Il cablaggio della scheda a circuito stampato (PCB) svolge un ruolo chiave nei circuiti ad alta velocità, ma spesso è uno degli ultimi passaggi nel processo di progettazione del circuito. Ci sono molti problemi con il cablaggio PCB ad alta velocità e su questo argomento è stata scritta molta letteratura. Questo articolo discute principalmente il cablaggio dei circuiti ad alta velocità da una prospettiva pratica. Lo scopo principale è aiutare i nuovi utenti a prestare attenzione a molte questioni diverse che devono essere prese in considerazione durante la progettazione di layout PCB di circuiti ad alta velocità. Un altro scopo è quello di fornire materiale di revisione ai clienti che non hanno toccato il cablaggio PCB per un po'. A causa del layout limitato, questo articolo non può trattare tutti i problemi in dettaglio, ma discuteremo le parti chiave che hanno il maggiore effetto sul miglioramento delle prestazioni del circuito, sulla riduzione dei tempi di progettazione e sul risparmio dei tempi di modifica.

Sebbene l'attenzione principale qui sia rivolta ai circuiti relativi agli amplificatori operazionali ad alta velocità, i problemi e i metodi discussi qui sono generalmente applicabili al cablaggio utilizzato nella maggior parte degli altri circuiti analogici ad alta velocità. Quando l'amplificatore operazionale funziona in una banda di frequenze radio (RF) molto elevata, le prestazioni del circuito dipendono in gran parte dal layout del PCB. I progetti di circuiti ad alte prestazioni che appaiono bene nei "disegni" possono ottenere prestazioni normali solo se sono influenzati da disattenzione durante il cablaggio. La considerazione preliminare e l'attenzione ai dettagli importanti durante tutto il processo di cablaggio contribuiranno a garantire le prestazioni previste del circuito.

Diagramma schematico

Sebbene un buon schema non possa garantire un buon cablaggio, un buon cablaggio inizia con un buon schema. Pensa attentamente quando disegni lo schema e devi considerare il flusso del segnale dell'intero circuito. Se nello schema è presente un flusso di segnale normale e stabile da sinistra a destra, dovrebbe esserci lo stesso buon flusso di segnale sul PCB. Fornisci quante più informazioni utili possibili sullo schema. Poiché a volte il progettista del circuito non è presente, i clienti ci chiederanno di aiutare a risolvere il problema del circuito, i progettisti, i tecnici e gli ingegneri impegnati in questo lavoro gli saranno molto grati, noi compresi.

Oltre agli identificatori di riferimento ordinari, al consumo energetico e alla tolleranza agli errori, quali informazioni dovrebbero essere fornite nello schema? Ecco alcuni suggerimenti per trasformare gli schemi ordinari in schemi di prima classe. Aggiungi forme d'onda, informazioni meccaniche sulla shell, lunghezza delle linee stampate, aree vuote; indicare quali componenti devono essere posizionati sul PCB; fornire informazioni sulla regolazione, intervalli di valori dei componenti, informazioni sulla dissipazione del calore, linee stampate dell'impedenza di controllo, commenti e brevi circuiti. Descrizione dell'azione... (e altro).
Non credere a nessuno

Se non stai progettando tu stesso il cablaggio, assicurati di concedere tutto il tempo necessario per controllare attentamente il progetto della persona che esegue il cablaggio. Una piccola prevenzione vale ormai cento volte il rimedio. Non aspettarti che la persona che effettua il cablaggio capisca le tue idee. La tua opinione e la tua guida sono le più importanti nelle prime fasi del processo di progettazione del cablaggio. Più informazioni puoi fornire e più intervieni nell'intero processo di cablaggio, migliore sarà il PCB risultante. Impostare un punto di completamento provvisorio per il controllo rapido del progettista del cablaggio in base al rapporto sullo stato di avanzamento del cablaggio desiderato. Questo metodo a "circuito chiuso" impedisce che il cablaggio vada fuori strada, riducendo così al minimo la possibilità di rilavorazione.

Le istruzioni che devono essere fornite al tecnico del cablaggio includono: una breve descrizione della funzione del circuito, un diagramma schematico del PCB con l'indicazione delle posizioni di ingresso e uscita, informazioni sullo stacking del PCB (ad esempio, quanto è spessa la scheda, quanti strati sono presenti informazioni dettagliate su ciascun livello di segnale e funzione del piano di terra (consumo energetico, filo di terra, segnale analogico, segnale digitale e segnale RF); quali segnali sono richiesti per ciascun livello; richiedere il posizionamento di componenti importanti; la posizione esatta dei componenti del bypass; quali righe stampate sono importanti; quali linee devono controllare l'impedenza delle linee stampate; Quali linee devono corrispondere alla lunghezza; la dimensione dei componenti; quali linee stampate devono essere distanti (o vicine) tra loro; quali linee devono essere distanti (o vicine) l'una dall'altra; quali componenti devono essere lontani (o vicini) tra loro; quali componenti devono essere posizionati sulla parte superiore del PCB e quali sono posizionati sotto. Non lamentarti mai del fatto che ci siano troppe informazioni per gli altri o troppo poche? È troppo? Non farlo.

Un'esperienza di apprendimento: circa 10 anni fa, ho progettato un circuito stampato multistrato a montaggio superficiale: ci sono componenti su entrambi i lati della scheda. Usa molte viti per fissare la scheda in un guscio di alluminio placcato oro (perché ci sono indicatori antivibranti molto severi). I pin che forniscono il bias passano attraverso la scheda. Questo pin è collegato al PCB tramite fili di saldatura. Questo è un dispositivo molto complicato. Alcuni componenti della scheda vengono utilizzati per l'impostazione del test (SAT). Ma ho definito chiaramente la posizione di questi componenti. Riuscite a indovinare dove sono installati questi componenti? A proposito, sotto il tabellone. Quando gli ingegneri e i tecnici del prodotto hanno dovuto smontare l'intero dispositivo e rimontarlo dopo aver completato le impostazioni, sembravano molto insoddisfatti. Da allora non ho più commesso questo errore.

Posizione

Proprio come in un PCB, la posizione è tutto. Dove posizionare un circuito sul PCB, dove installare i suoi componenti circuitali specifici e quali sono gli altri circuiti adiacenti, tutti aspetti molto importanti.

Di solito, le posizioni di ingresso, uscita e alimentazione sono predeterminate, ma il circuito tra di loro deve "giocare con la propria creatività". Questo è il motivo per cui prestare attenzione ai dettagli del cablaggio produrrà enormi ritorni. Inizia con la posizione dei componenti chiave e considera il circuito specifico e l'intero PCB. Specificare fin dall'inizio la posizione dei componenti chiave e dei percorsi del segnale aiuta a garantire che il progetto soddisfi gli obiettivi di lavoro previsti. Ottenere il progetto giusto fin dall'inizio può ridurre i costi e la pressione e abbreviare il ciclo di sviluppo.

Bypassare la potenza

Bypassare l'alimentazione sul lato di potenza dell'amplificatore per ridurre il rumore è un aspetto molto importante nel processo di progettazione del PCB, inclusi amplificatori operazionali ad alta velocità o altri circuiti ad alta velocità. Esistono due metodi di configurazione comuni per bypassare gli amplificatori operazionali ad alta velocità.

Messa a terra del terminale di alimentazione: questo metodo è il più efficace nella maggior parte dei casi, utilizzando più condensatori paralleli per mettere a terra direttamente il pin di alimentazione dell'amplificatore operazionale. In generale, due condensatori in parallelo sono sufficienti, ma l'aggiunta di condensatori in parallelo può apportare vantaggi ad alcuni circuiti.

Il collegamento parallelo di condensatori con diversi valori di capacità aiuta a garantire che sul pin di alimentazione sia visibile solo una bassa impedenza di corrente alternata (CA) su un'ampia banda di frequenza. Ciò è particolarmente importante per la frequenza di attenuazione del rapporto di reiezione dell'alimentazione dell'amplificatore operazionale (PSR). Questo condensatore aiuta a compensare il PSR ridotto dell'amplificatore. Mantenere un percorso di terra a bassa impedenza in molti intervalli di dieci ottave aiuterà a garantire che il rumore dannoso non possa entrare nell'amplificatore operazionale. La Figura 1 mostra i vantaggi derivanti dall'utilizzo di più condensatori in parallelo. Alle basse frequenze, i condensatori di grandi dimensioni forniscono un percorso di terra a bassa impedenza. Ma una volta che la frequenza raggiunge la propria frequenza di risonanza, la capacità del condensatore si indebolirà e apparirà gradualmente induttiva. Questo è il motivo per cui è importante utilizzare più condensatori: quando la risposta in frequenza di un condensatore inizia a diminuire, la risposta in frequenza dell'altro condensatore inizia a funzionare, in modo che possa mantenere un'impedenza CA molto bassa in molti intervalli di dieci ottave.

Inizia direttamente con i pin di alimentazione dell'amplificatore operazionale; il condensatore con la capacità più piccola e le dimensioni fisiche più piccole dovrebbe essere posizionato sullo stesso lato del PCB dell'amplificatore operazionale e il più vicino possibile all'amplificatore. Il terminale di terra del condensatore deve essere collegato direttamente al piano di terra con il pin più corto o il filo stampato. Il collegamento fuori terra dovrebbe essere il più vicino possibile al terminale di carico dell'amplificatore per ridurre l'interferenza tra il terminale di alimentazione e il terminale di terra.

Questo processo dovrebbe essere ripetuto per i condensatori con il valore di capacità immediatamente superiore. È meglio iniziare con il valore di capacità minimo di 0,01 µF e posizionare accanto ad esso un condensatore elettrolitico da 2,2 µF (o più grande) con una bassa resistenza in serie equivalente (ESR). Il condensatore da 0,01 µF con custodia di dimensioni 0508 ha un'induttanza in serie molto bassa ed eccellenti prestazioni ad alta frequenza.

Da alimentazione ad alimentatore: un altro metodo di configurazione utilizza uno o più condensatori di bypass collegati tra i terminali di alimentazione positivo e negativo dell'amplificatore operazionale. Questo metodo viene solitamente utilizzato quando è difficile configurare quattro condensatori nel circuito. Lo svantaggio è che le dimensioni dell'involucro del condensatore possono aumentare poiché la tensione ai capi del condensatore è doppia rispetto al valore di tensione nel metodo di bypass ad alimentazione singola. L'aumento della tensione richiede un aumento della tensione di rottura nominale del dispositivo, ovvero un aumento delle dimensioni dell'alloggiamento. Tuttavia, questo metodo può migliorare le prestazioni PSR e distorsione.

Poiché ogni circuito e cablaggio è diverso, la configurazione, il numero e il valore della capacità dei condensatori devono essere determinati in base ai requisiti del circuito reale.