El cableado de la placa de circuito impreso (PCB) desempeña un papel clave en los circuitos de alta velocidad, pero suele ser uno de los últimos pasos en el proceso de diseño del circuito. Existen muchos problemas con el cableado de PCB de alta velocidad y se ha escrito mucha literatura sobre este tema. Este artículo analiza principalmente el cableado de circuitos de alta velocidad desde una perspectiva práctica. El objetivo principal es ayudar a los nuevos usuarios a prestar atención a muchas cuestiones diferentes que deben tenerse en cuenta al diseñar diseños de PCB de circuitos de alta velocidad. Otro propósito es proporcionar material de revisión para los clientes que no han tocado el cableado de PCB por un tiempo. Debido al diseño limitado, este artículo no puede discutir todos los temas en detalle, pero discutiremos las partes clave que tienen el mayor efecto en mejorar el rendimiento del circuito, acortar el tiempo de diseño y ahorrar tiempo de modificación.

Aunque aquí el enfoque principal está en los circuitos relacionados con amplificadores operacionales de alta velocidad, los problemas y métodos discutidos aquí son generalmente aplicables al cableado utilizado en la mayoría de los demás circuitos analógicos de alta velocidad. Cuando el amplificador operacional funciona en una banda de frecuencia de radio (RF) muy alta, el rendimiento del circuito depende en gran medida del diseño de la PCB. Los diseños de circuitos de alto rendimiento que se ven bien en los “dibujos” sólo pueden obtener un rendimiento normal si se ven afectados por un descuido durante el cableado. La consideración previa y la atención a los detalles importantes durante todo el proceso de cableado ayudarán a garantizar el rendimiento esperado del circuito.

Diagrama esquemático

Aunque un buen esquema no puede garantizar un buen cableado, un buen cableado comienza con un buen esquema. Piense detenidamente al dibujar el esquema y debe considerar el flujo de señal de todo el circuito. Si hay un flujo de señal normal y estable de izquierda a derecha en el esquema, entonces debería haber el mismo buen flujo de señal en la PCB. Proporcione tanta información útil como sea posible sobre el esquema. Debido a que a veces el ingeniero de diseño de circuitos no está, los clientes nos pedirán que les ayudemos a resolver el problema del circuito, los diseñadores, técnicos e ingenieros involucrados en este trabajo estarán muy agradecidos, incluyéndonos a nosotros.

Además de los identificadores de referencia ordinarios, el consumo de energía y la tolerancia a errores, ¿qué información se debe proporcionar en el esquema? A continuación se ofrecen algunas sugerencias para convertir esquemas ordinarios en esquemas de primera clase. Agregue formas de onda, información mecánica sobre la carcasa, longitud de las líneas impresas, áreas en blanco; indicar qué componentes deben colocarse en la PCB; brinda información de ajuste, rangos de valores de componentes, información de disipación de calor, líneas impresas de impedancia de control, comentarios y breves circuitos Descripción de la acción… (y otros).
No le creas a nadie

Si no está diseñando el cableado usted mismo, asegúrese de dejar suficiente tiempo para verificar cuidadosamente el diseño de la persona encargada del cableado. Una pequeña prevención vale cien veces más que remediar a estas alturas. No espere que la persona encargada del cableado comprenda sus ideas. Su opinión y orientación son las más importantes en las primeras etapas del proceso de diseño del cableado. Cuanta más información puedas proporcionar y más intervengas en todo el proceso de cableado, mejor será el PCB resultante. Establezca un punto de finalización tentativo para la verificación rápida del ingeniero de diseño de cableado de acuerdo con el informe de progreso del cableado que desee. Este método de “bucle cerrado” evita que el cableado se desvíe, minimizando así la posibilidad de volver a trabajar.

Las instrucciones que se deben dar al ingeniero de cableado incluyen: una breve descripción de la función del circuito, un diagrama esquemático de la PCB que indica las posiciones de entrada y salida, información sobre el apilamiento de la PCB (por ejemplo, qué grosor tiene la placa, cuántas capas hay información detallada sobre cada capa de señal y función del plano de tierra (consumo de energía, cable de tierra, señal analógica, señal digital y señal de RF); qué señales se requieren para cada capa; requieren la colocación de componentes importantes; la ubicación exacta de los componentes del bypass; qué líneas impresas son importantes; qué líneas necesitan controlar la impedancia de las líneas impresas; Qué líneas deben coincidir con la longitud; el tamaño de los componentes; qué líneas impresas deben estar alejadas (o cercanas) entre sí; qué líneas deben estar alejadas (o cercanas) entre sí; qué componentes deben estar lejos (o cerca) entre sí; qué componentes deben colocarse en la parte superior de la PCB y cuáles se colocan debajo. ¿Nunca te quejas de que hay demasiada información para los demás o muy poca? ¿Es demasiado? No.

Una experiencia de aprendizaje: hace unos 10 años, diseñé una placa de circuito de montaje en superficie multicapa: hay componentes en ambos lados de la placa. Utilice muchos tornillos para fijar la placa en una carcasa de aluminio chapada en oro (porque hay indicadores antivibración muy estrictos). Los pasadores que proporcionan alimentación de polarización pasan a través del tablero. Este pin está conectado a la PCB mediante cables de soldadura. Este es un dispositivo muy complicado. Algunos componentes de la placa se utilizan para la configuración de pruebas (SAT). Pero he definido claramente la ubicación de estos componentes. ¿Puedes adivinar dónde están instalados estos componentes? Por cierto, debajo del tablero. Cuando los ingenieros y técnicos de producto tuvieron que desmontar todo el dispositivo y volver a montarlo después de completar los ajustes, parecieron muy descontentos. No he vuelto a cometer este error desde entonces.

Posición

Al igual que en una PCB, la ubicación lo es todo. Dónde colocar un circuito en la PCB, dónde instalar sus componentes de circuito específicos y qué otros circuitos adyacentes son, todo lo cual es muy importante.

Por lo general, las posiciones de entrada, salida y fuente de alimentación están predeterminadas, pero el circuito entre ellas debe "jugar con su propia creatividad". Esta es la razón por la que prestar atención a los detalles del cableado generará enormes beneficios. Comience con la ubicación de los componentes clave y considere el circuito específico y toda la PCB. Especificar la ubicación de los componentes clave y las rutas de las señales desde el principio ayuda a garantizar que el diseño cumpla con los objetivos de trabajo esperados. Obtener el diseño correcto la primera vez puede reducir los costos y la presión, y acortar el ciclo de desarrollo.

Alimentación de derivación

Omitir la fuente de alimentación en el lado de alimentación del amplificador para reducir el ruido es un aspecto muy importante en el proceso de diseño de PCB, incluidos los amplificadores operacionales de alta velocidad u otros circuitos de alta velocidad. Existen dos métodos de configuración comunes para omitir amplificadores operacionales de alta velocidad.

Conexión a tierra del terminal de fuente de alimentación: este método es el más efectivo en la mayoría de los casos, ya que utiliza múltiples condensadores en paralelo para conectar a tierra directamente el pin de fuente de alimentación del amplificador operacional. En términos generales, dos condensadores en paralelo son suficientes, pero agregar condensadores en paralelo puede beneficiar a algunos circuitos.

La conexión en paralelo de condensadores con diferentes valores de capacitancia ayuda a garantizar que solo se pueda ver una baja impedancia de corriente alterna (CA) en el pin de la fuente de alimentación en una amplia banda de frecuencia. Esto es especialmente importante en la frecuencia de atenuación de la relación de rechazo de la fuente de alimentación (PSR) del amplificador operacional. Este condensador ayuda a compensar el PSR reducido del amplificador. Mantener una ruta de tierra de baja impedancia en muchos rangos de diez octavas ayudará a garantizar que el ruido dañino no pueda ingresar al amplificador operacional. La Figura 1 muestra las ventajas de utilizar varios condensadores en paralelo. A bajas frecuencias, los condensadores grandes proporcionan una ruta a tierra de baja impedancia. Pero una vez que la frecuencia alcanza su propia frecuencia de resonancia, la capacitancia del capacitor se debilitará y gradualmente aparecerá inductiva. Por eso es importante utilizar varios condensadores: cuando la respuesta de frecuencia de un condensador comienza a caer, la respuesta de frecuencia del otro condensador comienza a funcionar, por lo que puede mantener una impedancia de CA muy baja en muchos rangos de diez octavas.

Comience directamente con los pines de fuente de alimentación del amplificador operacional; El condensador con la capacitancia más pequeña y el tamaño físico más pequeño debe colocarse en el mismo lado de la PCB que el amplificador operacional y lo más cerca posible del amplificador. El terminal de tierra del capacitor debe conectarse directamente al plano de tierra con el pin o cable impreso más corto. La conexión sobre tierra debe estar lo más cerca posible del terminal de carga del amplificador para reducir la interferencia entre el terminal de alimentación y el terminal de tierra.

Este proceso debe repetirse para los condensadores con el siguiente valor de capacitancia más grande. Es mejor comenzar con el valor de capacitancia mínimo de 0,01 µF y colocar cerca de él un condensador electrolítico de 2,2 µF (o más) con baja resistencia en serie equivalente (ESR). El condensador de 0,01 µF con un tamaño de caja 0508 tiene una inductancia en serie muy baja y un excelente rendimiento de alta frecuencia.

Fuente de alimentación a fuente de alimentación: Otro método de configuración utiliza uno o más condensadores de derivación conectados entre los terminales de fuente de alimentación positivos y negativos del amplificador operacional. Este método se suele utilizar cuando es difícil configurar cuatro condensadores en el circuito. Su desventaja es que el tamaño de la caja del capacitor puede aumentar porque el voltaje a través del capacitor es el doble del valor de voltaje en el método de derivación de suministro único. Aumentar el voltaje requiere aumentar el voltaje de ruptura nominal del dispositivo, es decir, aumentar el tamaño de la carcasa. Sin embargo, este método puede mejorar el PSR y el rendimiento de la distorsión.

Debido a que cada circuito y cableado es diferente, la configuración, el número y el valor de capacitancia de los capacitores deben determinarse de acuerdo con los requisitos del circuito real.