De bedrading van printplaten (PCB's) speelt een sleutelrol in hogesnelheidscircuits, maar is vaak een van de laatste stappen in het circuitontwerpproces. Er zijn veel problemen met snelle PCB-bedrading en er is veel literatuur over dit onderwerp geschreven. In dit artikel wordt de bedrading van hogesnelheidscircuits vooral vanuit praktisch perspectief besproken. Het belangrijkste doel is om nieuwe gebruikers te helpen aandacht te besteden aan veel verschillende zaken waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van PCB-lay-outs voor hogesnelheidscircuits. Een ander doel is om beoordelingsmateriaal te bieden voor klanten die al een tijdje geen PCB-bedrading meer hebben aangeraakt. Vanwege de beperkte lay-out kan dit artikel niet alle problemen in detail bespreken, maar we zullen de belangrijkste onderdelen bespreken die het grootste effect hebben op het verbeteren van de circuitprestaties, het verkorten van de ontwerptijd en het besparen van wijzigingstijd.

Hoewel de nadruk hier vooral ligt op circuits die verband houden met snelle operationele versterkers, zijn de hier besproken problemen en methoden over het algemeen toepasbaar op bedrading die wordt gebruikt in de meeste andere snelle analoge circuits. Wanneer de operationele versterker in een zeer hoge radiofrequentie (RF) frequentieband werkt, hangen de prestaties van het circuit grotendeels af van de PCB-indeling. Hoogwaardige circuitontwerpen die er goed uitzien op de "tekeningen" kunnen alleen normale prestaties leveren als ze worden beïnvloed door onzorgvuldigheid tijdens de bedrading. Vooraf nadenken en aandacht voor belangrijke details tijdens het bedradingsproces helpen de verwachte circuitprestaties te garanderen.

Schematisch diagram

Hoewel een goed schema geen goede bedrading kan garanderen, begint een goede bedrading met een goed schema. Denk goed na bij het tekenen van het schema en houd rekening met de signaalstroom van het hele circuit. Als er in het schema een normale en stabiele signaalstroom van links naar rechts is, dan zou er op de printplaat dezelfde goede signaalstroom moeten zijn. Geef zoveel mogelijk nuttige informatie over het schema. Omdat de circuitontwerpingenieur er soms niet is, zullen klanten ons vragen om het circuitprobleem op te lossen. De ontwerpers, technici en ingenieurs die bij dit werk betrokken zijn, zullen ons zeer dankbaar zijn, inclusief ons.

Welke informatie moet er in het schema worden vermeld, naast de gewone referentie-ID's, het stroomverbruik en de fouttolerantie? Hier volgen enkele suggesties om gewone schema's om te zetten in eersteklas schema's. Voeg golfvormen toe, mechanische informatie over de schaal, lengte van afgedrukte lijnen, lege gebieden; geef aan welke componenten op de print geplaatst moeten worden; geef aanpassingsinformatie, componentwaardebereiken, informatie over warmtedissipatie, gedrukte regels voor de stuurimpedantie, commentaar en korte circuits. Actiebeschrijving... (en andere).
Geloof niemand

Als u de bedrading niet zelf ontwerpt, zorg er dan voor dat u ruim de tijd neemt om het ontwerp van de bedradingspersoon zorgvuldig te controleren. Een kleine preventie is op dit moment honderd keer de remedie waard. Verwacht niet dat de bedradingspersoon uw ideeën begrijpt. Uw mening en begeleiding zijn het belangrijkst in de vroege stadia van het bedradingsontwerpproces. Hoe meer informatie u kunt verstrekken en hoe meer u ingrijpt in het gehele bedradingsproces, hoe beter de resulterende printplaat zal zijn. Stel een voorlopig voltooiingspunt in voor de snelle controle van de bedradingsontwerpingenieur op basis van het gewenste bedradingsvoortgangsrapport. Deze “closed loop”-methode voorkomt dat de bedrading op een dwaalspoor terechtkomt, waardoor de kans op herbewerking tot een minimum wordt beperkt.

De instructies die aan de bedradingsingenieur moeten worden gegeven, zijn onder meer: ​​een korte beschrijving van de circuitfunctie, een schematisch diagram van de printplaat die de invoer- en uitvoerposities aangeeft, informatie over de stapeling van de printplaten (bijvoorbeeld hoe dik de plaat is, hoeveel lagen er zijn, en gedetailleerde informatie over elke signaallaag en aardvlakfunctie Stroomverbruik, aarddraad, analoog signaal, digitaal signaal en RF-signaal); welke signalen zijn per laag nodig; de plaatsing van belangrijke componenten vereisen; de exacte locatie van bypass-componenten; welke gedrukte lijnen belangrijk zijn; welke lijnen moeten de impedantie van gedrukte lijnen controleren; Welke lijnen moeten overeenkomen met de lengte; de grootte van de componenten; welke gedrukte lijnen ver weg (of dicht bij) elkaar moeten zijn; welke lijnen moeten ver weg (of dicht bij) elkaar liggen; welke componenten moeten ver weg (of dichtbij) van elkaar zijn; welke componenten moeten bovenop de print worden geplaatst, welke eronder worden geplaatst. Klaag nooit dat er te veel informatie is voor anderen, te weinig? Is het teveel? Niet doen.

Een leerervaring: ongeveer 10 jaar geleden ontwierp ik een meerlaagse printplaat voor opbouwmontage. Aan beide zijden van de plaat bevinden zich componenten. Gebruik veel schroeven om het bord in een vergulde aluminium behuizing te bevestigen (omdat er zeer strikte anti-vibratie-indicatoren zijn). De pinnen die voor bias-doorvoer zorgen, gaan door het bord. Deze pin is door middel van soldeerdraden met de print verbonden. Dit is een zeer ingewikkeld apparaat. Sommige componenten op het bord worden gebruikt voor testinstellingen (SAT). Maar ik heb de locatie van deze componenten duidelijk gedefinieerd. Kunt u raden waar deze componenten zijn geïnstalleerd? Trouwens, onder het bord. Toen productingenieurs en technici het hele apparaat moesten demonteren en opnieuw in elkaar moesten zetten nadat de instellingen waren voltooid, leken ze erg ongelukkig. Sindsdien heb ik deze fout niet meer gemaakt.

Positie

Net als bij een printplaat is locatie alles. Waar een circuit op de printplaat moet worden geplaatst, waar de specifieke circuitcomponenten moeten worden geïnstalleerd en wat andere aangrenzende circuits zijn, die allemaal erg belangrijk zijn.

Meestal zijn de posities van input, output en voeding vooraf bepaald, maar het circuit daartussen moet ‘hun eigen creativiteit spelen’. Dit is de reden waarom aandacht voor bedradingsdetails een enorm rendement zal opleveren. Begin met de locatie van de belangrijkste componenten en houd rekening met het specifieke circuit en de hele printplaat. Door vanaf het begin de locatie van de belangrijkste componenten en signaalpaden te specificeren, kunt u ervoor zorgen dat het ontwerp voldoet aan de verwachte werkdoelen. Als u voor de eerste keer het juiste ontwerp krijgt, kunt u de kosten en de druk verlagen en de ontwikkelingscyclus verkorten.

Omzeil de stroom

Het omzeilen van de voeding aan de voedingszijde van de versterker om ruis te verminderen is een zeer belangrijk aspect in het PCB-ontwerpproces, inclusief snelle operationele versterkers of andere hogesnelheidscircuits. Er zijn twee algemene configuratiemethoden voor het omzeilen van snelle operationele versterkers.

Aarding van de voedingsterminal: Deze methode is in de meeste gevallen het meest effectief, waarbij meerdere parallelle condensatoren worden gebruikt om de voedingspin van de operationele versterker rechtstreeks te aarden. Over het algemeen zijn twee parallelle condensatoren voldoende, maar het toevoegen van parallelle condensatoren kan sommige circuits ten goede komen.

Parallelle aansluiting van condensatoren met verschillende capaciteitswaarden zorgt ervoor dat alleen een lage wisselstroomimpedantie (AC) te zien is op de voedingspin over een brede frequentieband. Dit is vooral belangrijk bij de verzwakkingsfrequentie van de onderdrukkingsratio van de operationele versterker (PSR). Deze condensator helpt de verminderde PSR van de versterker te compenseren. Het handhaven van een aardpad met lage impedantie in veel bereiken van tien octaven zal ervoor zorgen dat schadelijke ruis de opamp niet kan binnendringen. Figuur 1 toont de voordelen van het parallel gebruiken van meerdere condensatoren. Bij lage frequenties zorgen grote condensatoren voor een aardpad met lage impedantie. Maar zodra de frequentie hun eigen resonantiefrequentie bereikt, zal de capaciteit van de condensator verzwakken en geleidelijk inductief lijken. Daarom is het belangrijk om meerdere condensatoren te gebruiken: wanneer de frequentierespons van de ene condensator begint te dalen, begint de frequentierespons van de andere condensator te werken, zodat deze een zeer lage AC-impedantie kan handhaven in veel bereiken van tien octaven.

Begin direct met de voedingspinnen van de opamp; de condensator met de kleinste capaciteit en de kleinste fysieke afmeting moet aan dezelfde kant van de PCB worden geplaatst als de opamp - en zo dicht mogelijk bij de versterker. De aardklem van de condensator moet rechtstreeks met het aardvlak worden verbonden met de kortste pin of gedrukte draad. De bovengrondse aansluiting moet zich zo dicht mogelijk bij de belastingsaansluiting van de versterker bevinden om de interferentie tussen de voedingsaansluiting en de aardaansluiting te verminderen.

Dit proces moet worden herhaald voor condensatoren met de volgende grootste capaciteitswaarde. Het is het beste om te beginnen met de minimale capaciteitswaarde van 0,01 µF en er dichtbij een elektrolytische condensator van 2,2 µF (of groter) met een lage equivalente serieweerstand (ESR) te plaatsen. De 0,01 µF condensator met een behuizingsgrootte van 0508 heeft een zeer lage serie-inductantie en uitstekende prestaties bij hoge frequenties.

Voeding naar voeding: Een andere configuratiemethode maakt gebruik van een of meer bypass-condensatoren die zijn aangesloten op de positieve en negatieve voedingsklemmen van de operationele versterker. Deze methode wordt meestal gebruikt als het moeilijk is om vier condensatoren in het circuit te configureren. Het nadeel is dat de behuizingsgrootte van de condensator kan toenemen omdat de spanning over de condensator tweemaal de spanningswaarde is bij de bypass-methode met enkele voeding. Het verhogen van de spanning vereist het verhogen van de nominale doorslagspanning van het apparaat, dat wil zeggen het vergroten van de behuizing. Deze methode kan echter de PSR- en vervormingsprestaties verbeteren.

Omdat elk circuit en elke bedrading anders is, moeten de configuratie, het aantal en de capaciteitswaarde van condensatoren worden bepaald op basis van de vereisten van het eigenlijke circuit.