Die Verkabelung von Leiterplatten (PCB) spielt eine Schlüsselrolle in Hochgeschwindigkeitsschaltungen, ist jedoch oft einer der letzten Schritte im Schaltungsentwurfsprozess. Es gibt viele Probleme bei der Hochgeschwindigkeits-Leiterplattenverkabelung und es wurde viel Literatur zu diesem Thema geschrieben. In diesem Artikel wird hauptsächlich die Verkabelung von Hochgeschwindigkeitsschaltungen aus praktischer Sicht erörtert. Der Hauptzweck besteht darin, neuen Benutzern dabei zu helfen, sich auf viele verschiedene Aspekte zu konzentrieren, die beim Entwerfen von Leiterplattenlayouts für Hochgeschwindigkeitsschaltungen berücksichtigt werden müssen. Ein weiterer Zweck besteht darin, ein Rezensionsmaterial für Kunden bereitzustellen, die sich seit einiger Zeit nicht mehr mit der Leiterplattenverkabelung beschäftigt haben. Aufgrund des begrenzten Layouts kann dieser Artikel nicht alle Probleme im Detail behandeln, wir werden jedoch die Schlüsselteile besprechen, die den größten Einfluss auf die Verbesserung der Schaltungsleistung, die Verkürzung der Entwurfszeit und die Einsparung von Änderungszeit haben.

Obwohl der Schwerpunkt hier auf Schaltkreisen für Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärker liegt, sind die hier diskutierten Probleme und Methoden allgemein auf die Verkabelung anwendbar, die in den meisten anderen Hochgeschwindigkeits-Analogschaltkreisen verwendet wird. Wenn der Operationsverstärker in einem sehr hohen Hochfrequenzband (RF) arbeitet, hängt die Leistung der Schaltung weitgehend vom PCB-Layout ab. Hochleistungsschaltungsdesigns, die auf den „Zeichnungen“ gut aussehen, können nur dann eine normale Leistung erzielen, wenn sie durch Nachlässigkeit bei der Verkabelung beeinträchtigt werden. Vorabüberlegungen und die Beachtung wichtiger Details während des gesamten Verkabelungsprozesses tragen dazu bei, die erwartete Schaltungsleistung sicherzustellen.

Schematische Darstellung

Obwohl ein guter Schaltplan keine Garantie für eine gute Verkabelung sein kann, beginnt eine gute Verkabelung mit einem guten Schaltplan. Denken Sie beim Zeichnen des Schaltplans sorgfältig nach und berücksichtigen Sie den Signalfluss der gesamten Schaltung. Wenn im Schaltplan ein normaler und stabiler Signalfluss von links nach rechts vorhanden ist, sollte auch auf der Leiterplatte ein ebenso guter Signalfluss vorhanden sein. Geben Sie im Schaltplan so viele nützliche Informationen wie möglich an. Da manchmal der Schaltungsdesign-Ingenieur nicht da ist, bitten Kunden uns, bei der Lösung des Schaltungsproblems zu helfen. Die an dieser Arbeit beteiligten Designer, Techniker und Ingenieure, einschließlich uns, werden sehr dankbar sein.

Welche Informationen sollten neben gewöhnlichen Referenzkennungen, Stromverbrauch und Fehlertoleranz im Schaltplan enthalten sein? Hier sind einige Vorschläge, um gewöhnliche Schaltpläne in erstklassige Schaltpläne umzuwandeln. Fügen Sie Wellenformen, mechanische Informationen über das Gehäuse, die Länge der gedruckten Linien und leere Bereiche hinzu. Geben Sie an, welche Komponenten auf der Leiterplatte platziert werden müssen. Geben Sie Einstellinformationen, Komponentenwertbereiche, Informationen zur Wärmeableitung, gedruckte Steuerleitungen für die Impedanz, Kommentare und kurze Schaltkreise, Aktionsbeschreibungen usw. an.
Glauben Sie niemandem

Wenn Sie die Verkabelung nicht selbst entwerfen, sollten Sie ausreichend Zeit einplanen, um den Entwurf der Verkabelungsperson sorgfältig zu prüfen. Eine kleine Vorbeugung ist an dieser Stelle das Hundertfache der Abhilfe wert. Erwarten Sie nicht, dass die Verkabelungsperson Ihre Ideen versteht. Ihre Meinung und Anleitung sind in den frühen Phasen des Verkabelungsdesignprozesses am wichtigsten. Je mehr Informationen Sie bereitstellen und je mehr Sie in den gesamten Verdrahtungsprozess eingreifen, desto besser wird die resultierende Leiterplatte sein. Legen Sie einen vorläufigen Abschlusspunkt für die Schnellprüfung durch den Verkabelungsplaner entsprechend dem gewünschten Fortschrittsbericht für die Verkabelung fest. Diese „Closed-Loop“-Methode verhindert, dass die Verkabelung verloren geht, und minimiert so die Möglichkeit einer Nacharbeit.

Zu den Anweisungen, die dem Verdrahtungsingenieur gegeben werden müssen, gehören: eine kurze Beschreibung der Schaltungsfunktion, ein schematisches Diagramm der Leiterplatte mit Angabe der Eingangs- und Ausgangspositionen, Informationen zum Leiterplattenstapel (z. B. wie dick die Leiterplatte ist, wie viele Schichten). Es gibt detaillierte Informationen zu jeder Signalschicht und Masseebenenfunktion (Stromverbrauch, Erdungskabel, analoges Signal, digitales Signal und HF-Signal). welche Signale für jede Schicht benötigt werden; erfordern die Platzierung wichtiger Komponenten; die genaue Position der Bypass-Komponenten; welche gedruckten Zeilen sind wichtig; Welche Leitungen müssen die Impedanz der gedruckten Leitungen kontrollieren? Welche Linien müssen der Länge entsprechen; die Größe der Komponenten; welche gedruckten Linien müssen weit voneinander entfernt (oder nahe beieinander) sein; welche Linien müssen weit voneinander entfernt (oder nahe beieinander) sein; welche Komponenten müssen weit voneinander entfernt (oder nahe) zueinander sein; Welche Komponenten müssen oben auf der Leiterplatte platziert werden, welche unten platziert werden. Beschweren Sie sich nie darüber, dass es zu viele Informationen für andere gibt – zu wenig? Ist es zu viel? Nicht.

Eine Lernerfahrung: Vor etwa 10 Jahren habe ich eine mehrschichtige oberflächenmontierte Leiterplatte entworfen – auf beiden Seiten der Platine befinden sich Komponenten. Verwenden Sie viele Schrauben, um die Platine in einem vergoldeten Aluminiumgehäuse zu befestigen (da es sehr strenge Anti-Vibrations-Indikatoren gibt). Die Stifte, die für die Bias-Durchführung sorgen, verlaufen durch die Platine. Dieser Pin wird durch Lötdrähte mit der Platine verbunden. Dies ist ein sehr kompliziertes Gerät. Einige Komponenten auf der Platine werden für Testeinstellungen (SAT) verwendet. Aber ich habe den Standort dieser Komponenten klar definiert. Können Sie erraten, wo diese Komponenten installiert sind? Übrigens unter der Tafel. Als Produktingenieure und Techniker das gesamte Gerät zerlegen und nach Abschluss der Einstellungen wieder zusammenbauen mussten, schienen sie sehr unzufrieden zu sein. Seitdem habe ich diesen Fehler nicht mehr gemacht.

Position

Genau wie bei einer Leiterplatte kommt es auf den Standort an. Wo ein Schaltkreis auf der Leiterplatte platziert wird, wo die spezifischen Schaltkreiskomponenten installiert werden und welche anderen angrenzenden Schaltkreise vorhanden sind – all das ist sehr wichtig.

Normalerweise sind die Positionen von Eingang, Ausgang und Stromversorgung vorgegeben, aber die Schaltung zwischen ihnen muss „ihrer eigenen Kreativität freien Lauf lassen“. Aus diesem Grund wird die Beachtung der Verkabelungsdetails enorme Vorteile bringen. Beginnen Sie mit der Position der Schlüsselkomponenten und berücksichtigen Sie den spezifischen Schaltkreis und die gesamte Leiterplatte. Die Festlegung der Position der Schlüsselkomponenten und Signalpfade von Anfang an trägt dazu bei, sicherzustellen, dass der Entwurf die erwarteten Arbeitsziele erfüllt. Wenn Sie gleich beim ersten Mal das richtige Design erhalten, können Sie Kosten und Druck reduzieren und den Entwicklungszyklus verkürzen.

Bypass-Stromversorgung

Das Umgehen der Stromversorgung auf der Leistungsseite des Verstärkers zur Rauschreduzierung ist ein sehr wichtiger Aspekt im PCB-Designprozess – einschließlich Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärkern oder anderen Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Es gibt zwei gängige Konfigurationsmethoden zum Umgehen von Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärkern.

Erdung des Stromversorgungsanschlusses: Diese Methode ist in den meisten Fällen am effektivsten, da mehrere parallele Kondensatoren verwendet werden, um den Stromversorgungsanschluss des Operationsverstärkers direkt zu erden. Im Allgemeinen sind zwei parallele Kondensatoren ausreichend – das Hinzufügen paralleler Kondensatoren kann jedoch für einige Schaltungen von Vorteil sein.

Durch die Parallelschaltung von Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten wird sichergestellt, dass am Stromversorgungspin über ein breites Frequenzband nur eine niedrige Wechselstromimpedanz (AC) sichtbar ist. Dies ist besonders wichtig bei der Dämpfungsfrequenz des Stromversorgungsunterdrückungsverhältnisses (PSR) des Operationsverstärkers. Dieser Kondensator trägt dazu bei, den verringerten PSR-Wert des Verstärkers auszugleichen. Durch die Aufrechterhaltung eines Erdungspfads mit niedriger Impedanz in vielen Zehn-Oktav-Bereichen wird sichergestellt, dass schädliches Rauschen nicht in den Operationsverstärker eindringen kann. Abbildung 1 zeigt die Vorteile der parallelen Verwendung mehrerer Kondensatoren. Bei niedrigen Frequenzen sorgen große Kondensatoren für einen Erdungspfad mit niedriger Impedanz. Sobald die Frequenz jedoch ihre eigene Resonanzfrequenz erreicht, wird die Kapazität des Kondensators schwächer und erscheint allmählich induktiv. Aus diesem Grund ist es wichtig, mehrere Kondensatoren zu verwenden: Wenn der Frequenzgang eines Kondensators abzufallen beginnt, beginnt der Frequenzgang des anderen Kondensators zu funktionieren, sodass dieser in vielen Zehn-Oktaven-Bereichen eine sehr niedrige Wechselstromimpedanz aufrechterhalten kann.

Beginnen Sie direkt mit den Stromversorgungspins des Operationsverstärkers; Der Kondensator mit der kleinsten Kapazität und der kleinsten physikalischen Größe sollte auf derselben Seite der Leiterplatte wie der Operationsverstärker platziert werden – und zwar so nah wie möglich am Verstärker. Der Erdungsanschluss des Kondensators sollte mit dem kürzesten Stift oder gedruckten Kabel direkt mit der Erdungsebene verbunden werden. Der oberirdische Anschluss sollte so nah wie möglich am Lastanschluss des Verstärkers liegen, um die Interferenz zwischen dem Stromanschluss und dem Erdungsanschluss zu reduzieren.

Dieser Vorgang sollte für Kondensatoren mit dem nächstgrößeren Kapazitätswert wiederholt werden. Beginnen Sie am besten mit dem minimalen Kapazitätswert von 0,01 µF und platzieren Sie einen Elektrolytkondensator mit 2,2 µF (oder mehr) und einem niedrigen äquivalenten Serienwiderstand (ESR) in der Nähe. Der 0,01-µF-Kondensator mit der Gehäusegröße 0508 verfügt über eine sehr niedrige Serieninduktivität und eine hervorragende Hochfrequenzleistung.

Stromversorgung zu Stromversorgung: Eine andere Konfigurationsmethode verwendet einen oder mehrere Bypass-Kondensatoren, die über die positiven und negativen Stromversorgungsanschlüsse des Operationsverstärkers angeschlossen sind. Diese Methode wird normalerweise verwendet, wenn es schwierig ist, vier Kondensatoren in der Schaltung zu konfigurieren. Der Nachteil besteht darin, dass die Gehäusegröße des Kondensators zunehmen kann, da die Spannung am Kondensator doppelt so hoch ist wie der Spannungswert bei der Bypass-Methode mit Einzelversorgung. Eine Erhöhung der Spannung erfordert eine Erhöhung der Nenndurchschlagsspannung des Geräts, also eine Vergrößerung der Gehäusegröße. Diese Methode kann jedoch die PSR- und Verzerrungsleistung verbessern.

Da jeder Stromkreis und jede Verkabelung unterschiedlich ist, sollten Konfiguration, Anzahl und Kapazitätswert der Kondensatoren entsprechend den Anforderungen des tatsächlichen Stromkreises bestimmt werden.