سیم کشی برد مدار چاپی (PCB) نقش کلیدی در مدارهای پرسرعت دارد، اما اغلب یکی از آخرین مراحل در فرآیند طراحی مدار است. مشکلات زیادی در سیم کشی PCB با سرعت بالا وجود دارد و ادبیات زیادی در این زمینه نوشته شده است. این مقاله عمدتاً سیم‌کشی مدارهای پرسرعت را از منظر عملی مورد بحث قرار می‌دهد. هدف اصلی کمک به کاربران جدید برای توجه به بسیاری از مسائل مختلف است که باید هنگام طراحی طرح‌بندی مدار مدار چاپی پرسرعت در نظر گرفته شوند. هدف دیگر ارائه یک مطلب بررسی برای مشتریانی است که برای مدتی به سیم‌کشی PCB دست نزده‌اند. با توجه به محدود بودن چیدمان، این مقاله نمی تواند همه مسائل را به طور مفصل مورد بحث قرار دهد، اما در مورد قسمت های کلیدی که بیشترین تأثیر را در بهبود عملکرد مدار، کوتاه شدن زمان طراحی و صرفه جویی در زمان اصلاح دارند، صحبت خواهیم کرد.

اگرچه تمرکز اصلی در اینجا بر مدارهای مربوط به تقویت کننده های عملیاتی با سرعت بالا است، مشکلات و روش های مورد بحث در اینجا به طور کلی برای سیم کشی مورد استفاده در اکثر مدارهای آنالوگ پرسرعت دیگر قابل استفاده است. هنگامی که تقویت کننده عملیاتی در یک باند فرکانس رادیویی بسیار بالا (RF) کار می کند، عملکرد مدار تا حد زیادی به طرح PCB بستگی دارد. طرح‌های مدار با کارایی بالا که روی «نقشه‌ها» خوب به نظر می‌رسند، تنها در صورتی می‌توانند عملکرد معمولی داشته باشند که تحت تأثیر بی‌احتیاطی در طول سیم‌کشی قرار گیرند. پیش بینی و توجه به جزئیات مهم در طول فرآیند سیم کشی به اطمینان از عملکرد مدار مورد انتظار کمک می کند.

نمودار شماتیک

اگرچه یک شماتیک خوب نمی تواند سیم کشی خوب را تضمین کند، یک سیم کشی خوب با یک شماتیک خوب شروع می شود. هنگام ترسیم شماتیک به دقت فکر کنید و باید جریان سیگنال کل مدار را در نظر بگیرید. اگر در شماتیک یک جریان سیگنال عادی و پایدار از چپ به راست وجود داشته باشد، باید همان جریان سیگنال خوب در PCB وجود داشته باشد. تا آنجا که ممکن است اطلاعات مفیدی را در مورد شماتیک ارائه دهید. از آنجایی که گاهی مهندس طراحی مدار آنجا نیست، مشتریان از ما کمک می خواهند تا مشکل مدار را حل کنیم، طراحان، تکنسین ها و مهندسان درگیر در این کار از جمله ما بسیار سپاسگزار خواهند بود.

علاوه بر شناسه های مرجع معمولی، مصرف برق و تحمل خطا، چه اطلاعاتی باید در شماتیک داده شود؟ در اینجا چند پیشنهاد برای تبدیل شماتیک های معمولی به شماتیک های درجه یک وجود دارد. اضافه کردن شکل موج، اطلاعات مکانیکی در مورد پوسته، طول خطوط چاپ شده، مناطق خالی. مشخص کنید که کدام قطعات باید روی PCB قرار گیرند. اطلاعات تنظیم، محدوده مقدار اجزاء، اطلاعات اتلاف حرارت، خطوط چاپی امپدانس کنترل، نظرات، و مدارهای مختصر شرح عملکرد… (و موارد دیگر) را ارائه دهید.
کسی را باور نکن

اگر خودتان سیم‌کشی را طراحی نمی‌کنید، مطمئن شوید که زمان کافی برای بررسی دقیق طراحی سیم‌کشی در نظر بگیرید. یک پیشگیری کوچک در این مرحله صد برابر درمان ارزش دارد. انتظار نداشته باشید که شخص سیم کش ایده های شما را درک کند. نظر و راهنمایی شما در مراحل اولیه فرآیند طراحی سیم کشی بسیار مهم است. هرچه اطلاعات بیشتری بتوانید ارائه دهید و هر چه بیشتر در کل فرآیند سیم کشی دخالت کنید، PCB به دست آمده بهتر خواهد بود. با توجه به گزارش پیشرفت سیم‌کشی که می‌خواهید، یک نقطه تکمیل آزمایشی برای بررسی سریع مهندس طراحی سیم‌کشی تعیین کنید. این روش "حلقه بسته" از بیراهه رفتن سیم کشی جلوگیری می کند و در نتیجه احتمال دوباره کاری را به حداقل می رساند.

دستورالعمل هایی که باید به مهندس سیم کشی داده شود عبارتند از: شرح کوتاهی از عملکرد مدار، نمودار شماتیک PCB که موقعیت های ورودی و خروجی را نشان می دهد، اطلاعات روی هم چیدن PCB (مثلاً ضخامت برد، چند لایه است. اطلاعات دقیقی در مورد هر لایه سیگنال و عملکرد صفحه زمین، مصرف برق، سیم زمین، سیگنال آنالوگ، سیگنال دیجیتال و سیگنال RF وجود دارد. کدام سیگنال برای هر لایه مورد نیاز است. نیاز به قرار دادن اجزای مهم؛ محل دقیق اجزای بای پس؛ کدام خطوط چاپی مهم هستند. کدام خطوط نیاز به کنترل خطوط چاپی امپدانس دارند. کدام خطوط باید با طول مطابقت داشته باشند. اندازه اجزاء؛ کدام خطوط چاپ شده باید دور (یا نزدیک) یکدیگر باشند. کدام خطوط باید دور (یا نزدیک) یکدیگر باشند. کدام اجزا باید دور (یا نزدیک) به یکدیگر باشند. کدام قطعات باید در بالای PCB قرار گیرند، کدام یک در زیر قرار می گیرند. هرگز شکایت نکنید که اطلاعات زیادی برای دیگران وجود دارد - خیلی کم؟ خیلی زیاده؟ نکن.

یک تجربه یادگیری: حدود 10 سال پیش، من یک برد مدار چندلایه برای نصب سطحی طراحی کردم - قطعاتی در هر دو طرف برد وجود دارد. از پیچ های زیادی برای ثابت کردن تخته در یک پوسته آلومینیومی با روکش طلا استفاده کنید (زیرا نشانگرهای ضد لرزش بسیار سختی وجود دارد). پین هایی که جریان سوگیری را فراهم می کنند از تخته عبور می کنند. این پین توسط سیم های لحیم کاری به PCB متصل می شود. این یک دستگاه بسیار پیچیده است. برخی از اجزای برد برای تنظیم تست (SAT) استفاده می شود. اما من مکان این اجزا را به وضوح مشخص کرده ام. آیا می توانید حدس بزنید که این قطعات کجا نصب شده اند؟ به هر حال، زیر هیئت مدیره. هنگامی که مهندسان و تکنسین های محصول مجبور شدند کل دستگاه را جدا کرده و پس از تکمیل تنظیمات دوباره سرهم کنند، بسیار ناراضی به نظر می رسیدند. از آن زمان دیگر این اشتباه را تکرار نکردم.

موقعیت

درست مانند PCB، مکان همه چیز است. مدار را روی PCB کجا قرار دهیم، اجزای مدار خاص آن را کجا نصب کنیم و مدارهای مجاور دیگری که همه اینها بسیار مهم هستند.

معمولاً موقعیت‌های ورودی، خروجی و منبع تغذیه از پیش تعیین شده‌اند، اما مدار بین آنها باید "خلاقیت خود" را بازی کند. به همین دلیل است که توجه به جزئیات سیم کشی بازده بسیار زیادی را به همراه خواهد داشت. با محل قطعات کلیدی شروع کنید و مدار خاص و کل PCB را در نظر بگیرید. تعیین محل اجزای کلیدی و مسیرهای سیگنال از ابتدا کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که طراحی با اهداف کاری مورد انتظار مطابقت دارد. دریافت طراحی مناسب در اولین بار می تواند هزینه ها و فشار را کاهش دهد و چرخه توسعه را کوتاه کند.

دور زدن برق

دور زدن منبع تغذیه در سمت تغذیه تقویت کننده به منظور کاهش نویز یک جنبه بسیار مهم در فرآیند طراحی PCB از جمله تقویت کننده های عملیاتی با سرعت بالا یا سایر مدارهای پرسرعت است. دو روش پیکربندی رایج برای دور زدن تقویت کننده های عملیاتی با سرعت بالا وجود دارد.

اتصال زمین ترمینال منبع تغذیه: این روش در بیشتر موارد موثرترین روش است و از چندین خازن موازی برای اتصال مستقیم پایه منبع تغذیه تقویت کننده عملیاتی استفاده می کند. به طور کلی، دو خازن موازی کافی هستند، اما افزودن خازن های موازی ممکن است برای برخی مدارها مفید باشد.

اتصال موازی خازن‌ها با مقادیر خازن متفاوت کمک می‌کند تا اطمینان حاصل شود که فقط امپدانس جریان متناوب کم (AC) روی پایه منبع تغذیه در یک باند فرکانس وسیع دیده می‌شود. این امر به ویژه در فرکانس تضعیف نسبت رد منبع تغذیه تقویت کننده عملیاتی (PSR) مهم است. این خازن به جبران کاهش PSR تقویت کننده کمک می کند. حفظ یک مسیر زمین با امپدانس کم در بسیاری از محدوده‌های ده اکتاو به اطمینان حاصل می‌شود که نویز مضر نمی‌تواند وارد آمپلی فایر عملیات شود. شکل 1 مزایای استفاده از چند خازن را به صورت موازی نشان می دهد. در فرکانس‌های پایین، خازن‌های بزرگ یک مسیر زمینی با امپدانس کم ایجاد می‌کنند. اما هنگامی که فرکانس به فرکانس تشدید خود برسد، ظرفیت خازن ضعیف شده و به تدریج القایی به نظر می رسد. به همین دلیل است که استفاده از چندین خازن مهم است: هنگامی که پاسخ فرکانسی یک خازن شروع به کاهش می‌کند، پاسخ فرکانسی خازن دیگر شروع به کار می‌کند، بنابراین می‌تواند امپدانس AC بسیار پایین را در بسیاری از محدوده‌های ده اکتاو حفظ کند.

مستقیماً با پایه های منبع تغذیه آپ امپ شروع کنید. خازن با کمترین ظرفیت و کوچکترین اندازه فیزیکی باید در همان سمت PCB به عنوان آمپلی فایر قرار گیرد - و تا حد امکان نزدیک به تقویت کننده باشد. ترمینال زمین خازن باید مستقیماً با کوتاه ترین پین یا سیم چاپی به صفحه زمین متصل شود. اتصال زمین فوق باید تا حد امکان به ترمینال بار تقویت کننده نزدیک باشد تا تداخل بین ترمینال برق و ترمینال زمین کاهش یابد.

این فرآیند باید برای خازن هایی با بزرگترین مقدار ظرفیت خازنی بعدی تکرار شود. بهتر است با حداقل مقدار ظرفیت خازنی 0.01 µF شروع کنید و یک خازن الکترولیتی 2.2 µF (یا بزرگتر) با مقاومت سری معادل کم (ESR) را نزدیک آن قرار دهید. خازن 0.01 µF با اندازه کیس 0508 دارای اندوکتانس سری بسیار پایین و عملکرد فرکانس بالا عالی است.

منبع تغذیه به منبع تغذیه: یکی دیگر از روش های پیکربندی از یک یا چند خازن بای پس متصل به پایانه های منبع تغذیه مثبت و منفی تقویت کننده عملیاتی استفاده می کند. این روش معمولاً زمانی استفاده می شود که پیکربندی چهار خازن در مدار مشکل باشد. عیب آن این است که اندازه کیس خازن ممکن است افزایش یابد زیرا ولتاژ دو طرف خازن دو برابر مقدار ولتاژ در روش بای پس تک منبعی است. افزایش ولتاژ مستلزم افزایش ولتاژ شکست نامی دستگاه، یعنی افزایش اندازه محفظه است. با این حال، این روش می تواند عملکرد PSR و اعوجاج را بهبود بخشد.

از آنجا که هر مدار و سیم کشی متفاوت است، پیکربندی، تعداد و مقدار ظرفیت خازن ها باید با توجه به الزامات مدار واقعی تعیین شود.