.



La frecvențe joase (în general kHz și mai jos), calea cu cea mai mică impedanță tinde să fie calea cu cea mai joasă frecvență a semnalului. Pentru o placă de circuit imprimat cu poligoane solide de curenți de retur, rezistența poligoanelor tinde să disipeze curentul, astfel încât curentul care curge între două puncte îndepărtate se poate răspândi pe o zonă mai mare a plăcii, așa cum se arată în Figura 4.



Pe o placă cu semnale mixte, componente analogice și digitale de joasă frecvență, aceasta poate fi o problemă. Figura 5 ilustrează modul în care o pauză bine poziționată într-un depozit de deșeuri poate remedia această situație prin captarea curenților de retur de joasă frecvență care curg prin depozitul de deșeuri într-o zonă dedicată.



Regula 2: Nu explodați poligonul de întoarcere

Este corect. Tocmai v-am arătat un exemplu excelent într-o situație în care crearea unui circuit deschis în curentul semnalului de retur a fost soluția potrivită. Cu toate acestea, ca ingineri tipici EMC, vă sfătuim să nu faceți niciodată acest lucru. De ce? Pentru că o mare parte din dezvoltarea oamenilor bine înțeleși pe care am întâlnit-o a fost rezultatul încălcării din greșeală a Regulii 1 și al creării de goluri în poligoane de întoarcere. În plus, decalajul era adesea ineficient și inutil.

Se crede că curentul de întoarcere a semnalului analogic ar trebui să fie întotdeauna izolat de curentul de întoarcere a semnalului digital. Această idee a apărut atunci când circuitele analogice și digitale funcționau la frecvențe kiloherți. De exemplu, plăcile care au fost utilizate pentru înregistrarea audio digitală au întâmpinat adesea probleme de zgomot din cauza efectelor curenților de semnal digital de frecvență joasă de sub zona plăcii în care erau amplasate amplificatoarele analogice sensibile. Cu ceva timp în urmă, designerii audio au încercat să evite această problemă prin împărțirea curenților de retur pentru a controla căile de retur și eliminând analogul din circuitele digitale.

Studenții noștri sunt invitați să rezolve o problemă de proiectare care necesită protejarea componentelor analogice sensibile (de obicei amplificatoare audio sau generatoare cu fază blocată) de partea digitală a circuitului prin împărțirea poligonului de curent al semnalului de retur în așa fel încât curenții LF să fie izolați. iar curenții RF nu ar forma interferențe. De obicei, nu este evident cum se poate face acest lucru și, destul de des, discontinuitățile poligoanelor creează probleme mai mari decât rezolvă.

O situație similară apare la rutarea anvelopelor pentru echipamente radio-electronice de automobile sau aviație. Într-un astfel de echipament, curenții de retur ai circuitului digital sunt adesea izolați de carcasa comună pentru a proteja circuitele digitale de deteriorarea de la curenții LF mari care pot trece prin structura metalică a vehiculului. Filtrarea EMI și protecția tranzitorie necesită de obicei conexiuni la pământ, în timp ce semnalul trebuie transmis în raport cu magistrala digitală de retur.

Când curenții rețelei de șasiu și returul digital au aceeași magistrală, ei apar ca un singur poligon întrerupt. Acest lucru creează uneori confuzie cu privire la pământul la care ar trebui conectată orice componentă. În această situație, este de obicei o idee bună să conectați magistrala șasiului și returul digital pe autobuze separate. Poligonul de retur digital trebuie să fie solid și să acopere zona de sub toate componentele, urmele și conectorii digitale. Conexiunea la șasiu ar trebui să fie limitată la zona plăcii de lângă conectori.

Fără îndoială, există situații în care este necesară o întrerupere bine localizată în domeniul curentului de retur. Cu toate acestea, cea mai fiabilă metodă este un poligon solid pentru toți curenții semnalului de retur. În cazurile în care un semnal separat de frecvență joasă este susceptibil la interferență (capabil să se amestece cu alte semnale de pe placă), trasarea pe un strat separat este utilizată pentru a returna acest curent la sursă. În general, nu utilizați niciodată divizarea sau tăierea în poligonul curent al semnalului de întoarcere. Dacă sunteți în continuare convins că decupajul din poligon este necesar pentru a rezolva problema decuplării de joasă frecvență, consultați un expert. Nu vă bazați pe recomandări sau aplicații de proiectare și nu încercați să implementați un circuit care a funcționat pentru altcineva într-un design similar.

Acum că suntem familiarizați cu cele două reguli principale pentru EMC, suntem gata să reexaminăm problema din Fig. 1. Care alternativă este cea mai bună? Prima este singura care nu contravine regulilor. Dacă, dintr-un motiv oarecare (în afara dorinței de proiectare), a fost necesară o pauză în depozitul de pământ, atunci a treia opțiune de aspect este mai acceptabilă. Trasarea de-a lungul pauzei minimizează zona buclei de curent de semnal.

Regula 3. Nu plasați circuite de mare viteză între conectori

Acesta este unul dintre cele mai comune modele de plăci pe care le-am revizuit și evaluat în laboratorul nostru. În plăcile simple, care trebuiau să eșueze la toate cerințele EMC fără niciun cost și efort suplimentar, o bună ecranare și filtrare a fost anulată deoarece această regulă simplă a fost încălcată.

De ce este atât de importantă plasarea conectorului? La frecvențe sub câteva sute de megaherți, lungimea de undă este de ordinul unui metru sau mai mult. Conductorii de pe placă - posibile antene - au o lungime electrică relativ scurtă și, prin urmare, nu funcționează eficient. Cu toate acestea, cablurile sau alte dispozitive conectate la placă pot fi antene destul de eficiente.

Curenții de semnal care circulă prin conductori și se întorc prin poligoane solide creează căderi mici de tensiune între oricare două puncte din poligon. Aceste tensiuni sunt proporționale cu curentul care curge prin poligon. Când toți conectorii sunt amplasați pe o margine a plăcii, căderea de tensiune este neglijabilă.

Cu toate acestea, elementele de circuit de mare viteză plasate între conectori pot crea cu ușurință diferențe de potențial între conectori de până la câțiva milivolți sau mai mult. Aceste tensiuni pot induce curenți de câmp pe cablurile conectate, crescând radiația acestora.

O placă care îndeplinește toate specificațiile cu conectori pe o margine poate deveni coșmarul unui inginer EMC dacă cel puțin un conector cu un cablu este situat pe partea opusă a plăcii. Produsele care prezintă acest tip de problemă (cablurile care transportă tensiuni induse printr-un poligon integral) sunt deosebit de dificil de reparat. Acest lucru necesită adesea o ecranare suficient de bună. În multe cazuri, această ecranare nu ar fi deloc necesară dacă conectorii ar fi amplasați pe o parte sau în colțul plăcii.

Regula 4. Timpul de tranziție al semnalului de control

O placă care rulează la 100 MHz nu ar trebui să fie niciodată conformă când funcționează la 2 GHz. Un semnal digital bine format va avea mai multă putere la armonicile inferioare și nu prea multă putere la armonicile superioare. Prin controlul timpului tranzitoriu al semnalului, este posibil să se controleze puterea semnalului la armonicile superioare, ceea ce este de preferat pentru EMC. Timpii tranzitori excesivi pot duce la integritatea semnalului și probleme termice. În procesul de dezvoltare și proiectare, trebuie să se ajungă la un compromis între aceste premise concurente. Un timp tranzitoriu de aproximativ 20% din perioada semnalului are ca rezultat o formă de undă acceptabilă, reducând problemele de diafonie și radiații. În funcție de aplicație, timpul tranzitoriu poate fi mai mult sau mai mic de 20% din perioada semnalului; totuși, această dată nu ar trebui să scape de sub control.

Există trei moduri principale de a modifica marginile semnalelor digitale:
- utilizarea microcircuitelor digitale ale seriei, a căror viteză coincide cu viteza necesară,
- plasarea unui rezistor sau inductor pe ferită în serie cu semnalul de ieșire și
- punerea unui condensator in paralel cu semnalul de iesire

Prima metodă este adesea cea mai simplă și cea mai eficientă. Utilizarea unui rezistor sau a feritei oferă proiectantului mai mult control asupra tranzitoriului și un impact mai mic asupra modificărilor care apar în familiile logice în timp. Avantajul utilizării unui condensator pentru control este că poate fi îndepărtat cu ușurință dacă nu este necesar. Cu toate acestea, trebuie amintit că condensatorii cresc curentul sursei de semnal RF.

Rețineți că este întotdeauna o idee proastă să încercați să filtrați un semnal cu un singur fir pe calea curentului de întoarcere. De exemplu, nu direcționați niciodată o urmă de frecvență joasă printr-o întrerupere a poligonului de retur în încercarea de a filtra zgomotul de frecvență înaltă. După ce te uiți la primele două reguli, ar trebui să fie evident. Cu toate acestea, plăcile care folosesc această strategie incorectă se găsesc uneori în laboratorul nostru.

În general, în timpul proiectării și amenajării plăcii, este necesar să se prioritizeze pentru a respecta regulile EMC. Aceste reguli nu ar trebui să fie compromise atunci când încercați să urmați alte recomandări EMC. Cu toate acestea, există câteva recomandări suplimentare demne de remarcat. De exemplu, este important să asigurați o separare adecvată a magistralei de alimentare, să păstrați firele I/O scurte și să filtrați semnalele de ieșire.

De asemenea, este o idee bună să vă alegeți cu atenție dispozitivele active. Nu toate componentele semiconductoare compatibile cu pin sunt echivalente în ceea ce privește zgomotul. Două dispozitive cu aceiași parametri tehnici, dar realizate de producători diferiți, pot diferi semnificativ în zgomotul pe care îl creează la pinii de intrare și de ieșire, precum și la pinii de alimentare. Acest lucru este valabil mai ales pentru microcircuite foarte integrate, cum ar fi microprocesoare și circuite integrate mari specializate (ASIC). Este o idee bună să evaluați componentele de la diferiți furnizori ori de câte ori este posibil.

În cele din urmă, revizuiește-ți designul. Chiar dacă sunteți un planificator PCB cu experiență și un expert EMC, este bine să aveți pe cineva care cunoaște analiza EMC și familiarizat cu designul PCB. Pune-l să-ți revizuiască critic designul.

În sfatul cui poți avea încredere? Aveți încredere în oricine al cărui sfat vă ajută în mod clar să îndepliniți cele patru reguli principale. O mică atenție suplimentară în timpul proiectării poate economisi o mulțime de timp, bani și efort care ar fi fost irosite încercând ca un produs rezistent să funcționeze corect.

Traducerea articolului:
Dr. Todd Hubing, Dr. Tom van doren
Proiectare pentru EMC: TOP 4 GHIDURI
Design și fabricație circuit imprimat, iunie 2003

Dr. Todd Hubing, Profesor Distins de Inginerie Electrică și Calculatoare, a acordat de două ori premiul „Cele mai bune publicații ale Simpozionului” al Simpozionului Internațional al Institutului de Ingineri Electrici și Electronici.

Dr. Tom Van Doren, profesor de inginerie electrică și informatică la Laboratorul de compatibilitate electromagnetică, Universitatea din Missouri-Roll.

Marjele produselor electronice de larg consum sunt scăzute, iar producătorii încearcă să mențină prețurile scăzute ale produselor pentru a rămâne competitivi. Din acest motiv, solicită dezvoltatorilor să folosească plăci de circuite imprimate (PCB) și componente ieftine, menținând în același timp funcționalitatea dorită a dispozitivelor. Producătorii cred că asigurarea compatibilității electromagnetice (EMC) în proiectarea PCB-ului și utilizarea componentelor EMC ridicate este un lux pe care nu și-l pot permite.

Mulți cred că problemele EMC pot fi rezolvate la sfârșitul ciclului de dezvoltare cu componente suplimentare de suprimare EMI. Nu este întotdeauna evident că costul unor astfel de corecții în etapele finale de dezvoltare va fi de multe ori mai mare decât costul asigurării compatibilității electromagnetice în etapele inițiale de proiectare la crearea unui PCB. Astfel, dorința de a reduce costul materialelor și componentelor va duce de fapt la o creștere semnificativă a costului produsului.

Proiectarea unui PCB cu un nivel scăzut de zgomot și sensibilitate minimă la interferențe necesită, în primul rând, un circuit de masă adecvat și, în al doilea rând, un aspect corect al PCB. Pentru orice senzor, este de dorit să existe o impedanță minimă la pământ pentru a asigura un flux eficient de curenți în caz de interferență. Pe de altă parte, un aspect adecvat este o condiție prealabilă pentru crearea unui PCB bun. Dirijarea corectă nu numai că reduce impedanța conductorilor, dar evită și cuplarea impedanței comune.

PCB de înaltă frecvență: circuite digitale și zgomote

Circuitele integrate digitale (CI) care conțin porți logice sunt o sursă de zgomot de impuls din cauza întârzierilor în oprirea tranzistoarelor. De fiecare dată când poarta logică își schimbă starea, un scurt impuls de curent trece prin tranzistoarele complementare ale etajului de ieșire. Inductanța căilor de masă împiedică curentul să fluctueze brusc, rezultând o supratensiune.

Pentru a reduce efectele unei astfel de interferențe, toate circuitele digitale trebuie să aibă o impedanță minimă la masă. În plus, o componentă de decuplare trebuie să fie instalată lângă fiecare circuit integrat logic pentru a se asigura că calea curentului de supratensiune nu se propagă la sursa de alimentare Vcc.

Impedanța la sol poate fi redusă în mai multe moduri: prin scăderea inductanței pistei conductoare, prin reducerea zonei buclelor de curent și prin reducerea lungimii pistelor prin care curge curentul. Acest lucru se poate face parțial prin decuplarea componentelor situate lângă fiecare cip logic.

Reducerea inductanței conductoarelor de pământ

Inductanța unui conductor este direct proporțională cu lungimea acestuia. Prin urmare, este necesar să se reducă lungimea pistelor de-a lungul cărora curg curenții de impuls. O reducere suplimentară a inductanței este posibilă prin creșterea lățimii pistelor de alimentare. Din păcate, inductanța este invers proporțională cu lățimea pistei, iar această abordare nu este foarte eficientă. Ca urmare, lungimea pistei este cel mai important factor în ceea ce privește asigurarea inductanței minime.

Dacă neglijăm inductanța reciprocă, atunci inductanța echivalentă a două piste paralele identice va fi de două ori mai mică. În cazul a patru piste paralele, inductanța echivalentă va fi de patru ori mai mică. Cu toate acestea, există o limită pentru această abordare. Faptul este că, dacă pistele sunt aproape una de cealaltă, atunci inductanța reciprocă se apropie de propria sa inductanță, iar inductanța echivalentă nu scade. Cu toate acestea, dacă pistele sunt distanțate la două ori lățimea lor, atunci se poate obține o reducere a inductanței de 25%.

Astfel, în circuitul de înaltă frecvență, ar trebui prevăzute cât mai multe căi alternative alternative pentru curenții de pământ. Dacă numărul de conductori crește la infinit, atunci vom ajunge în cele din urmă la un strat de pământ solid. Utilizarea unui plan de masă separat în plăcile multistrat permite rezolvarea simultană a unui număr mare de probleme.

Dacă vorbim despre o placă cu două straturi, atunci un rezultat acceptabil poate fi obținut prin realizarea pământului sub formă de grilă (Fig. 1). În acest caz, cea mai bună opțiune ar fi atunci când calea de sol trece sub fiecare microcircuit pe toată lungimea sa. Este permisă utilizarea unei distanțe verticale între grile egale cu lungimea IC. Piesele verticale și orizontale pot fi pe părțile opuse ale plăcii, dar trebuie conectate la punctele de plasă folosind vias.

Orez. 1. Pământul este făcut sub formă de grilă

S-a dovedit că, dacă într-o placă convențională de circuit imprimat pe două fețe cu 15 microcircuite, pământul este realizat sub forma unei rețele, atunci zgomotul de la sol este redus de zece ori. Prin urmare, toate PCB-urile cu două straturi cu circuite integrate digitale trebuie să utilizeze această soluție.

Reducerea zonei buclelor de curent

O altă metodă de reducere a inductanței este reducerea aria căilor curente. O placă de circuit imprimat cu o buclă mare deschisă (Figura 2a) este un generator de zgomot eficient. În plus, circuitul în sine va fi, de asemenea, sensibil la câmpurile magnetice externe.

Luați în considerare un circuit de alimentare cu două piste paralele identice - calea de alimentare Vcc și pista GND - în care curenții curg în direcții opuse. Inductanța lor totală (Lt) este calculată prin formula 1:

Lt = 2 (L - M) (1)

unde L este inductanța fiecărei piste și M este inductanța reciprocă.

Prin plasarea pistelor Vcc și de masă apropiate unul de altul, inductanța reciprocă este maximizată și inductanța efectivă este aproape înjumătățită. În mod ideal, pe un PCB, pista Vcc ar trebui să fie paralelă cu pista la sol. Acest lucru reduce aria buclei de curent și ajută la rezolvarea problemelor legate de generarea de zgomot și sensibilitatea la interferențe.

În fig. 2a prezintă un aspect nereușit al PCB-ului, iar fig. 2 b arată o versiune îmbunătățită. În aceasta, prin reducerea zonei buclei, a fost posibilă scurtarea lungimii pistei și creșterea inductanței reciproce, ceea ce a făcut posibilă obținerea unei scăderi a emisiilor și a susceptibilității la interferențe.

Condensatoare de decuplare

În fig. 3a, traseele Vcc și la sol sunt apropiate. Cu toate acestea, traseul curentului de impuls, care începe și se termină la sursa de alimentare, formează o buclă mare (zona verde din figură) care poate genera interferențe electromagnetice. Dacă un condensator ceramic de decuplare Cc este plasat lângă fiecare IC, conectat între Vcc și masă, acesta acționează ca un element tampon pentru a furniza energie circuitului integrat în timpul de comutare, reducând astfel fluxul de curent.

Orez. 3. Condensator de decuplare

În mod ideal, condensatorul de decuplare ar trebui să aibă o capacitate de aproximativ 1 nF. Condensatorii ceramici trebuie utilizați, deoarece sunt capabili să furnizeze o încărcare la o rată foarte mare. Curentul mare de descărcare și auto-inductanța scăzută le fac ideale pentru decuplarea puterii.

Cuplaj de impedanță în plăci de circuite imprimate

În fig. 4 prezintă un exemplu de cuplare de impedanță folosind șine comune de putere și masă. În acest circuit, amplificatorul analogic împarte șinele de putere și de masă cu o poartă logică. Impedanțele pistelor sunt afișate ca elemente aglomerate (Zg și Zs). La frecvențe mai înalte, impedanțele pistelor cresc mai mult. Acest lucru se datorează nu numai unei creșteri a componentei inductive, ci și unei creșteri a rezistenței cauzate de efectul pielii.

Orez. 4. Cuplaj general de impedanță

După cum am văzut mai devreme, apare o supratensiune ori de câte ori o poartă logică este comutată. Partea impedanței de masă (Zg3) este comună atât pentru amplificator, cât și pentru poarta logică, astfel încât amplificatorul va vedea acest impuls de tensiune ca zgomot pe circuitul de alimentare. Acest zgomot poate fi transferat la circuitul amplificatorului fie direct prin intrarea de putere, fie prin impedanța comună Zg3. Ca rezultat, zgomotul va apărea direct la intrarea amplificatorului. Pentru a reduce cuplarea impedanței totale, fie reduceți impedanța totală, fie scăpați complet de ea.

Eliminarea impedanței comune

Impedanța comună poate fi eliminată prin conectarea în stea a sursei de alimentare a diferitelor circuite, așa cum se arată în Figura 5. Pentru a face acest lucru, circuitele trebuie grupate în funcție de nivelul de zgomot și susceptibilitatea lor la interferențe. Autobuzele comune pot fi utilizate în cadrul fiecărui grup, dar liniile electrice ale grupurilor individuale sunt conectate la un punct. O astfel de conexiune se numește hibrid. A doua abordare este utilizarea surselor de alimentare separate pentru fiecare grup de circuite, ceea ce îmbunătățește și mai mult izolarea dintre circuite.

Orez. 5. Conexiune la un moment dat

În această secțiune, ne uităm la modul de evitare a distorsiunii semnalului digital asociat cu transmiterea acestuia de-a lungul conductorului de pe placa de circuit imprimat. În ciuda faptului că aceasta este în primul rând o sarcină pentru inginerul de circuite, proiectantul plăcii de circuit imprimat este adesea vinovat de probleme cu transmiterea semnalului prin placă, precum și de zgomotul și diafonia care apare pe placă.

De ce semnalul este distorsionat în timpul transmisiei?
În primul rând, distorsiunea este inerentă semnalelor de înaltă frecvență cu o frecvență de 1 GHz sau mai mult. Acest lucru se datorează efectelor rezonanțelor și reflexiilor asupra segmentelor individuale ale conductorilor, căilor, ramurilor de pe placă, precum și la intrările receptorilor. Cu toate acestea, problema este că semnalele cu o frecvență de până la 500 MHz, tipice pentru circuitele digitale standard, așa cum vom vedea mai jos, pot fi adesea distorsionate semnificativ, ceea ce înseamnă că pot fi atribuite și celor de înaltă frecvență.

Care este ideea din spatele transmisiei fără distorsiuni?
Principiul transmiterii semnalului fără distorsiuni este că conductorul este proiectat ca o linie de transmisie (sau „linie lungă”) cu o anumită impedanță caracteristică (caracteristică), adică impedanța Z 0, aceeași pe tot parcursul de la sursă la receptorul semnalului, ceea ce asigură uniformitatea liniei. A doua cerință este coerența liniei cu sursa și receptorul semnalului. Spre deosebire de un conductor convențional, o astfel de linie de transmisie nu are ca rezultat rezonanță, distorsiune sau reflexii în transmisia semnalului, indiferent cât de lungă este aceasta. Liniile de transmisie pot fi implementate cu ușurință pe o placă de circuit imprimat folosind materiale cu parametri cunoscuți și asigurând dimensiunile necesare ale elementelor modelului imprimat. Se face o distincție între terminarea liniei în serie și paralelă; în acest caz, este necesar să se utilizeze anumite rezistențe de terminare la ieșirea sursei și/sau la intrarea receptorului de semnal. Liniile de transmisie formate pe placă pot fi desigur extinse în afara plăcii folosind conectori și cabluri cu impedanță caracteristică controlată Z 0.

Pentru ce semnale devine semnificativă distorsiunea?
Comparând lungimea conductorului de pe placă cu lungimea de undă pe care o are componenta de frecvență cea mai înaltă a semnalului transmis (la propagarea, de exemplu, în materialul FR4), se poate determina așa-numita lungime electrică a conductorului. . Lungimea electrică poate fi exprimată în fracții din lungimea de undă minimă sau în fracții din valoarea sa inversă - durata frontului. Dacă un conductor este prea lung în lungime electrică, atunci proiectați acel conductor ca o linie de transmisie pentru a preveni distorsiunile excesive ale semnalului. Rețineți că atunci când transmiteți semnale de înaltă frecvență, liniile de transmisie ar trebui utilizate nu numai pentru a reduce distorsiunea, ci și pentru a reduce nivelul radiației electromagnetice (EMP).

Jumătate din regula frontului
O regulă generală este că un conductor este „lung electric” (ceea ce numește ingineria electrică "linie lunga") în cazul în care timpul de parcurs al frontului de avans al semnalului de la sursă la cel mai îndepărtat receptor depășește jumătate din durata frontului de avans al semnalului. În acest caz, reflexiile liniei pot distorsiona semnificativ frontul semnalului. Să presupunem că dispozitivul conține microcircuite cu un timp de creștere de 2 ns (de exemplu, conform documentației pentru seria FastTTL). Constanta dielectrică a materialului PCB (FR4) la frecvențe înalte este aproape de 4,0, ceea ce dă o viteză frontală de aproximativ 50% din viteza luminii, sau 1,5,10 8 m / s. Aceasta corespunde unui timp de propagare frontală de 6,7 ps/mm. Cu o astfel de viteză, frontul se va deplasa cu aproximativ 300 mm în 2 ns. Din aceasta putem concluziona că pentru astfel de semnale ar trebui să folosiți „linii de transmisie” numai dacă lungimea conductorului depășește jumătate din distanța dată - adică 150 mm.

Din păcate, acesta nu este răspunsul corect. Regula de jumătate de creștere este prea simplistă și poate fi problematică dacă nu este luată în considerare.

Probleme de abordare simplificată
Datele privind timpul de creștere din documentația pentru microcircuite reflectă valoarea maximă și, adesea, timpul real de comutare este mult mai mic (să zicem, poate fi de 3-4 ori mai mic decât „maximul” și cu greu se poate garanta că nu va varia de la un lot la altul de microcircuite). Mai mult, componenta capacitivă inevitabilă a sarcinii (de la circuitele integrate conectate la linie) reduce viteza de propagare a semnalului în comparație cu viteza calculată realizabilă pe un PCB gol. Prin urmare, pentru a obține o integritate adecvată a semnalului transmis, liniile de transmisie ar trebui utilizate pentru conductori mult mai scurti decât sugerează regula descrisă anterior. Se poate arăta că pentru semnalele cu un timp de creștere (conform documentației) de 2 ns, este indicat să se folosească deja linii de transmisie pentru conductoarele a căror lungime depășește doar 30 mm (și uneori chiar mai puțin)! Acest lucru este valabil mai ales pentru semnalele care poartă funcția de sincronizare sau de intrare. Aceste semnale sunt caracterizate de probleme asociate cu „false pozitive”, „recalculare”, „remedierea datelor incorecte” și altele.

Cum se proiectează linii de transmisie?
Există multe publicații dedicate ce tipuri de linii de transmisie pot fi, cum să le proiectați pe o placă de circuit imprimat, cum să le verificați parametrii. În special, standardul IEC 1188-1-2: 1988 oferă recomandări detaliate în acest sens. Există, de asemenea, multe produse software disponibile pentru a vă ajuta să alegeți designul liniei de transmisie și structura plăcii de circuit imprimat. Majoritatea sistemelor moderne de proiectare PCB vin cu software încorporat care permite proiectantului să proiecteze liniile de transmisie la parametrii specificați. Exemplele includ programe precum AppCAD, CITS25, TXLine. Cele mai complete capabilități sunt oferite de produsele software Polar Instruments.

Exemple de linii de transmisie
Ca exemple, luați în considerare cele mai simple tipuri de linii de transmisie.

Cum să proiectați o linie de transmisie în cel mai bun mod?
Semnalele cu cea mai mare viteză (sau cele mai critice) ar trebui să fie în straturi adiacente planului de masă (GND), de preferință unul care este asociat cu planul de alimentare pentru decuplare. Semnalele mai puțin critice pot fi direcționate către planurile de masă dacă aceste planuri sunt decuplate în mod adecvat și nu sunt foarte zgomotoase. Fiecare astfel de plan de alimentare trebuie să fie asociat cu microcircuitul cu care sau la care este furnizat acest semnal. Cea mai bună imunitate la zgomot și EMC sunt asigurate de liniile stripline între două planuri GND, fiecare asociat cu un plan de alimentare diferit pentru decuplare.
Linia de transmisie nu trebuie să aibă găuri, rupturi sau rupturi în niciunul dintre planurile de referință în raport cu care este desenată, deoarece acest lucru duce la modificări semnificative în Z 0. Mai mult, linia benzii trebuie să fie cât mai departe posibil de orice întrerupere a planului sau de marginea planului de referință, iar această distanță nu trebuie să fie mai mică de zece ori lățimea conductorului. Liniile de transmisie adiacente ar trebui să fie separate de cel puțin trei lățimi ale conductorului pentru a elimina diafonia. Semnalele extrem de critice sau „agresive” (cum ar fi comunicarea cu o antenă radio) pot beneficia de EMC prin utilizarea unei linii simetrice cu două rânduri de interfețe strâns distanțate care o blochează de alți conductori și creează o structură coaxială în PCB. Cu toate acestea, pentru astfel de structuri, calculul lui Z 0 se realizează folosind formule diferite.

Cum poți reduce costul unui proiect?
Tipurile de linii de transmisie descrise mai sus necesită aproape întotdeauna utilizarea unei plăci multistrat, prin urmare, este posibil să nu fie aplicabile pentru crearea de produse de masă din categoria de preț mai mică (deși pentru volume mari, plăcile cu circuite imprimate cu 4 straturi sunt doar 20-30). % mai scump decat fata-verso). Cu toate acestea, pentru modelele cu costuri reduse, sunt utilizate și tipuri de linii precum echilibrat (uniform) sau coplanar, care pot fi proiectate pe o placă cu un singur strat. Trebuie avut în vedere că tipurile de linii de transmisie cu un singur strat ocupă de câteva ori mai multă suprafață pe placă decât liniile microstrip și strip. În plus, economisirea costurilor PCB înseamnă că plătiți mai mult pentru ecranarea suplimentară și filtrarea zgomotului. Există o regulă generală că rezolvarea problemelor EMC la nivelul ambalajului produsului costă de 10 până la 100 de ori mai mult decât rezolvarea aceleiași probleme la nivel de PCB.
Prin urmare, pe măsură ce vă reduceți bugetul de dezvoltare prin reducerea numărului de straturi de PCB, fiți pregătit să petreceți timp și bani suplimentari comandând mai multe iterații de mostre de PCB pentru a asigura nivelul necesar de integritate a semnalului și EMC.

Cum să atenuăm efectul negativ al schimbării straturilor?
Conform regulilor tipice de cablare, există cel puțin un condensator de decuplare lângă fiecare microcircuit, astfel încât să putem schimba stratul din apropierea microcircuitului. Cu toate acestea, trebuie luată în considerare lungimea totală a segmentelor care nu sunt situate în stratul „dungi”. O regulă generală este că lungimea electrică totală a acestor segmente nu trebuie să depășească o opteme din timpul de creștere. Dacă poate apărea o modificare prea mare a Z 0 pe oricare dintre aceste segmente (de exemplu, când utilizați prize ZIF sau alte tipuri de prize pentru microcircuite), este mai bine să vă străduiți să minimizați această lungime la o zecime din timpul frontal. Utilizați regula de mai sus pentru a determina lungimea totală maximă admisă a segmentelor nestandardizate și încercați să o minimizați în aceste limite cât mai mult posibil.
Pe baza acesteia, pentru semnalele cu un timp de creștere (conform documentației) de 2 ns, trebuie să schimbăm stratul la cel mult 10 mm de centrul microcircuitului sau de centrul rezistenței de potrivire. Această regulă a fost elaborată ținând cont de o marjă de 4 ori pentru faptul că timpul real de comutare poate fi semnificativ mai mic decât cel maxim conform documentației. La aproximativ aceeași distanță (nu mai mult) de locația de schimbare a stratului, ar trebui să existe cel puțin un condensator de decuplare care conectează planurile de masă și de alimentare corespunzătoare. Distanțele atât de mici sunt dificil de realizat cu circuite integrate mari, așa că există unele compromisuri în configurația circuitelor de mare viteză de astăzi. Cu toate acestea, această regulă justifică faptul că microcircuitele de dimensiuni mici sunt preferate în circuitele de mare viteză și explică faptul că dezvoltarea rapidă a tehnologiilor BGA și flip-chip, care minimizează calea semnalului de la conductorul de pe placă la microcircuit. cip.

Modelarea si testarea prototipurilor
Datorită numeroaselor opțiuni pentru microcircuite și chiar mai multor opțiuni pentru utilizarea lor, unii ingineri pot considera că aceste reguli generale nu sunt suficient de precise, iar alții le vor considera exagerate, dar acesta este rolul „regulilor generale” - este doar un aproximare grosieră care permite proiectarea intuitivă a dispozitivelor care funcționează corect.
Acum mijloacele de modelare pe computer devin din ce în ce mai accesibile și mai avansate. Acestea permit calcularea integrității semnalului, a parametrilor EMC, în funcție de structura actuală a stratului și de rutarea semnalului. Desigur, aplicarea lor va oferi rezultate mai precise decât utilizarea aproximărilor noastre brute, așa că vă recomandăm să folosiți simulări pe computer cât mai complet posibil. Cu toate acestea, nu uitați că timpii efectivi de comutare ai microcircuitelor pot fi semnificativ mai scurti decât cei indicați în documentație, iar acest lucru poate duce la rezultate incorecte, așa că asigurați-vă că modelul etapelor de ieșire și de intrare corespunde realității.
Următorul pas este testarea trecerii semnalului critic pe prima placă de circuit imprimat „prototip” folosind un osciloscop de înaltă frecvență. Asigurați-vă că forma de undă nu este distorsionată pe măsură ce se deplasează pe PCB pe toată lungimea conductorului, iar doar respectarea regulilor de mai sus este puțin probabil să dea un rezultat excelent prima dată, deși poate fi destul de bun. Utilizarea unui analizor de câmp electromagnetic RF sau a unui analizor de spectru poate fi o altă modalitate de a investiga integritatea semnalului și problemele EMC la nivel de PCB „prototip”. Tehnicile pentru o astfel de analiză nu fac obiectul acestui articol.
Chiar dacă utilizați simulări complexe de circuite, nu neglijați integritatea semnalului și verificările EMC la primele prototipuri de PCB.

Furnizarea impedanțelor de undă în etapa de fabricație a PCB-ului
Materialul PCB tipic FR4 are o constantă dielectrică (E r) de aproximativ 3,8 ... 4,2 per GHz. Valorile reale E r pot fluctua în ± 25%. Există materiale de tip FR4 pentru care valoarea E r este standardizată și garantată de furnizor și nu sunt cu mult mai scumpe decât materialele convenționale, dar producătorii de PCB nu sunt obligați să folosească tipuri FR4 „standardizate” decât dacă este specificat în mod expres în comandă. pentru PCB.
Producătorii de PCB lucrează cu grosimi standard ale dielectricilor („preimpregnate” și „laminate”), iar grosimea acestora în fiecare strat trebuie determinată înainte ca placa să intre în producție, ținând cont de toleranțele de grosime (aproximativ ± 10%). Pentru a oferi un Z 0 dat, pentru o anumită grosime dielectrică, puteți alege lățimea conductorului corespunzătoare. Pentru unii producători este necesar să se indice lățimea efectivă a conductorului necesară, pentru alții - cu o marjă de subdecupare, care poate ajunge la 25-50 de microni față de lățimea nominală. Cea mai bună opțiune este de a indica producătorului ce lățime a conductorului în care straturi este proiectată pentru a asigura Z 0 specificat. În acest caz, producătorul poate ajusta lățimea conductorului și structura stratului pentru a furniza parametrii specificați în conformitate cu tehnologia sa de producție. În plus, producătorul măsoară impedanța caracteristică reală pe fiecare semifabricat din fabrică și respinge plăcile pe care Z 0 nu se încadrează în toleranța de ± 10% sau mai precis.
Pentru semnale de peste 1 GHz, poate fi necesar să se utilizeze materiale cu frecvență mai înaltă, cu o stabilitate mai bună și alți parametri dielectrici (cum ar fi Duroidul lui Rogers etc.).

Literatură
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Plăci tipărite și ansambluri de plăci imprimate - Proiectare și utilizare. Partea 1-2: Cerințe generice - Impedanță controlată, www.iec.ch.
3. Proiectarea plăcilor cu circuite imprimate multistrat de complexitate ridicată. Seminar Tehnologia PCB, 2006.
4.http: //library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Design hardware. Walt Kester.

CONSIDERENTE GENERALE

Datorită diferențelor semnificative dintre circuitele analogice și cele digitale, partea analogică a circuitului trebuie separată de restul, iar la cablarea acesteia trebuie respectate metode și reguli speciale. Efectele datorate caracteristicilor imperfecte ale plăcilor cu circuite imprimate devin deosebit de vizibile în circuitele analogice de înaltă frecvență, dar erorile generale descrise în acest articol pot afecta caracteristicile de calitate ale dispozitivelor care funcționează chiar și în domeniul de frecvență audio.

Intenția acestui articol este de a discuta despre greșelile comune făcute de designerii PCB, de a descrie impactul acestor erori asupra performanței și de a oferi recomandări pentru rezolvarea problemelor.

Placă de circuit imprimat - componentă schematică

Numai în rare ocazii o placă de circuit analogică poate fi direcționată astfel încât efectele pe care le introduce să nu aibă niciun efect asupra performanței circuitului. În același timp, orice astfel de impact poate fi minimizat, astfel încât caracteristicile circuitelor analogice ale dispozitivului să fie aceleași cu cele ale modelului și prototipului.

Aspect

Proiectanții de circuite digitale pot corecta micile erori de pe placa fabricată completând-o cu jumperi sau, dimpotrivă, îndepărtând conductorii inutile, efectuând modificări în funcționarea microcircuitelor programabile etc., trecând foarte curând la următoarea dezvoltare. Acesta nu este cazul unui circuit analogic. Unele dintre greșelile obișnuite discutate în acest articol nu pot fi corectate prin adăugarea de jumperi sau prin eliminarea firelor în exces. Acestea pot și vor face ca întreaga placă de circuit imprimat să fie inutilizabilă.

Este foarte important ca un proiectant de circuite digitale care folosește astfel de metode de corectare să citească și să înțeleagă materialul prezentat în acest articol cu ​​mult timp înainte, înainte de a trimite proiectul în producție. Puțină grijă în timpul proiectării și discutarea posibilelor opțiuni nu numai că va ajuta la prevenirea reciclării PCB-ului, ci și la reducerea costurilor din cauza gafelor dintr-o mică porțiune analogică a circuitului. Găsirea erorilor și remedierea lor poate duce la pierderi de sute de ore. Prototiparea poate reduce acest timp la o zi sau mai puțin. Modelați toate circuitele dvs. analogice.

Surse de zgomot și interferențe

Zgomotul și interferența sunt principalele elemente care limitează performanța circuitelor. Interferența poate fi fie emisă de surse, fie direcționată către elementele circuitului. Circuitele analogice se găsesc adesea pe o placă de circuit imprimat împreună cu componente digitale de mare viteză, inclusiv procesoare de semnal digital ( DSP).

Semnalele logice de înaltă frecvență generează RFI semnificative ( RFI). Numărul surselor de emisie de zgomot este enorm: surse cheie pentru sisteme digitale, telefoane mobile, radio și televiziune, lămpi fluorescente, computere personale, descărcări de fulgere etc. Chiar și atunci când circuitele analogice funcționează în domeniul de frecvență audio, RFI poate crea zgomot vizibil în semnalul de ieșire.

Alegerea designului PCB este un factor important în determinarea performanței mecanice a dispozitivului în ansamblu. Pentru fabricarea plăcilor de circuite imprimate se folosesc materiale de diferite niveluri de calitate. Va fi cel mai potrivit și convenabil pentru dezvoltator dacă producătorul de PCB este în apropiere. În acest caz, este ușor de controlat rezistivitatea și constanta dielectrică - principalii parametri ai materialului PCB. Din păcate, acest lucru nu este suficient și cunoașterea altor parametri, cum ar fi inflamabilitatea, stabilitatea la temperaturi ridicate și coeficientul de higroscopicitate, este adesea necesară. Acești parametri pot fi cunoscuți doar de producătorul componentelor utilizate în producția de plăci cu circuite imprimate.

Materialele laminate sunt desemnate prin indicele FR ( rezistent la flacără, rezistență la flacără) și G. Materialul cu indicele FR-1 are cea mai mare inflamabilitate, iar FR-5 - cea mai mică. Materialele cu indici G10 și G11 au caracteristici speciale. Materialele plăcilor cu circuite imprimate sunt date în tabel. unu.

Nu utilizați PCB categoria FR-1. Există multe exemple de utilizare a PCB-urilor FR-1 care au daune termice din cauza componentelor de mare putere. PCB-urile din această categorie sunt mai mult ca carton.

FR-4 este adesea folosit la fabricarea de echipamente industriale, în timp ce FR-2 este folosit la fabricarea de aparate electrocasnice. Aceste două categorii sunt standardizate în industrie, iar PCB-urile FR-2 și FR-4 sunt adesea potrivite pentru majoritatea aplicațiilor. Dar uneori imperfecțiunea caracteristicilor acestor categorii obligă la utilizarea altor materiale. De exemplu, pentru aplicații cu frecvență foarte înaltă, fluoroplastic și chiar ceramică sunt folosite ca material PCB. Cu toate acestea, cu cât materialul PCB este mai exotic, cu atât prețul poate fi mai mare.

Atunci când alegeți un material de placă de circuit imprimat, acordați o atenție deosebită higroscopicității acestuia, deoarece acest parametru poate avea un efect negativ puternic asupra caracteristicilor dorite ale plăcii - rezistență la suprafață, scurgeri, proprietăți de izolare la tensiune înaltă (defecțiuni și arc) și rezistență mecanică. Acordați atenție și temperaturii de funcționare. Punctele fierbinți pot apărea în locații neașteptate, cum ar fi lângă circuite mari digitale integrate care comută la frecvențe înalte. Dacă aceste zone sunt situate direct sub componentele analogice, creșterea temperaturii poate afecta performanța circuitului analogic.

tabelul 1

	Componente, comentarii
	hârtie, compoziție fenolică: presare și ștanțare la temperatura camerei, coeficient ridicat de higroscopicitate
	hârtie, compoziție fenolică: aplicabilă pentru plăcile cu circuite imprimate pe o singură față ale aparatelor de uz casnic, higroscopicitate scăzută
	hârtie, compoziție epoxidice: formulări cu bune caracteristici mecanice și electrice
	fibra de sticla, compozitie epoxidica: proprietati mecanice si electrice excelente
	fibră de sticlă, compoziție epoxidică: rezistență ridicată la temperaturi ridicate, fără inflamabilitate
	fibră de sticlă, compoziție epoxidice: proprietăți izolante ridicate, cea mai mare rezistență a fibrei de sticlă, coeficient scăzut de higroscopicitate
	fibră de sticlă, compoziție epoxidică: rezistență ridicată la încovoiere la temperaturi ridicate, rezistență ridicată la solvenți

Odată ce materialul PCB este selectat, este necesar să se determine grosimea foliei PCB. Acest parametru este selectat în primul rând pe baza valorii maxime a curentului care curge. Ori de câte ori este posibil, încercați să evitați utilizarea foliei foarte subțiri.

NUMĂR DE STRATURI DE PCB

În funcție de complexitatea generală a circuitului și de cerințele de calitate, proiectantul trebuie să determine numărul de straturi din PCB.

Plăci cu circuite imprimate cu un singur strat

Circuitele electronice foarte simple sunt realizate pe plăci cu o singură față folosind materiale ieftine acoperite cu folie (FR-1 sau FR-2) și au adesea mulți jumperi, care seamănă cu plăcile cu două fețe. Această metodă de creare a plăcilor cu circuite imprimate este recomandată numai pentru circuitele de joasă frecvență. Din motive care vor fi descrise mai jos, plăcile de circuite imprimate pe o singură față sunt foarte susceptibile la interferențe ... Un PCB bun cu o singură față este dificil de proiectat din multe motive. Cu toate acestea, există plăci bune de acest tip, dar necesită multă gândire în avans atunci când le dezvoltă.

PCB-uri cu strat dublu

La nivelul următor sunt PCB-urile cu două fețe, care în cele mai multe cazuri folosesc FR-4 ca material substrat, deși uneori se găsește și FR-2. Utilizarea FR-4 este de preferat, deoarece orificiile plăcilor de circuite imprimate din acest material sunt de o calitate mai bună. Circuitele de pe plăcile de circuite imprimate cu două fețe sunt mult mai ușor de conectat, deoarece este mai ușor să traseți urmele care se intersectează în două straturi. Cu toate acestea, traversarea potecă nu este recomandată pentru circuitele analogice. Acolo unde este posibil, stratul inferior ( fund) trebuie dirijate sub poligonul solului, iar restul semnalelor trebuie dirijate în stratul superior ( top). Există mai multe avantaje în utilizarea unui poligon ca plan de masă:

• firul comun este firul cel mai frecvent conectat în circuit; prin urmare, este rezonabil să aveți „multe” fire comune pentru a simplifica cablarea.
• rezistența mecanică a plăcii crește.
• rezistența tuturor conexiunilor la firul comun scade, ceea ce, la rândul său, reduce zgomotul și interferența.
• capacitatea distribuită crește pentru fiecare circuit din circuit, ajutând la suprimarea zgomotului radiat.
• poligonul, care este un ecran, suprimă interferența emisă de sursele situate pe partea laterală a poligonului.

PCB-urile cu două fețe, cu toate avantajele lor, nu sunt cele mai bune, mai ales pentru circuitele de semnal mic sau de mare viteză. În general, grosimea plăcii de circuit imprimat, adică distanța dintre straturi este de 1,5 mm, ceea ce este prea mult pentru a realiza pe deplin unele dintre avantajele unui PCB cu două straturi de mai sus. Capacitatea alocată, de exemplu, este prea mică din cauza unui interval atât de mare.

PCB-uri multistrat

Pentru proiectarea circuitelor critice, sunt necesare plăci de circuite imprimate multistrat (MPP). Unele dintre motivele pentru utilizarea lor sunt evidente:

• același convenabil, ca și pentru magistrala de sârmă comună, aspectul magistralei de alimentare; dacă poligoane de pe un strat separat sunt folosite ca magistrale de alimentare, atunci este destul de simplu să efectuați alimentarea cu energie a fiecărui element al circuitului folosind vias;
• Straturile de semnal sunt eliberate de șinele de alimentare, facilitând cablarea semnalului.
• apare o capacitate distribuită între poligoane de pământ și putere, ceea ce reduce zgomotul de înaltă frecvență.

Pe lângă aceste motive pentru utilizarea plăcilor cu circuite imprimate multistrat, există și altele, mai puțin evidente:

• o mai bună suprimare a electromagnetică ( EMI) și frecvența radio ( RFI) interferențe datorate efectului de reflexie ( efect de plan al imaginii), cunoscut pe vremea lui Marconi. Când un conductor este plasat în apropierea unei suprafețe conductoare plane, majoritatea curenților de retur de înaltă frecvență vor curge în planul direct sub conductor. Direcția acestor curenți va fi opusă direcției curenților din conductor. Astfel, reflexia conductorului în plan creează o linie de transmisie a semnalului. Deoarece curenții din conductor și din plan sunt egale ca mărime și opuse ca direcție, se creează o oarecare reducere a perturbațiilor radiate. Efectul de reflexie funcționează eficient numai cu poligoane solide care nu se rupe (pot fi atât poligoane terestre, cât și poligoane de reîncărcare). Orice încălcare a integrității va avea ca rezultat reducerea respingerii interferențelor.
• cost total mai mic pentru producția de loturi mici. Deși PCB-urile multistrat sunt mai scumpe de fabricat, radiația lor potențială este mai mică decât cea a PCB-urilor cu un singur și dublu strat. În consecință, în unele cazuri, utilizarea numai a plăcilor multistrat vă va permite să îndepliniți cerințele de radiație stabilite în timpul dezvoltării și să nu efectuați teste și teste suplimentare. Utilizarea MPP poate reduce nivelul de interferență radiată cu 20 dB în comparație cu plăcile cu două straturi.

Ordinea straturilor

Dezvoltatorii neexperimentați au adesea o oarecare confuzie cu privire la ordinea optimă a straturilor PCB. Luați, de exemplu, o sală cu 4 straturi care conține două straturi de semnal și două straturi de poligoane - stratul de sol și stratul de putere. Care este cea mai bună ordine a straturilor? Straturi de semnal între poligoane care vor servi drept scuturi? Sau faceți straturi de poligoane interne pentru a reduce interferența stratului de semnal?

Când rezolvați această problemă, este important să rețineți că de multe ori locația straturilor nu contează cu adevărat, deoarece componentele sunt oricum situate pe straturile exterioare, iar magistralele care furnizează semnale pinii lor trec uneori prin toate straturile. Prin urmare, orice efect de ecran este doar un compromis. În acest caz, este mai bine să aveți grijă de a crea o capacitate mare distribuită între poligoane de putere și de pământ, plasându-le în straturile interioare.

Un alt avantaj al exteriorului straturilor de semnal este disponibilitatea semnalelor pentru testare și capacitatea de a modifica legăturile. Oricine a schimbat măcar o dată conexiunile conductoarelor amplasate în straturile interioare va aprecia această posibilitate.

Pentru PCB-urile cu mai mult de patru straturi, există o regulă generală de a plasa firele de semnal de mare viteză între pământ și liniile de alimentare, iar firele de joasă frecvență către straturile exterioare.

PĂMÂNTARE

O bună împământare este o cerință comună pentru un sistem bogat, stratificat. Și ar trebui să fie planificat încă de la primul pas de proiectare.

Regula de bază: împărțirea pământului .

Împărțirea terenului în părți analogice și digitale este una dintre cele mai simple și mai eficiente metode de suprimare a zgomotului. Unul sau mai multe straturi ale unei plăci de circuit imprimat multistrat sunt de obicei alocate ca plan de masă. Dacă dezvoltatorul nu este foarte experimentat sau neatent, atunci pământul părții analogice va fi conectat direct la aceste poligoane, adică returul curent analogic va folosi același circuit ca și curentul retur digital. Autobrokerii lucrează aproape în același mod și consolidează toate terenurile împreună.

Dacă o placă de circuit imprimat dezvoltată anterior cu un singur plan de masă care combină pământuri analogice și digitale este supusă procesării, atunci trebuie mai întâi să separați fizic pământurile de pe placă (după această operațiune, funcționarea plăcii devine aproape imposibilă). După aceea, toate conexiunile sunt realizate la planul de masă analogic al componentelor circuitului analogic (se formează o masă analogică) și la planul de masă digital al componentelor circuitului digital (se formează o masă digitală). Și numai după aceea, pământul digital și analogic sunt combinate în sursă.

Alte reguli pentru formarea terenului:

Aproape toate semnalele de ceas sunt semnale de frecvență suficient de înaltă încât chiar și capacități mici între urme și poligoane pot crea conexiuni semnificative. Trebuie amintit că nu numai frecvența fundamentală a ceasului poate cauza problema, ci și armonicile sale superioare.

Un exemplu de plasare bună a componentelor

Figura 4 prezintă un aspect posibil al tuturor componentelor de pe placă, inclusiv al sursei de alimentare. Folosește trei poligoane de masă/putere separate și izolate: unul pentru sursă, unul pentru digital și unul pentru analogic. Circuitele de masă și de alimentare ale părților analogice și digitale sunt combinate numai în sursa de alimentare. Zgomotul de înaltă frecvență este filtrat în circuitele de alimentare prin șocuri. În acest exemplu, semnalele de înaltă frecvență ale porțiunilor analogice și digitale sunt distanțate. Acest design are o probabilitate foarte mare de un rezultat favorabil datorită poziționării bune a componentelor și aderării la regulile de separare a circuitelor.

Există un singur caz în care semnalele analogice și digitale trebuie să fie combinate pe un poligon de masă analogic. Convertoarele A/D și D/A sunt găzduite în carcase cu pini de împământare analogi și digitali. Pe baza considerațiilor anterioare, se poate presupune că pinul de împământare digital și pinul de împământare analogic ar trebui să fie conectate la magistralele de masă digitale și, respectiv, analogice. Cu toate acestea, în acest caz, acest lucru nu este adevărat.

Numele de pin (analogice sau digitale) se referă doar la structura internă a convertorului, la conexiunile sale interne. În circuit, acești pini ar trebui să fie conectați la magistrala analogică de masă. Conexiunea poate fi realizată și în cadrul circuitului integrat, cu toate acestea, este destul de dificil să se obțină o rezistență scăzută a unei astfel de conexiuni din cauza constrângerilor topologice. Prin urmare, atunci când se utilizează convertoare, se presupune conexiunea externă a pinii de împământare analogi și digitali. Dacă nu se face acest lucru, atunci parametrii microcircuitului vor fi mult mai răi decât cei dați în caietul de sarcini.

Trebuie avut în vedere faptul că elementele digitale ale convertorului pot degrada caracteristicile de calitate ale circuitului, introducând zgomot digital în circuitele analogice de masă și de putere analogice. La proiectarea convertoarelor, se ține cont de acest impact negativ, astfel încât partea digitală să consume cât mai puțină energie. În același timp, interferența de la elementele logice de comutare este redusă. Dacă pinii digitali ai convertorului nu sunt încărcați puternic, atunci comutarea internă nu este de obicei o problemă. Atunci când proiectați un PCB care conține un ADC sau DAC, trebuie luată în considerare decuplarea sursei de alimentare a convertorului digital la masă analogică.

CARACTERISTICI DE FRECVENTA ALE COMPONENTELOR PASIVE

Alegerea corectă a componentelor pasive este esențială pentru funcționarea corectă a circuitelor analogice. Începeți-vă proiectarea luând în considerare cu atenție caracteristicile RF ale componentelor pasive și prepoziționându-le și aranjandu-le pe schița plăcii.

Un număr mare de designeri ignoră complet constrângerile de frecvență ale componentelor pasive atunci când sunt utilizate în circuite analogice. Aceste componente au game de frecvență limitate și funcționarea în afara domeniului de frecvență specificat poate duce la rezultate imprevizibile. S-ar putea crede că această discuție este doar despre circuite analogice de mare viteză. Cu toate acestea, acest lucru este departe de a fi cazul - semnalele de înaltă frecvență afectează puternic componentele pasive ale circuitelor de joasă frecvență prin radiație sau comunicare directă prin conductori. De exemplu, un filtru trece-jos simplu pe un amplificator operațional se poate transforma cu ușurință într-un filtru trece-înalt atunci când intrarea sa este de înaltă frecvență.

Rezistoare

Caracteristicile de înaltă frecvență ale rezistențelor pot fi reprezentate de circuitul echivalent prezentat în Figura 5.

Sunt utilizate în mod obișnuit trei tipuri de rezistențe: 1) sârmă bobinată, 2) compozit de carbon și 3) film. Nu este nevoie de multă imaginație pentru a înțelege cum un rezistor bobinat poate fi convertit în inductanță, deoarece este o bobină cu sârmă metalică de înaltă rezistență. Majoritatea designerilor de dispozitive electronice habar n-au despre structura internă a rezistențelor de film, care sunt, de asemenea, o bobină, totuși realizată dintr-o peliculă metalică. Prin urmare, rezistențele de film au și o inductanță mai mică decât cea a rezistențelor bobinate. Rezistoarele de film cu o rezistență mai mică de 2 kOhm pot fi utilizate liber în circuite de înaltă frecvență. Conductoarele rezistenței sunt paralele între ele, astfel încât există o cuplare capacitivă vizibilă între ele. Pentru rezistențele de înaltă rezistență, capacitatea între cabluri și pini va reduce impedanța totală la frecvențe înalte.

Condensatoare

Caracteristicile de înaltă frecvență ale condensatoarelor pot fi reprezentate de circuitul echivalent prezentat în Figura 6.

Condensatorii din circuitele analogice sunt utilizați ca componente de decuplare și filtrare. Pentru un condensator ideal, reactanța este determinată de următoarea formulă:

Prin urmare, un condensator electrolitic de 10 μF va avea o rezistență de 1,6 ohmi la 10 kHz și 160 μΩ la 100 MHz. E chiar asa?

Când utilizați condensatori electrolitici, asigurați-vă că conexiunile sunt corecte. Borna pozitivă trebuie conectată la un potențial DC mai pozitiv. O conexiune incorectă duce la trecerea unui curent continuu prin condensatorul electrolitic, care poate deteriora nu numai condensatorul în sine, ci și o parte a circuitului.

În cazuri rare, diferența de potențial DC între două puncte din circuit își poate schimba semnul. Acest lucru necesită utilizarea de condensatoare electrolitice nepolare, a căror structură internă este echivalentă cu doi condensatori polari conectați în serie.

Inductanţă

Caracteristicile de înaltă frecvență ale inductoarelor pot fi reprezentate de circuitul echivalent prezentat în Figura 7.

Reactanța unui inductor este descrisă prin următoarea formulă:

Prin urmare, o inductanță de 10 mH va avea o reactanță de 628 Ω la o frecvență de 10 kHz, iar la o frecvență de 100 MHz, o rezistență de 6,28 MΩ. Dreapta?

Placă de circuit imprimat

Placa de circuit imprimat în sine are caracteristicile componentelor pasive discutate mai sus, deși nu sunt atât de evidente.

Modelul conductorilor de pe o placă de circuit imprimat poate fi atât o sursă, cât și un receptor de interferență. Dirijarea bună a firelor reduce sensibilitatea circuitului analogic la emisiile sursei.

Placa de circuit imprimat este susceptibilă la radiații deoarece conductorii și conductorii componentelor formează un fel de antenă. Teoria antenei este un subiect complex de studiat și depășește scopul acestui articol. Cu toate acestea, câteva dintre elementele de bază sunt furnizate aici.

Un pic de teorie a antenei

La DC sau frecvențe joase predomină componenta activă. Odată cu creșterea frecvenței, componenta reactivă devine din ce în ce mai semnificativă. În intervalul de la 1 kHz la 10 kHz, componenta inductivă începe să aibă efect, iar conductorul nu mai este un conector de impedanță scăzută, ci acționează mai degrabă ca un inductor.

Formula pentru calcularea inductanței unui conductor PCB este următoarea:

De obicei, urmele PCB variază de la 6 nH la 12 nH pe centimetru de lungime. De exemplu, un conductor de 10 cm are o rezistență de 57 mΩ și o inductanță de 8 nH / cm. La 100 kHz, reactanța devine 50 mΩ, iar la frecvențe mai mari, conductorul va fi mai degrabă inductanță decât rezistență.

Regula antenei bici spune că începe să interacționeze perceptibil cu câmpul la lungimea sa de aproximativ 1/20 din lungimea de undă, iar interacțiunea maximă are loc la lungimea tijei egală cu 1/4 din lungimea de undă. Prin urmare, firul de 10 cm din exemplul din paragraful anterior va începe să devină o antenă destul de bună peste 150 MHz. Trebuie amintit că, deși un generator de ceas digital nu poate funcționa peste 150 MHz, semnalul său conține întotdeauna armonici mai mari. Dacă placa de circuit imprimat conține componente cu pini lungi, acești pini pot servi și ca antene.

Un alt tip de bază de antenă sunt antenele buclă. Inductanța unui conductor drept crește dramatic atunci când se îndoaie și devine parte a unui arc. Creșterea inductanței scade frecvența la care antena începe să interacționeze cu liniile de câmp.

Designerii PCB cu experiență, care sunt în mod rezonabil familiarizați cu teoria antenei cu buclă, știu că nu puteți crea bucle pentru semnale critice. Unii designeri, însă, nu se gândesc la acest lucru, iar conductorii de retur și de semnal din circuitele lor sunt bucle. Crearea antenelor buclă este ușor de prezentat cu un exemplu (Fig. 8). De asemenea, arată cum să creați o antenă cu fante.

Luați în considerare trei cazuri:

Opțiunea A este un exemplu de design prost. Nu folosește deloc un poligon de pământ analogic. Loopback-ul este format din conductorii de masă și de semnal. Când curentul curge, apar un câmp electric și un câmp magnetic perpendicular pe acesta. Aceste câmpuri formează baza antenei buclă. Regula antenei buclă prevede că, pentru o eficiență maximă, lungimea fiecărui conductor trebuie să fie egală cu jumătate din lungimea de undă a radiației primite. Cu toate acestea, trebuie amintit că chiar și la 1/20 din lungimea de undă, antena buclă este încă destul de eficientă.

Opțiunea B este mai bună decât Opțiunea A, dar aici există o pauză în poligon, probabil pentru a crea spațiu pentru firele de semnal. Căile de semnal și de curent de retur formează o antenă cu slot. Alte bucle se formează în decupările din jurul microcircuitelor.

Opțiunea B este un exemplu de design mai bun. Căile semnalului și ale curentului de întoarcere sunt aceleași, anulând eficiența antenei bucle. Rețineți că această opțiune are și decupaje în jurul cipurilor, dar acestea sunt separate de calea curentului de întoarcere.

Teoria reflectării și potrivirii semnalului este apropiată de teoria antenelor.

Reflexia semnalului poate apărea atunci când conductorul PCB este rotit cu 90 °. Acest lucru se datorează în principal unei modificări a lățimii căii curente. La vârful colțului, lățimea urmei crește de 1.414 ori, ceea ce duce la o nepotrivire a caracteristicilor liniei de transmisie, în special a capacității distribuite și a autoinductanței urmei. Destul de des este necesar să rotiți șina cu 90 ° pe PCB. Multe pachete CAD moderne vă permit să neteziți colțurile căilor desenate sau să desenați căi sub formă de arc. Figura 9 prezintă doi pași pentru îmbunătățirea formei unui colț. Numai ultimul exemplu menține o lățime constantă a pistei și minimizează reflexiile.

Un sfat pentru planificatorii experimentați de layout PCB: lăsați procedura de anti-aliasing la ultimul pas înainte de a crea tampoane de picături și de turnare poligoane. În caz contrar, pachetul CAD va dura mai mult pentru a se netezi din cauza calculelor mai complexe.

O cuplare capacitivă are loc între conductorii de pe un PCB pe diferite straturi atunci când se încrucișează. Acest lucru poate crea uneori o problemă. Conductoarele stivuite pe straturi adiacente creează un condensator cu peliculă lungă. Capacitatea unui astfel de condensator este calculată folosind formula prezentată în Figura 10.

De exemplu, o placă de circuit imprimat poate avea următorii parametri:
- 4 straturi; strat de poligon de semnal și sol - adiacent,
- distanța dintre straturi - 0,2 mm,
- latimea conductorului - 0,75 mm,
- lungimea conductorului - 7,5 mm.

ER tipic pentru FR-4 este 4,5.

Înlocuind toate valorile din formulă, obținem valoarea capacității dintre aceste două magistrale, egală cu 1,1 pF. Chiar și această capacitate aparent mică este inacceptabilă pentru unele aplicații. Figura 11 ilustrează efectul capacității de 1 pF atunci când este conectat la intrarea de inversare a unui amplificator operațional de înaltă frecvență.

Se poate observa că există o dublare a amplitudinii semnalului de ieșire la frecvențe apropiate de limita superioară a intervalului de frecvență al amplificatorului operațional. Acest lucru, la rândul său, poate duce la lasering, în special la frecvențele de funcționare ale antenei (peste 180 MHz).

Acest efect dă naștere la numeroase probleme, pentru care, totuși, există multe moduri. Cea mai evidentă dintre acestea este reducerea lungimii conductorilor. O altă modalitate este de a reduce lățimea acestora. Nu există niciun motiv să folosiți un conductor de această lățime pentru conectarea unui semnal la intrarea inversoare, deoarece prin acest conductor trece foarte puțin curent. Reducerea lungimii urmei la 2,5 mm și a lățimii la 0,2 mm va duce la o scădere a capacității la 0,1 pF, iar o astfel de capacitate nu va mai duce la o creștere atât de semnificativă a răspunsului în frecvență. O altă soluție este eliminarea părții de poligon de sub intrarea inversoare și a conductorului care merge la acesta.

Lățimea conductorilor unei plăci de circuit imprimat nu poate fi redusă la infinit. Lățimea limită este determinată atât de procesul tehnologic, cât și de grosimea foliei. Dacă doi conductori trec aproape unul de celălalt, atunci între ele se formează un cuplaj capacitiv și inductiv (Fig. 12).

Firele de semnal nu ar trebui să fie direcționate paralel între ele, decât dacă sunt conectate linii diferențiale sau microstrip. Distanța dintre conductori trebuie să fie de cel puțin trei ori lățimea conductorilor.

Capacitatea dintre urme în circuitele analogice poate fi dificilă cu valori mari ale rezistenței (mai mulți megaohmi). Cuplajul capacitiv relativ mare dintre intrările inversoare și neinversoare ale unui amplificator operațional poate autoexcita cu ușurință circuitul.

De exemplu, cu d = 0,4 mm și h = 1,5 mm (valori destul de comune), inductanța găurii este de 1,1 nH.

Amintiți-vă că, dacă există rezistențe mari în circuit, atunci trebuie acordată o atenție deosebită curățării plăcii. În etapele finale ale fabricării plăcii de circuit imprimat, fluxul rezidual și contaminarea trebuie îndepărtate. Recent, la asamblarea plăcilor de circuite imprimate, se folosesc adesea fluxuri solubile în apă. Mai puțin dăunătoare, pot fi îndepărtate cu ușurință cu apă. Dar, în același timp, spălarea plăcii cu apă insuficient curată poate duce la o contaminare suplimentară, care deteriorează caracteristicile dielectrice. Prin urmare, este foarte important să curățați PCB-ul de înaltă impedanță cu apă proaspătă distilată.

SEMNALE DE INTERRĂCIRE

După cum sa menționat, zgomotul poate pătrunde în porțiunea analogică a unui circuit prin circuitul de alimentare. Pentru a reduce acest zgomot, se folosesc condensatoare de decuplare (blocare) pentru a reduce impedanța locală a șinelor de alimentare.

Dacă este necesară separarea unei plăci de circuit imprimat, pe care există atât părți analogice, cât și digitale, atunci este necesar să aveți cel puțin o idee mică despre caracteristicile electrice ale elementelor logice.

O etapă tipică de ieșire a unui element logic conține două tranzistoare conectate în serie între ele, precum și între circuitele de alimentare și de masă (Fig. 14).

În mod ideal, acești tranzistori funcționează strict în antifază, adică. când unul dintre ele este deschis, atunci în același timp al doilea este închis, formând la ieșire fie un semnal al unei unități logice, fie un zero logic. În starea logică de echilibru, consumul de energie al elementului logic este scăzut.

Situația se schimbă dramatic atunci când treapta de ieșire trece de la o stare logică la alta. În acest caz, pentru o perioadă scurtă de timp, ambele tranzistoare pot fi pornite simultan, iar curentul de alimentare al etapei de ieșire este mult crescut, deoarece rezistența căii curentului de la șina de alimentare la șina de masă prin două serii - tranzistoarele conectate scade. Consumul de energie crește brusc și apoi scade, ceea ce duce la o modificare locală a tensiunii de alimentare și la apariția unei schimbări bruște, pe termen scurt, a curentului. Aceste modificări ale curentului au ca rezultat emisia de energie de radiofrecvență. Chiar și pe o placă de circuit imprimat relativ simplă, pot exista zeci sau sute de etape de ieșire considerate ale elementelor logice, astfel încât efectul total al funcționării lor simultane poate fi foarte mare.

Este imposibil să se prezică cu exactitate intervalul de frecvență în care vor fi localizate aceste supratensiuni de curent, deoarece frecvența apariției lor depinde de multe motive, inclusiv de întârzierea de propagare a comutării tranzistoarelor elementului logic. Întârzierea, la rândul său, depinde și de o varietate de cauze aleatorii care apar în timpul procesului de producție. Zgomotul de comutare are o distribuție armonică în bandă largă pe întreaga gamă. Există mai multe metode de suprimare a zgomotului digital, a căror aplicare depinde de distribuția spectrală a zgomotului.

Tabelul 2 prezintă frecvențele maxime de funcționare pentru tipurile comune de condensatoare.

masa 2

Din tabel reiese că condensatoarele electrolitice cu tantal sunt folosite pentru frecvențe sub 1 MHz, la frecvențe mai mari, trebuie folosite condensatoare ceramice. Trebuie amintit că condensatorii au propria lor rezonanță și alegerea lor greșită nu numai că nu ajută, ci și agravează problema. Figura 15 prezintă rezonanțe naturale tipice a două condensatoare de uz general - 10 μF tantal electrolitic și 0,01 μF ceramică.

Caracteristicile reale pot varia de la producător la producător și chiar de la lot la lot pentru un producător. Este important să înțelegeți că pentru ca un condensator să funcționeze eficient, frecvențele pe care le suprimă trebuie să fie într-un interval mai mic decât frecvența de rezonanță naturală. În caz contrar, natura reactanței va fi inductivă, iar condensatorul nu va mai funcționa eficient.

Nu vă înșelați că un condensator de 0,1 μF va suprima toate frecvențele. Condensatoarele mici (10 nF sau mai puțin) pot funcționa mai eficient la frecvențe mai mari.

Decuplarea puterii IC

Izolarea sursei de alimentare IC pentru a suprima zgomotul de înaltă frecvență constă în utilizarea unuia sau mai multor condensatori conectați între pinii de alimentare și de masă. Este important ca cablurile care conectează cablurile la condensatori să fie scurte. Dacă nu este cazul, atunci inductanța intrinsecă a conductorilor va juca un rol semnificativ și va anula beneficiile utilizării condensatoarelor de decuplare.

Un condensator de decuplare trebuie conectat la fiecare pachet, indiferent de câte amplificatoare operaționale sunt în interiorul carcasei, 1, 2 sau 4. Dacă amplificatorul operațional este alimentat de o sursă bipolară, atunci este de la sine înțeles că condensatorii de decuplare trebuie amplasați. la fiecare pin de alimentare. Valoarea capacității trebuie selectată cu atenție pe baza tipului de zgomot și interferențe prezente în circuit.

În cazuri deosebit de dificile, poate fi necesar să adăugați inductanță în serie cu cablul de alimentare. Inductanța trebuie plasată înainte, nu după condensatoare.

O altă modalitate, mai ieftină, este să înlocuiți inductanța cu un rezistor de rezistență scăzută (10 ... 100 Ohm). În acest caz, împreună cu condensatorul de decuplare, rezistența formează un filtru trece-jos. Această metodă reduce domeniul de alimentare a amplificatorului operațional, care devine și mai dependent de consumul de energie.

De obicei, unul sau mai mulți condensatori electrolitici din aluminiu sau tantal la conectorul de alimentare de intrare pot fi suficiente pentru a suprima zgomotul de joasă frecvență în circuitele de alimentare. Un condensator ceramic suplimentar va suprima interferențele de înaltă frecvență de la alte plăci.

Izolarea semnalului de intrare și de ieșire

O mulțime de probleme de zgomot sunt rezultatul conexiunii directe a pinilor de intrare și de ieșire. Ca urmare a limitării de înaltă frecvență a componentelor pasive, răspunsul circuitului la zgomotul de înaltă frecvență poate fi destul de imprevizibil.

Într-o situație în care intervalul de frecvență al zgomotului indus este semnificativ diferit de intervalul de frecvență al circuitului, soluția este simplă și evidentă - să plasați un filtru RC pasiv pentru a suprima interferența de înaltă frecvență. Cu toate acestea, atunci când utilizați un filtru pasiv, trebuie să aveți grijă: caracteristicile acestuia (datorită caracteristicilor de frecvență imperfecte ale componentelor pasive) își pierd proprietățile la frecvențe de 100 ... 1000 de ori mai mari decât frecvența de tăiere (f 3db). Când utilizați filtre conectate în serie care sunt reglate pe diferite game de frecvență, filtrul de trecere mai mare ar trebui să fie cel mai aproape de sursa interferenței. Inductorii cu bile de ferită pot fi, de asemenea, utilizați pentru a suprima zgomotul; ele păstrează caracterul inductiv al rezistenței până la o anumită frecvență definită, iar deasupra rezistenței lor devine activă.

Indicarea către circuitul analogic poate fi atât de mare încât este posibil să scăpați de ele (sau cel puțin să le reduceți) numai prin utilizarea ecranelor. Pentru a funcționa eficient, acestea trebuie proiectate cu atenție, astfel încât frecvențele care creează cele mai multe probleme să nu poată intra în circuit. Aceasta înseamnă că scutul nu ar trebui să aibă deschideri sau decupaje mai mari de 1/20 din lungimea de undă a radiației ecranate. Este o idee bună să rezervați suficient spațiu pentru ecranul dorit încă de la începutul designului PCB-ului. Când utilizați un scut, puteți utiliza suplimentar inele de ferită (sau margele) pentru toate conexiunile la circuit.

CAZELE AMPLIFICATORE OPERATIONALE

Un pachet conține de obicei unul, două sau patru amplificatoare operaționale (Fig. 16).

Un singur amplificator operațional are adesea și intrări suplimentare, de exemplu, pentru a regla tensiunea de compensare. Amplificatoarele operaționale duale și cvadruple au doar intrări și ieșiri inversoare și neinversoare. Prin urmare, dacă este necesar să aveți ajustări suplimentare, este necesar să folosiți un singur amplificator operațional. Când folosiți pini suplimentari, amintiți-vă că prin structura lor sunt intrări auxiliare, așa că trebuie controlați cu atenție și în conformitate cu recomandările producătorului.

Într-un singur amplificator operațional, ieșirea este situată pe partea opusă a intrărilor. Acest lucru poate face dificilă operarea amplificatorului la frecvențe înalte din cauza conductoarelor lungi de feedback. O modalitate de a depăși acest lucru este să plasați amplificatorul și componentele de feedback pe diferite părți ale PCB. Acest lucru, totuși, are ca rezultat cel puțin două găuri și decupaje suplimentare în poligonul de la sol. Uneori, merită să utilizați un amplificator operațional dual pentru a rezolva această problemă, chiar dacă al doilea amplificator nu este utilizat (și cablurile acestuia trebuie conectate corect). Figura 17 ilustrează reducerea lungimii conductorilor de feedback pentru inversarea pornirii.

Amplificatoarele operaționale duble sunt utilizate în special în amplificatoarele stereo, iar amplificatoarele operaționale cvadruple sunt utilizate în circuitele cu filtre cu mai multe etape. Cu toate acestea, există un dezavantaj destul de semnificativ în acest sens. Deși tehnologia actuală oferă o izolare decentă între amplificatoarele situate pe același cip de siliciu, există totuși o anumită diafonie între ele. Dacă este necesar să aveți foarte puține astfel de interferențe, atunci este necesar să folosiți amplificatoare operaționale unice. Crosstalk nu se referă doar la amplificatoare duale sau quad. Sursa lor poate fi un aranjament foarte apropiat de componente pasive ale diferitelor canale.

Amplificatoarele operaționale duble și cvadruple, în plus față de cele de mai sus, permit o instalare mai strictă. Amplificatoarele individuale sunt, parcă, oglindite unul față de celălalt (Fig. 18).

Figurile 17 și 18 nu arată toate conexiunile necesare pentru funcționarea normală, de exemplu, un driver de nivel mediu cu alimentare unipolară. Figura 19 prezintă o diagramă a unui astfel de driver atunci când se utilizează un amplificator quad.

Diagrama prezintă toate conexiunile necesare pentru implementarea a trei etape de inversare independente. Este necesar să se acorde atenție faptului că conductorii driverului de jumătate de tensiune sunt amplasați direct sub carcasa circuitului integrat, ceea ce face posibilă reducerea lungimii lor. Acest exemplu ilustrează nu cum ar trebui să fie, ci ce ar trebui făcut. Tensiunea de nivel mediu, de exemplu, ar putea fi aceeași pentru toate cele patru amplificatoare. Componentele pasive pot fi dimensionate corespunzător. De exemplu, componentele plane de dimensiunea 0402 corespund distanței între pini a unui pachet SO standard. Acest lucru permite ca lungimea conductorilor să fie menținută foarte scurtă pentru aplicații de înaltă frecvență.

MONTARE LA VOLUM ȘI LA SURFAFĂ

Când plasați amplificatoare operaționale în pachete DIP și componente pasive cu cabluri, PCB-ul necesită canale pentru montarea lor. Astfel de componente sunt utilizate în prezent atunci când nu există cerințe speciale pentru dimensiunile plăcii de circuit imprimat; Ele sunt de obicei mai ieftine, dar costul PCB crește în timpul procesului de fabricație din cauza găurii suplimentare pentru cablurile componente.

În plus, utilizarea componentelor externe mărește dimensiunea plăcii și lungimea conductorilor, ceea ce nu permite circuitului să funcționeze la frecvențe înalte. Vias au propria lor inductanță, care impune și restricții asupra caracteristicilor dinamice ale circuitului. Prin urmare, componentele externe nu sunt recomandate pentru aplicații de înaltă frecvență sau pentru circuite analogice situate în vecinătatea circuitelor logice de mare viteză.

Unii designeri plasează rezistențele pe verticală în încercarea de a reduce lungimea conductorilor. La prima vedere, poate părea că acest lucru scurtează lungimea pistei. Cu toate acestea, acest lucru crește calea fluxului de curent prin rezistor, iar rezistorul în sine este o buclă (turn de inductanță). Capacitatea de emisie și recepție crește de multe ori.

Pentru aplicațiile de montare pe suprafață, nu este necesar să plasați un orificiu pentru fiecare cablu de componentă. Cu toate acestea, există probleme la testarea unui circuit și trebuie să utilizați vias ca puncte de control, mai ales când utilizați componente mici.

SECȚIUNI OP NEUTILIZATE

Atunci când utilizați amplificatoare operaționale duble și cvadruple în circuit, unele dintre secțiunile acestora pot rămâne neutilizate și trebuie conectate corect în acest caz. O conexiune incorectă poate duce la o creștere a consumului de energie, mai multă încălzire și mai mult zgomot al amplificatoarelor operaționale utilizate în același caz. Pinii amplificatoarelor operaționale neutilizate pot fi conectați așa cum se arată în Fig. 20a. Conectarea pinii cu componente suplimentare (Fig. 20b) va ușura utilizarea acestui amplificator operațional la configurare.

CONCLUZIE

Rețineți următoarele puncte de bază și respectați-le întotdeauna atunci când proiectați și conectați circuite analogice.

Sunt comune:

• Gândiți-vă la o placă de circuit imprimat ca la o componentă a unui circuit electric.
• să înțeleagă și să înțeleagă sursele de zgomot și interferențe;
• circuite model și prototip.

Placă de circuit imprimat:

• utilizați plăci cu circuite imprimate numai din materiale de înaltă calitate (de exemplu, FR-4);
• circuitele realizate pe plăci cu circuite imprimate multistrat sunt cu 20 dB mai puțin susceptibile la interferențe externe decât circuitele realizate pe plăci cu două straturi;
• folosiți poligoane împărțite, care nu se suprapun pentru diferite terenuri și alimente;
• plasați poligoanele de pământ și de putere pe straturile interioare ale PCB-ului.

Componente:

• Fiți conștienți de constrângerile de frecvență introduse de componentele pasive și conductorii plăcii;
• încercați să evitați amplasarea verticală a componentelor pasive în circuitele de mare viteză;
• pentru circuite de înaltă frecvență, utilizați componente concepute pentru montaj la suprafață;
• conductoarele ar trebui să fie mai scurte, cu atât mai bine;
• dacă este necesară o lungime mai mare a conductorului, atunci reduceți lățimea acestuia;
• cablurile neutilizate ale componentelor active trebuie conectate corect.

Cablaj:

• plasați circuitele analogice lângă conectorul de alimentare;
• nu direcționați niciodată firele care transportă semnale logice prin zona analogică a plăcii și invers;
• mențineți conductoarele potrivite pentru intrarea inversă a amplificatorului operațional;
• asigurați-vă că conductoarele intrărilor inversoare și neinversoare ale amplificatorului operațional nu sunt paralele între ele pe o distanță lungă;
• încercați să evitați utilizarea vias inutile ca propria lor inductanță poate duce la probleme suplimentare;
• nu rulați conductorii în unghi drept și vârfuri de colț netezite, dacă este posibil.

Schimb:

• utilizați tipurile corecte de condensatoare pentru a suprima zgomotul din sursa de alimentare;
• Pentru a suprima interferența și zgomotul de joasă frecvență, utilizați condensatori de tantal la conectorul de intrare de alimentare;
• Utilizați condensatori ceramici la conectorul de alimentare de intrare pentru a suprima interferența și zgomotul de înaltă frecvență;
• utilizați condensatori ceramici la fiecare pin de alimentare al microcircuitului; dacă este necesar, utilizați mai mulți condensatori pentru diferite game de frecvență;
• dacă în circuit are loc excitația, atunci este necesar să folosiți condensatori cu o valoare mai mică a capacității și nu una mare;
• în cazuri dificile în circuitele de putere, utilizați rezistențe conectate în serie de rezistență scăzută sau inductanță;
• Condensatorii analogici de decuplare a puterii ar trebui să fie conectați numai la pământ analogic, nu digital.

Atunci când proiectați PCB-uri optimizate pentru preț, apar o serie de întrebări cheie. În timp ce scopul inițial poate fi proiectarea celui mai mic PCB posibil, aceasta poate să nu fie cea mai ieftină soluție pentru întregul sistem. Reducerea dimensiunii PCB este posibilă prin creșterea numărului de straturi de PCB, ceea ce, la rândul său, duce la probleme EMC care pot duce la costuri uriașe pe parcursul unui proiect.

Interferența electromagnetică, EMI sau compatibilitatea electromagnetică, EMC este un factor cheie în proiectarea plăcilor de circuite imprimate. Asigurarea EMC pentru un dispozitiv în ansamblu poate fi extrem de costisitoare dacă dezvoltatorul a tăiat colțuri în proiectarea și fabricarea plăcilor de circuite imprimate, așa că unele abordări de economisire a costurilor trebuie să fie eliminate de la început. Dacă componentele interacționează cu EMI sau emit EMI, îndeplinirea cerințelor EMC va fi costisitoare în timpul fazei de testare.

În timp ce o placă cu patru straturi este considerată echilibrul optim al protecției EMI și urmărirea plăcii, este adesea posibil să se proiecteze o placă cu două straturi cu aceleași specificații folosind instrumente gratuite de rutare PCB, cum ar fi PCB DesignSpark. Acest lucru asigură o reducere semnificativă a costului de fabricație a unei plăci de circuit imprimat, fără a afecta testarea ulterioară.

Căile de întoarcere a semnalului sunt cea mai dificilă problemă la rutarea PCB-urilor. Ar fi destul de dificil să urmăriți masa de retur sub fiecare urmă conectată la pinul de semnal al microcontrolerului, dar asta este exact ceea ce oferă o placă cu patru straturi cu un plan de masă. Indiferent de unde se îndreaptă urmele, există întotdeauna o cale de întoarcere la sol dedesubt.

Cea mai apropiată performanță de masă pe o placă cu două straturi este grila de masă, care reduce emisiile EMI de la căile semnalului. Reducerea zonei buclei prin direcționarea căii de întoarcere sub calea semnalului este cea mai eficientă modalitate de a rezolva această problemă, iar crearea unei rețele de masă este cel mai important pas (după planificarea plasării) în rutarea PCB-ului.

Generarea unei zăbrele creează o suprafață

Generarea rețelei este o tehnică cheie pentru performanța EMC în plăcile cu două straturi. La fel ca o rețea de alimentare, este o rețea de conexiuni dreptunghiulare între conductori împământați. Acest lucru creează efectiv un plan de masă care oferă aceeași reducere a zgomotului EMI ca placa cu 4 straturi și emite efectiv planul de masă utilizat în placa cu 4 straturi pentru a oferi îmbunătățiri EMC prin crearea unei căi de întoarcere la masă sub fiecare urmă de semnal și reducerea impedanței. între microcontroler și regulatorul de tensiune.

Generarea rețelei este realizată prin extinderea urmelor de pământ și crearea de planuri conductoare împământate pentru a crea o rețea de conexiuni la pământ pe întreaga suprafață a PCB-ului. De exemplu, dacă un PCB are în principal piste din stratul superior care rulează vertical și piste din stratul inferior care rulează predominant orizontal, acest lucru înrăutățește deja trasarea căilor de întoarcere la masă sub firele de semnal, ceea ce se face de obicei în două etape:

• În primul rând, toți conductorii de împământare sunt extinși pentru a ocupa cel mai mare spațiu pe PCB;
• apoi tot spațiul liber rămas este umplut cu o suprafață împămânțată.

Scopul acestei abordări este de a genera cât mai multă rețea posibil pe un PCB cu două straturi. Micile modificări ale aspectului PCB-ului pot permite conexiuni suplimentare pentru a crește suprafața rețelei de împământare.

Zonarea PCB

Zonarea PCB este o altă tehnologie care poate fi utilizată pentru a reduce zgomotul și EMI pe un PCB și, astfel, pentru a reduce nevoia de straturi suplimentare de PCB. Această tehnologie are aceeași semnificație de bază ca planificarea amplasării componentelor, care este procesul de localizare a componentelor pe o placă goală înainte de a dirija firele. Zonarea unui PCB este un proces puțin mai complex de plasare a funcționalității similare în aceeași zonă a unui PCB, mai degrabă decât amestecarea componentelor diferite din punct de vedere funcțional. Logica de mare viteză, inclusiv microcontrolerele, este plasată cât mai aproape de sursa de alimentare, componentele lente sunt plasate mai departe, iar componentele analogice mai departe. Această abordare are un impact semnificativ asupra EMC al plăcii de circuit imprimat.

Cu acest aranjament, logica de mare viteză are un efect mai mic asupra altor conductori de semnal. Este deosebit de important ca bucla de cristal să fie situată departe de circuite analogice, semnale de viteză mică și conectori. Această regulă se aplică atât plăcilor de circuite imprimate, cât și plasării componentelor în cadrul unui dispozitiv. Ar trebui evitate aranjamentele care plasează mănunchiuri de cabluri în jurul unui rezonator sau microcontroler, deoarece aceste cabluri vor capta zgomotul și îl vor transporta peste tot. Astfel, în timpul zonei, se determină și locația conectorilor de pe placa de circuit imprimat.

Instrumente de dezvoltare PCB

Există multe instrumente de dezvoltare disponibile pentru a sprijini proiectarea având în vedere optimizarea EMC. Unul dintre aceste mijloace DesignSpark PCB este cea mai recentă versiune care acceptă verificarea regulilor de proiectare (DRC) la urmărire, mai degrabă decât efectuarea unei verificări după finalizarea urmăririi. Acest lucru este util în special atunci când optimizați PCB-ul pentru costuri, deoarece orice conflicte sau erori sunt semnalate imediat și pot fi rezolvate. Desigur, aceste verificări depind de caracterul complet al informațiilor specificate de proiectant, dar această abordare vă permite să accelerați procesul de urmărire și astfel să eliberați timp pentru alte probleme importante.

În versiunea 5 DesignSpark PCB Online Design Rule Checker verifică orice componente care au fost adăugate și transferate ca rezultat al operațiunilor de editare interactivă. De exemplu, toate firele atașate la o componentă mutată și toate firele adăugate prin rutare manuală sunt verificate.

Versiunea 5 adaugă, de asemenea, suport pentru magistrală, astfel încât conductorii să poată fi grupați și direcționați împreună cu ușurință. În loc să deseneze toate conexiunile dintr-un design și să le conecteze la fiecare pin, proiectantul poate crea un design mai puțin aglomerat cu magistralele adăugând conexiuni ale pinilor componente la magistrala care transportă semnalul.

Figura 1: Adăugarea de autobuze la DesignSpark PCB versiunea 5

Anvelopele pot fi deschise sau închise. O magistrală închisă este o colecție de nume de fire predefinite pentru o anumită magistrală și numai aceste fire pot fi conectate la o anumită magistrală, în timp ce o magistrală deschisă poate include orice fir.

Deși aceste capacități au sens pentru rutarea autobuzelor, ele pot fi utilizate pentru a ruta alți conductori în jurul PCB. Această capacitate de a utiliza magistralele în scheme poate ajuta la simplificarea și claritatea unui design prin gruparea mai multor conductori EMI înalți împreună cu conductorii de retur la pământ din jur, reducând astfel EMI de pe placa proiectată. O regulă generală bună este să nu direcționați niciodată conductorii EMI către exteriorul plăcii, ceea ce poate fi dificil pentru plăcile mici cu două straturi. Îndepărtarea circuitelor non-EMI din locații precum conectori, circuite rezonatoare, relee, drivere de relee în care interferențe electromagnetice pot fi induse în aceste circuite ajută, de asemenea, la îmbunătățirea compatibilității electromagnetice.

Concluzie

Proiectarea unui PCB cu timpul de nefuncționare necesar pentru a menține costurile scăzute este probabil mai dificilă decât valorificarea bogăției unei plăci multistrat.

Unele probleme EMC pot fi rezolvate prin utilizarea condensatoarelor de blocare și a granulelor de ferită pentru a suprima orice semnal care ar putea fi emis, dar acest lucru adaugă complexitate designului și crește costurile de producție. Dacă problemele EMI și EMC pot fi minimizate cu reguli de proiectare adecvate utilizând zonarea și diafonia, generarea rețelei de putere și la pământ poate oferi același nivel de ecranare într-o placă cu două straturi ca și într-un design cu patru sau șase straturi. Acest lucru nu numai că scade costul de producție al plăcii, dar și îmbunătățește fiabilitatea și performanța, inclusiv EMC, reducând astfel costul ciclului de viață al echipamentului.