Zapojení desek plošných spojů (PCB) hraje klíčovou roli ve vysokorychlostních obvodech, ale často je to jeden z posledních kroků v procesu návrhu obvodu. S vysokorychlostním zapojením PCB je mnoho problémů a na toto téma bylo napsáno mnoho literatury. Tento článek pojednává především o zapojení vysokorychlostních obvodů z praktického hlediska. Hlavním účelem je pomoci novým uživatelům věnovat pozornost mnoha různým problémům, které je třeba vzít v úvahu při navrhování rozložení plošných spojů vysokorychlostních obvodů. Dalším účelem je poskytnout recenzní materiál pro zákazníky, kteří se nějakou dobu nedotkli kabeláže PCB. Vzhledem k omezenému rozvržení nemůže tento článek podrobně probrat všechny problémy, ale probereme klíčové části, které mají největší vliv na zlepšení výkonu obvodu, zkrácení doby návrhu a úsporu času na úpravy.

Ačkoli se zde hlavní pozornost soustředí na obvody související s vysokorychlostními operačními zesilovači, zde diskutované problémy a metody jsou obecně použitelné pro zapojení používané ve většině ostatních vysokorychlostních analogových obvodů. Když operační zesilovač pracuje ve velmi vysokém vysokofrekvenčním (RF) frekvenčním pásmu, výkon obvodu do značné míry závisí na uspořádání PCB. Vysoce výkonné obvody, které vypadají dobře na „nákresech“, mohou dosáhnout běžného výkonu pouze tehdy, pokud jsou ovlivněny neopatrností při zapojení. Předběžné zvážení a pozornost věnovaná důležitým detailům během procesu zapojení pomůže zajistit očekávaný výkon obvodu.

Schématický diagram

Ačkoli dobré schéma nemůže zaručit dobré zapojení, dobré zapojení začíná dobrým schématem. Při kreslení schématu pečlivě přemýšlejte a musíte zvážit tok signálu celého obvodu. Pokud je ve schématu normální a stabilní tok signálu zleva doprava, pak by měl být stejně dobrý tok signálu na desce plošných spojů. Na schématu uveďte co nejvíce užitečných informací. Protože někdy tam není konstruktér obvodů, zákazníci nás požádají o pomoc s řešením problému s obvodem, návrháři, technici a inženýři zabývající se touto prací budou velmi vděční, včetně nás.

Jaké informace by měly být ve schématu uvedeny kromě běžných referenčních identifikátorů, spotřeby energie a tolerance chyb? Zde je několik návrhů, jak proměnit obyčejná schémata na prvotřídní schémata. Přidejte průběhy, mechanické informace o plášti, délku vytištěných čar, prázdné oblasti; uveďte, které součástky je třeba umístit na desku plošných spojů; poskytněte informace o nastavení, rozsahy hodnot součástek, informace o rozptylu tepla, tištěné řádky řídicí impedance, komentáře a krátké obvody Popis činnosti… (a další).
Nikomu nevěř

Pokud kabeláž nenavrhujete sami, vyhraďte si dostatek času na pečlivou kontrolu návrhu elektroinstalace. Malá prevence stojí v tomto bodě stonásobek nápravy. Neočekávejte, že elektroinstalace pochopí vaše nápady. Váš názor a pokyny jsou nejdůležitější v raných fázích procesu návrhu elektroinstalace. Čím více informací můžete poskytnout a čím více zasáhnete do celého procesu zapojení, tím lepší bude výsledná DPS. Nastavte předběžný bod dokončení pro projektanta elektroinstalace – rychlou kontrolu podle požadované zprávy o postupu kabeláže. Tato metoda „uzavřené smyčky“ zabraňuje zabloudění kabeláže, čímž se minimalizuje možnost přepracování.

Pokyny, které je třeba předat elektroinstalačnímu technikovi, zahrnují: krátký popis funkce obvodu, schematický nákres desky plošných spojů s vyznačením vstupních a výstupních pozic, informace o vrstvení desky plošných spojů (například jak tlustá je deska, kolik vrstev existují podrobné informace o každé signálové vrstvě a funkci zemní plochy Spotřeba energie, zemnící vodič, analogový signál, digitální signál a RF signál); které signály jsou vyžadovány pro každou vrstvu; vyžadují umístění důležitých součástí; přesné umístění součástí bypassu; které tištěné řádky jsou důležité; které linky potřebují řídit impedanci tištěných linek; Které řádky musí odpovídat délce; velikost součástí; které tištěné řádky musí být daleko (nebo blízko) od sebe; které řádky musí být daleko (nebo blízko) od sebe; které komponenty musí být daleko (nebo blízko) od sebe; které součástky je třeba umístit Na vrchní část DPS, které jsou umístěny níže. Nikdy si nestěžujte, že je pro ostatní příliš mnoho informací – příliš málo? Je to moc? Ne.

Zkušenost z učení: Asi před 10 lety jsem navrhl vícevrstvou desku plošných spojů – na obou stranách desky jsou součástky. Pomocí spousty šroubů upevněte desku do pozlaceného hliníkového pláště (protože jsou zde velmi přísné antivibrační indikátory). Kolíky, které zajišťují průchodnost, procházejí deskou. Tento pin je připojen k desce plošných spojů pájecími vodiči. Jedná se o velmi složité zařízení. Některé komponenty na desce se používají pro testovací nastavení (SAT). Umístění těchto komponent jsem ale jasně definoval. Uhodnete, kde jsou tyto komponenty nainstalovány? Mimochodem, pod deskou. Když museli produktoví inženýři a technici po dokončení nastavení celé zařízení rozebrat a znovu složit, působili velmi nešťastně. Od té doby už jsem tuto chybu neudělal.

Pozice

Stejně jako u PCB je umístění vším. Kam umístit obvod na desce plošných spojů, kam nainstalovat jeho konkrétní obvodové komponenty a jaké jsou další sousední obvody, to vše je velmi důležité.

Obvykle jsou polohy vstupu, výstupu a napájení předem určeny, ale obvod mezi nimi musí „hrát vlastní kreativitu“. To je důvod, proč věnování pozornosti detailům zapojení přinese obrovské výnosy. Začněte s umístěním klíčových součástí a zvažte konkrétní obvod a celou desku plošných spojů. Specifikace umístění klíčových komponent a signálových cest od začátku pomáhá zajistit, aby návrh splnil očekávané pracovní cíle. Získání správného návrhu hned napoprvé může snížit náklady a tlak – a zkrátit vývojový cyklus.

Přemostění napájení

Obejití napájecího zdroje na výkonové straně zesilovače za účelem snížení šumu je velmi důležitým aspektem v procesu návrhu PCB, včetně vysokorychlostních operačních zesilovačů nebo jiných vysokorychlostních obvodů. Existují dvě běžné konfigurační metody pro obcházení vysokorychlostních operačních zesilovačů.

Uzemnění napájecího terminálu: Tato metoda je ve většině případů nejúčinnější, používá více paralelních kondenzátorů k přímému uzemnění napájecího pinu operačního zesilovače. Obecně řečeno, dva paralelní kondenzátory jsou dostačující, ale přidání paralelních kondenzátorů může být přínosem pro některé obvody.

Paralelní zapojení kondenzátorů s různými hodnotami kapacity pomáhá zajistit, že na napájecím pinu je v širokém frekvenčním pásmu vidět pouze nízká impedance střídavého proudu (AC). To je zvláště důležité při útlumové frekvenci poměru odmítnutí napájení operačního zesilovače (PSR). Tento kondenzátor pomáhá kompenzovat snížené PSR zesilovače. Udržování nízkoimpedanční zemní cesty v mnoha desetioktávových rozsazích pomůže zajistit, že se do operačního zesilovače nedostane škodlivý šum. Obrázek 1 ukazuje výhody použití více kondenzátorů paralelně. Při nízkých frekvencích poskytují velké kondenzátory nízkoimpedanční zemní cestu. Jakmile však frekvence dosáhne své vlastní rezonanční frekvence, kapacita kondenzátoru slábne a postupně se jeví jako indukční. To je důvod, proč je důležité použít více kondenzátorů: když frekvenční charakteristika jednoho kondenzátoru začne klesat, začne pracovat frekvenční charakteristika druhého kondenzátoru, takže může udržovat velmi nízkou střídavou impedanci v mnoha desetioktávových rozsazích.

Začněte přímo s napájecími kolíky operačního zesilovače; kondenzátor s nejmenší kapacitou a nejmenší fyzickou velikostí by měl být umístěn na stejné straně PCB jako operační zesilovač – a co nejblíže zesilovači. Zemnící svorka kondenzátoru by měla být přímo připojena k zemnicí ploše nejkratším kolíkem nebo tištěným vodičem. Nadzemní spojení by mělo být co nejblíže zátěžové svorce zesilovače, aby se snížilo rušení mezi napájecí svorkou a zemnicí svorkou.

Tento proces by se měl opakovat pro kondenzátory s další největší hodnotou kapacity. Nejlepší je začít s minimální hodnotou kapacity 0,01 µF a do její blízkosti umístit 2,2 µF (nebo větší) elektrolytický kondenzátor s nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR). Kondenzátor 0,01 µF s velikostí pouzdra 0508 má velmi nízkou sériovou indukčnost a vynikající vysokofrekvenční výkon.

Napájení napájecího zdroje: Jiná konfigurační metoda používá jeden nebo více bypassových kondenzátorů připojených přes kladné a záporné napájecí svorky operačního zesilovače. Tato metoda se obvykle používá, když je obtížné nakonfigurovat čtyři kondenzátory v obvodu. Jeho nevýhodou je, že velikost pouzdra kondenzátoru se může zvětšit, protože napětí na kondenzátoru je dvojnásobkem hodnoty napětí u metody bypassu s jedním zdrojem. Zvýšení napětí vyžaduje zvýšení jmenovitého průrazného napětí zařízení, to znamená zvětšení velikosti pouzdra. Tato metoda však může zlepšit výkon PSR a zkreslení.

Protože každý obvod a zapojení jsou jiné, konfigurace, počet a hodnota kapacity kondenzátorů by měly být určeny podle požadavků skutečného obvodu.