חיווט מעגלים מודפסים (PCB) ממלא תפקיד מפתח במעגלים מהירים, אך לעתים קרובות זהו אחד השלבים האחרונים בתהליך תכנון המעגל. ישנן בעיות רבות בחיווט PCB במהירות גבוהה, והרבה ספרות נכתבה בנושא זה. מאמר זה דן בעיקר בחיווט של מעגלים מהירים מנקודת מבט מעשית. המטרה העיקרית היא לעזור למשתמשים חדשים לשים לב לנושאים רבים ושונים שיש לקחת בחשבון בעת ​​תכנון פריסות PCB של מעגלים מהירים. מטרה נוספת היא לספק חומר סקירה ללקוחות שלא נגעו בחיווט PCB במשך זמן מה. בשל הפריסה המצומצמת, מאמר זה אינו יכול לדון בפירוט בכל הנושאים, אך נדון בחלקי המפתח שיש להם את ההשפעה הגדולה ביותר על שיפור ביצועי המעגל, קיצור זמן התכנון וחיסכון בזמן השינוי.

למרות שההתמקדות העיקרית כאן היא במעגלים הקשורים למגברים תפעוליים מהירים, הבעיות והשיטות הנדונות כאן ישימות בדרך כלל לחיווט המשמש ברוב המעגלים האנלוגיים המהירים האחרים. כאשר המגבר התפעולי עובד ברצועת תדר רדיו גבוהה מאוד (RF), ביצועי המעגל תלויים במידה רבה בפריסת ה-PCB. עיצובי מעגלים בעלי ביצועים גבוהים שנראים טוב ב"שרטוטים" יכולים להשיג ביצועים רגילים רק אם הם מושפעים מחוסר זהירות במהלך החיווט. שיקול מראש ותשומת לב לפרטים חשובים לאורך תהליך החיווט יסייעו להבטיח את ביצועי המעגל הצפויים.

תרשים סכמטי

למרות שסכימה טובה לא יכולה להבטיח חיווט טוב, חיווט טוב מתחיל עם סכימה טובה. חשבו היטב בעת ציור הסכימה, ועליכם לשקול את זרימת האות של המעגל כולו. אם יש זרימת אות תקינה ויציבה משמאל לימין בסכמטי, אזי צריכה להיות אותה זרימת אות טובה על ה-PCB. תן כמה שיותר מידע שימושי על הסכימה. מכיוון שלפעמים מהנדס תכנון המעגלים אינו שם, הלקוחות יבקשו מאיתנו לעזור בפתרון בעיית המעגלים, המעצבים, הטכנאים והמהנדסים העוסקים בעבודה זו יהיו אסירי תודה, כולל אנחנו.

בנוסף למזהי התייחסות רגילים, צריכת חשמל וסובלנות שגיאות, איזה מידע צריך להינתן בסכימה? להלן כמה הצעות להפוך סכמטיקה רגילה לסכמטיקה מהשורה הראשונה. הוסף צורות גל, מידע מכני על המעטפת, אורך השורות המודפסות, אזורים ריקים; לציין אילו רכיבים יש למקם על ה-PCB; ספק מידע התאמה, טווחי ערכי רכיבים, מידע על פיזור חום, קווים מודפסים עכבת בקרה, הערות ומעגלים קצרים תיאור פעולה... (ואחרים).
אל תאמין לאף אחד

אם אינכם מתכננים את החיווט בעצמכם, הקפידו לאפשר מספיק זמן כדי לבדוק היטב את העיצוב של איש החיווט. מניעה קטנה שווה פי מאה מהתרופה בשלב זה. אל תצפה מאיש החיווט להבין את הרעיונות שלך. הדעה וההכוונה שלך הם החשובים ביותר בשלבים המוקדמים של תהליך תכנון החיווט. ככל שתוכל לספק יותר מידע, וככל שתתערב יותר בכל תהליך החיווט, כך ה-PCB המתקבל יהיה טוב יותר. הגדר נקודת השלמה זמנית עבור מהנדס תכנון החיווט בדיקה מהירה בהתאם לדוח התקדמות החיווט הרצוי. שיטת "לולאה סגורה" זו מונעת מהחיווט ללכת שולל, ובכך ממזערת את האפשרות לעבודה מחדש.

ההוראות שיש לתת למהנדס החיווט כוללות: תיאור קצר של פונקציית המעגל, דיאגרמה סכמטית של ה-PCB המציינת את עמדות הקלט והפלט, מידע ערימת PCB (לדוגמה, כמה עובי הלוח, כמה שכבות יש ומידע מפורט על כל שכבת אות ופונקציית מישור הארקה צריכת חשמל, חוט הארקה, אות אנלוגי, אות דיגיטלי ואות RF); אילו אותות נדרשים עבור כל שכבה; דורשים מיקום של רכיבים חשובים; המיקום המדויק של רכיבי עוקף; אילו קווים מודפסים חשובים; אילו קווים צריכים לשלוט בקווים מודפסים בעכבה; אילו קווים צריכים להתאים את האורך; גודל הרכיבים; אילו קווים מודפסים צריכים להיות רחוקים (או קרובים) זה לזה; אילו קווים צריכים להיות רחוקים (או קרובים) זה לזה; אילו רכיבים צריכים להיות רחוקים (או קרובים) זה לזה; אילו רכיבים צריכים להיות ממוקמים בחלק העליון של ה-PCB, אילו מהם ממוקמים מתחת. לעולם אל תתלונן שיש יותר מדי מידע לאחרים - מעט מדי? זה יותר מדי? אל תעשה.

חוויה לימודית: לפני כ-10 שנים, תכננתי לוח מעגלים להרכבה משטח רב שכבתי - ישנם רכיבים משני צידי הלוח. השתמשו בהרבה ברגים כדי לקבע את הלוח במעטפת אלומיניום מצופה זהב (מכיוון שיש מחוונים מאוד קפדניים נגד רעידות). הפינים המספקים הזנה הטיה עוברים דרך הלוח. סיכה זו מחוברת ל-PCB באמצעות חוטי הלחמה. זהו מכשיר מסובך מאוד. חלק מהרכיבים בלוח משמשים להגדרת בדיקה (SAT). אבל הגדרתי בבירור את המיקום של הרכיבים האלה. האם אתה יכול לנחש היכן הרכיבים הללו מותקנים? אגב, מתחת ללוח. כאשר מהנדסי וטכנאי מוצר נאלצו לפרק את המכשיר כולו ולהרכיב אותם מחדש לאחר השלמת ההגדרות, הם נראו מאוד אומללים. לא עשיתי את הטעות הזו שוב מאז.

מַצָב

בדיוק כמו ב-PCB, המיקום הוא הכל. היכן לשים מעגל על ​​ה-PCB, היכן להתקין את רכיבי המעגל הספציפיים שלו, ומהם עוד מעגלים סמוכים, כל אלה חשובים מאוד.

בדרך כלל, מיקומי הקלט, הפלט ואספקת החשמל נקבעים מראש, אך המעגל ביניהם צריך "לשחק את היצירתיות שלהם". זו הסיבה שתשומת לב לפרטי החיווט תניב תשואות אדירות. התחל עם המיקום של רכיבי מפתח וחשוב על המעגל הספציפי ועל כל ה-PCB. ציון המיקום של רכיבי מפתח ונתיבים אות מההתחלה עוזר להבטיח שהתכנון עומד ביעדי העבודה הצפויים. קבלת העיצוב הנכון בפעם הראשונה יכולה להפחית עלויות ולחץ - ולקצר את מחזור הפיתוח.

עוקף כוח

עקיפת אספקת החשמל בצד הכוח של המגבר על מנת להפחית רעש היא היבט חשוב מאוד בתהליך תכנון ה-PCB, כולל מגברים תפעוליים מהירים או מעגלים מהירים אחרים. ישנן שתי שיטות תצורה נפוצות לעקוף מגברים תפעוליים מהירים.

הארקת מסוף אספקת החשמל: שיטה זו היא היעילה ביותר ברוב המקרים, תוך שימוש במספר קבלים מקבילים להארקה ישירה של פין אספקת החשמל של המגבר התפעולי. באופן כללי, שני קבלים מקבילים מספיקים - אך הוספת קבלים מקבילים עשויה להועיל למעגלים מסוימים.

חיבור מקביל של קבלים עם ערכי קיבול שונים עוזר להבטיח שניתן לראות רק עכבה נמוכה של זרם חילופין (AC) על פין אספקת החשמל על פני רצועת תדרים רחבה. זה חשוב במיוחד בתדירות ההנחתה של יחס דחיית אספקת הכוח של המגבר התפעולי (PSR). קבל זה עוזר לפצות על ה-PSR המופחת של המגבר. שמירה על נתיב הארקה עם עכבה נמוכה בטווחים רבים של עשר אוקטבות תעזור להבטיח שרעש מזיק לא יוכל להיכנס למגבר ההפעלה. איור 1 מציג את היתרונות של שימוש במספר קבלים במקביל. בתדרים נמוכים, קבלים גדולים מספקים נתיב הארקה עם עכבה נמוכה. אבל ברגע שהתדר יגיע לתדר התהודה שלהם, הקיבול של הקבל ייחלש וייראה בהדרגה אינדוקטיבי. זו הסיבה שחשוב להשתמש במספר קבלים: כאשר תגובת התדר של קבל אחד מתחילה לרדת, תגובת התדר של הקבל השני מתחילה לעבוד, כך שהוא יכול לשמור על עכבת AC נמוכה מאוד בטווחים רבים של עשר אוקטבות.

התחל ישירות עם פיני אספקת החשמל של מגבר ההפעלה; הקבל עם הקיבול הקטן ביותר והגודל הפיזי הקטן ביותר צריך להיות ממוקם באותו צד של ה-PCB כמו מגבר ההפעלה - וקרוב ככל האפשר למגבר. מסוף ההארקה של הקבל צריך להיות מחובר ישירות למישור ההארקה עם הפין הקצר ביותר או החוט המודפס. חיבור ההארקה שלמעלה צריך להיות קרוב ככל האפשר למסוף העומס של המגבר על מנת להפחית את ההפרעות בין מסוף החשמל למסוף ההארקה.

יש לחזור על תהליך זה עבור קבלים עם ערך הקיבול הבא בגודלו. עדיף להתחיל עם ערך הקיבול המינימלי של 0.01 µF ולמקם קבל אלקטרוליטי של 2.2 µF (או יותר) עם התנגדות סדרה שווה ערך נמוכה (ESR) קרוב אליו. הקבל של 0.01 µF עם גודל מארז 0508 הוא בעל השראות סדרתית נמוכה מאוד וביצועים מצוינים בתדר גבוה.

אספקת חשמל לספק כוח: שיטת תצורה אחרת משתמשת בקבל עוקף אחד או יותר המחוברים על פני מסופי אספקת החשמל החיובי והשלילי של המגבר התפעולי. בדרך כלל משתמשים בשיטה זו כאשר קשה להגדיר ארבעה קבלים במעגל. החיסרון שלו הוא שגודל המארז של הקבל עשוי לגדול מכיוון שהמתח על פני הקבל הוא כפול מערך המתח בשיטת מעקף הספק יחיד. הגדלת המתח מחייבת הגדלת מתח התמוטטות המדורג של המכשיר, כלומר הגדלת גודל הדיור. עם זאת, שיטה זו יכולה לשפר את ביצועי ה-PSR והעיוות.

מכיוון שכל מעגל וחיווט שונים, יש לקבוע את התצורה, המספר וערך הקיבול של הקבלים בהתאם לדרישות המעגל בפועל.