プリント基板 (PCB) 配線は高速回路において重要な役割を果たしますが、多くの場合、それは回路設計プロセスの最後のステップの 1 つです。高速 PCB 配線には多くの問題があり、このトピックに関しては多くの文献が書かれています。この記事では、主に高速回路の配線について実用的な観点から説明します。主な目的は、高速回路の PCB レイアウトを設計する際に考慮する必要があるさまざまな問題に新規ユーザーが注意を向けられるようにすることです。もう一つの目的は、しばらく基板配線に触れていないお客様への復習資料を提供することです。レイアウトが限られているため、この記事ではすべての問題を詳しく説明することはできませんが、回路性能の向上、設計時間の短縮、および修正時間の節約に最も大きな影響を与える重要な部品について説明します。
ここでは主に高速オペアンプに関連する回路に焦点を当てていますが、ここで説明する問題と方法は一般に、他のほとんどの高速アナログ回路で使用される配線に適用できます。オペアンプが非常に高い無線周波数 (RF) 周波数帯域で動作する場合、回路の性能は PCB レイアウトに大きく依存します。 「図面」に映える高性能な回路設計も、配線時の不注意によっては通常の性能しか得られません。配線プロセス全体にわたって重要な詳細を事前に検討し、注意を払うことは、期待される回路性能を確保するのに役立ちます。
模式図
適切な回路図が適切な配線を保証するわけではありませんが、適切な配線は適切な回路図から始まります。回路図を描くときは慎重に考えて、回路全体の信号の流れを考慮する必要があります。回路図の左から右へ正常で安定した信号の流れがある場合、PCB 上にも同じ良好な信号の流れがあるはずです。回路図にできるだけ多くの有益な情報を記載してください。回路設計エンジニアが不在の場合もあり、お客様からは回路の問題解決を手伝ってほしいと依頼されることがありますが、私たちを含め、この仕事に従事する設計者、技術者、エンジニアは非常に感謝しています。
通常の参照識別子、消費電力、エラー許容度に加えて、回路図にはどのような情報を記載する必要がありますか?ここでは、普通の回路図を一流の回路図に変えるためのいくつかの提案を示します。波形、シェルに関する機械的情報、印刷された線の長さ、空白領域を追加します。どのコンポーネントを PCB に配置する必要があるかを示します。調整情報、コンポーネントの値の範囲、放熱情報、制御インピーダンスの印刷線、コメント、簡単な回路、動作の説明などを提供します... (その他)。
誰も信じないでください
自分で配線を設計しない場合は、配線担当者の設計を慎重に確認するために十分な時間を確保してください。現時点では、小さな予防策が治療法の 100 倍の価値があります。配線担当者があなたのアイデアを理解できるとは期待しないでください。配線設計プロセスの初期段階では、お客様の意見と指導が最も重要です。提供できる情報が多ければ多いほど、配線プロセス全体に介入すればするほど、より良い PCB が得られます。必要な配線進捗レポートに従って、配線設計エンジニアのクイックチェックのための仮の完了ポイントを設定します。この「閉ループ」方式により、配線の迷走が防止され、やり直しの可能性が最小限に抑えられます。
配線エンジニアに与える必要がある指示には、回路機能の簡単な説明、入出力位置を示す PCB の概略図、PCB の積層情報 (たとえば、基板の厚さ、層の数など) が含まれます。各信号層とグランドプレーンの機能に関する詳細情報 (消費電力、グランド線、アナログ信号、デジタル信号、RF 信号) があります。各層にどの信号が必要か。重要なコンポーネントの配置が必要です。バイパスコンポーネントの正確な位置。どの印刷行が重要であるか。どのラインがインピーダンスを制御する必要があるか、印刷されたライン。どの行の長さを一致させる必要があるか。コンポーネントのサイズ。どの印刷行が互いに遠く（または近く）なければならないか。どの線が互いに遠く（または近く）なければならないか。どのコンポーネントを互いに遠く（または近く）配置する必要があるか。どのコンポーネントを PCB の上に配置する必要があり、どのコンポーネントを下に配置するか。他の人にとって情報が多すぎる、少なすぎるなどと決して文句を言わないでください。多すぎますか？しないでください。
学習経験: 約 10 年前、私は多層表面実装回路基板を設計しました。基板の両面にコンポーネントがあります。金メッキのアルミニウムシェルにボードを固定するには、たくさんのネジを使用します (非常に厳格な防振インジケータがあるため)。バイアスフィードスルーを提供するピンはボードを貫通します。このピンは、はんだ付けワイヤによって PCB に接続されます。これは非常に複雑な装置です。ボード上の一部のコンポーネントはテスト設定 (SAT) に使用されます。ただし、これらのコンポーネントの場所を明確に定義しました。これらのコンポーネントがどこにインストールされているか推測できますか?ちなみに基板の下。製品エンジニアや技術者は、デバイス全体を分解し、設定を完了した後に再組み立てしなければならないとき、非常に不満そうでした。それ以来、私はこの間違いを二度と犯していません。
位置
PCB と同様に、場所がすべてです。 PCB 上のどこに回路を配置するか、その特定の回路コンポーネントをどこに取り付けるか、他の隣接回路が何であるか、これらはすべて非常に重要です。
通常、入力、出力、電源の位置は決まっていますが、その間の回路は「独自の創造性を発揮する」必要があります。このため、配線の詳細に注意を払うと大きな利益が得られます。主要なコンポーネントの位置から始めて、特定の回路と PCB 全体を検討します。主要なコンポーネントと信号パスの位置を最初から指定すると、設計が期待される作業目標を確実に満たすことができます。初めて適切な設計を行うことで、コストとプレッシャーが軽減され、開発サイクルが短縮されます。
バイパス電源
ノイズを低減するためにアンプの電源側の電源をバイパスすることは、高速オペアンプやその他の高速回路を含む PCB 設計プロセスにおいて非常に重要な側面です。高速オペアンプをバイパスするには 2 つの一般的な構成方法があります。
電源端子の接地: ほとんどの場合、複数の並列コンデンサを使用してオペアンプの電源端子を直接接地するこの方法が最も効果的です。一般に、2 つの並列コンデンサで十分ですが、回路によっては並列コンデンサを追加すると効果が得られる場合があります。
異なる静電容量値を持つコンデンサを並列接続すると、広い周波数帯域にわたって電源ピンに低い交流 (AC) インピーダンスのみが現れるようになります。これは、オペアンプの電源電圧変動除去比 (PSR) の減衰周波数において特に重要です。このコンデンサは、アンプの低下した PSR を補償するのに役立ちます。多くの 10 オクターブ範囲で低インピーダンスのグランド パスを維持すると、有害なノイズがオペアンプに侵入するのを確実に防ぐことができます。図 1 は、複数のコンデンサを並列に使用する利点を示しています。低周波数では、大きなコンデンサが低インピーダンスのグランド パスを提供します。しかし、周波数がコンデンサ自身の共振周波数に達すると、コンデンサの静電容量が弱くなり、徐々に誘導性が現れます。これが、複数のコンデンサを使用することが重要である理由です。1 つのコンデンサの周波数応答が低下し始めると、もう 1 つのコンデンサの周波数応答が機能し始め、10 オクターブの範囲で非常に低い AC インピーダンスを維持できます。
オペアンプの電源ピンから直接始めます。最小の静電容量と最小の物理サイズのコンデンサは、PCB のオペアンプと同じ側、およびアンプのできるだけ近くに配置する必要があります。コンデンサのグランド端子は、最短のピンまたはプリントワイヤでグランドプレーンに直接接続する必要があります。電源端子とグランド端子間の干渉を減らすために、上記のグランド接続はアンプの負荷端子にできるだけ近づける必要があります。
次に大きい静電容量値を持つコンデンサに対してこのプロセスを繰り返す必要があります。最小静電容量値 0.01 µF から始めて、等価直列抵抗 (ESR) が低い 2.2 µF (またはそれ以上) の電解コンデンサをその近くに配置することが最善です。 0508 ケースサイズの 0.01 µF コンデンサは、直列インダクタンスが非常に低く、優れた高周波性能を備えています。
電源間: 別の構成方法では、オペアンプの正電源端子と負電源端子の間に接続された 1 つ以上のバイパス コンデンサを使用します。この方法は通常、回路内に 4 つのコンデンサを構成することが難しい場合に使用されます。欠点は、コンデンサの両端の電圧が単電源バイパス方式の電圧値の 2 倍になるため、コンデンサのケースサイズが大きくなる可能性があることです。電圧を高くするには、機器の定格耐圧を上げる、つまり筐体を大きくする必要があります。ただし、この方法では PSR と歪みのパフォーマンスを向上させることができます。
各回路や配線が異なるため、実際の回路の要件に応じてコンデンサの構成、数、容量値を決定する必要があります。