Okablowanie płytek drukowanych (PCB) odgrywa kluczową rolę w obwodach o dużej prędkości, ale często jest jednym z ostatnich etapów procesu projektowania obwodów. Istnieje wiele problemów związanych z okablowaniem szybkich płytek drukowanych i napisano na ten temat wiele literatury. W tym artykule omówiono głównie okablowanie obwodów dużej prędkości z praktycznego punktu widzenia. Głównym celem jest pomoc nowym użytkownikom w zwróceniu uwagi na wiele różnych kwestii, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania układów PCB obwodów o dużej prędkości. Innym celem jest udostępnienie materiału recenzyjnego klientom, którzy od jakiegoś czasu nie mieli kontaktu z okablowaniem PCB. Ze względu na ograniczony układ w tym artykule nie można szczegółowo omówić wszystkich zagadnień, ale omówimy kluczowe części, które mają największy wpływ na poprawę wydajności obwodu, skrócenie czasu projektowania i oszczędność czasu na modyfikacje.

Chociaż skupiono się tutaj głównie na obwodach związanych z szybkimi wzmacniaczami operacyjnymi, omówione tutaj problemy i metody mają ogólne zastosowanie do okablowania stosowanego w większości innych szybkich obwodów analogowych. Gdy wzmacniacz operacyjny pracuje w paśmie częstotliwości o bardzo wysokiej częstotliwości radiowej (RF), wydajność obwodu w dużej mierze zależy od układu płytki drukowanej. Wysokowydajne projekty obwodów, które dobrze wyglądają na „rysunkach”, mogą uzyskać przeciętną wydajność tylko wtedy, gdy wpływa na nie niedbałość podczas okablowania. Wstępne rozważenie i zwrócenie uwagi na ważne szczegóły podczas całego procesu okablowania pomoże zapewnić oczekiwaną wydajność obwodu.

Schemat ideowy

Chociaż dobry schemat nie gwarantuje dobrego okablowania, dobre okablowanie zaczyna się od dobrego schematu. Rysując schemat, należy dokładnie się zastanowić i wziąć pod uwagę przepływ sygnału w całym obwodzie. Jeśli na schemacie występuje normalny i stabilny przepływ sygnału od lewej do prawej, to na płytce drukowanej powinien być taki sam dobry przepływ sygnału. Podaj jak najwięcej przydatnych informacji na schemacie. Ponieważ czasami nie ma na miejscu inżyniera projektującego obwody, klienci proszą nas o pomoc w rozwiązaniu problemu z obwodem, a projektanci, technicy i inżynierowie zaangażowani w tę pracę, łącznie z nami, będą bardzo wdzięczni.

Oprócz zwykłych identyfikatorów referencyjnych, zużycia energii i tolerancji błędów, jakie informacje należy podać na schemacie? Oto kilka sugestii, jak zamienić zwykłe schematy w schematy pierwszej klasy. Dodaj przebiegi, informacje mechaniczne o powłoce, długość drukowanych linii, puste obszary; wskazać, które elementy należy umieścić na płytce PCB; podaj informacje o regulacji, zakresy wartości komponentów, informacje o rozpraszaniu ciepła, wydrukowane linie impedancji sterującej, komentarze i krótkie obwody. Opis działania… (i inne).
Nie wierz nikomu

Jeśli nie projektujesz okablowania samodzielnie, pamiętaj o zarezerwowaniu wystarczającej ilości czasu na dokładne sprawdzenie projektu osoby wykonującej okablowanie. W tym momencie niewielka profilaktyka jest warta sto razy więcej niż lekarstwo. Nie oczekuj, że osoba zajmująca się okablowaniem zrozumie Twoje pomysły. Twoja opinia i wskazówki są najważniejsze na wczesnych etapach procesu projektowania okablowania. Im więcej informacji możesz podać i im częściej ingerujesz w cały proces okablowania, tym lepsza będzie otrzymana płytka PCB. Ustaw wstępny punkt zakończenia dla inżyniera projektującego okablowanie — szybka kontrola zgodnie z żądanym raportem postępu okablowania. Ta metoda „zamkniętej pętli” zapobiega błędnym okablowaniu, minimalizując w ten sposób możliwość przeróbek.

Instrukcje, które należy przekazać instalatorowi instalacji elektrycznych, obejmują: krótki opis funkcji obwodu, schemat płytki PCB ze wskazaniem pozycji wejściowych i wyjściowych, informacje o ułożeniu płytek PCB (na przykład grubość płytki, liczba warstw istnieją szczegółowe informacje na temat każdej warstwy sygnału i funkcji płaszczyzny uziemienia. Pobór mocy, przewód uziemiający, sygnał analogowy, sygnał cyfrowy i sygnał RF); jakie sygnały są wymagane dla każdej warstwy; wymagają umieszczenia ważnych komponentów; dokładna lokalizacja elementów obejścia; które drukowane linie są ważne; które linie muszą kontrolować impedancję wydrukowanych linii; Które linie muszą pasować do długości; wielkość komponentów; które drukowane linie muszą być daleko (lub blisko) siebie; które linie muszą być daleko (lub blisko) siebie; które komponenty muszą być daleko (lub blisko) od siebie; które elementy należy umieścić na górze płytki PCB, a które poniżej. Nigdy nie narzekaj, że dla innych jest za dużo informacji – za mało? Czy to za dużo? Nie.

Pouczające doświadczenie: Około 10 lat temu zaprojektowałem wielowarstwową płytkę drukowaną do montażu powierzchniowego — elementy znajdują się po obu stronach płytki. Do zamocowania płytki w pozłacanej aluminiowej obudowie (ponieważ istnieją bardzo rygorystyczne wskaźniki antywibracyjne) należy użyć dużej liczby śrub. Kołki zapewniające przejście polaryzacji przechodzą przez płytkę. Pin ten jest podłączony do płytki PCB za pomocą przewodów lutowniczych. To bardzo skomplikowane urządzenie. Niektóre komponenty na płycie służą do ustawiania testów (SAT). Ale jasno określiłem lokalizację tych elementów. Czy potrafisz zgadnąć, gdzie te komponenty są zainstalowane? Nawiasem mówiąc, pod deską. Kiedy inżynierowie i technicy produktu musieli rozebrać całe urządzenie i zmontować je ponownie po dokonaniu ustawień, wydawali się bardzo niezadowoleni. Od tamtej pory nie popełniłem już tego błędu.

Pozycja

Podobnie jak w PCB, lokalizacja jest wszystkim. Gdzie umieścić obwód na płytce drukowanej, gdzie zainstalować określone elementy obwodu i jakie są inne sąsiednie obwody – wszystko to jest bardzo ważne.

Zwykle pozycje wejścia, wyjścia i zasilania są z góry określone, ale obwód między nimi musi „grać według własnej kreatywności”. Dlatego zwracanie uwagi na szczegóły okablowania przyniesie ogromne zyski. Zacznij od lokalizacji kluczowych komponentów i rozważ konkretny obwód i całą płytkę PCB. Określenie od początku lokalizacji kluczowych podzespołów i ścieżek sygnałowych pozwala mieć pewność, że projekt spełni zakładane cele pracy. Uzyskanie odpowiedniego projektu za pierwszym razem może zmniejszyć koszty i presję, a także skrócić cykl rozwoju.

Obejście zasilania

Obejście zasilania po stronie zasilania wzmacniacza w celu redukcji szumów jest bardzo ważnym aspektem w procesie projektowania płytek PCB – włączając w to szybkie wzmacniacze operacyjne lub inne obwody o dużej prędkości. Istnieją dwie popularne metody konfiguracji omijania szybkich wzmacniaczy operacyjnych.

Uziemienie zacisku zasilania: Ta metoda jest w większości przypadków najskuteczniejsza i polega na wykorzystaniu wielu równoległych kondensatorów do bezpośredniego uziemienia styku zasilania wzmacniacza operacyjnego. Ogólnie rzecz biorąc, dwa równoległe kondensatory wystarczą, ale dodanie równoległych kondensatorów może przynieść korzyści w niektórych obwodach.

Równoległe połączenie kondensatorów o różnych wartościach pojemności pomaga zapewnić, że na pinie zasilania w szerokim paśmie częstotliwości widoczna będzie tylko niska impedancja prądu przemiennego (AC). Jest to szczególnie ważne przy częstotliwości tłumienia współczynnika tłumienia zasilania wzmacniacza operacyjnego (PSR). Kondensator ten pomaga zrekompensować zmniejszony PSR wzmacniacza. Utrzymanie ścieżki uziemiającej o niskiej impedancji w wielu zakresach dziesięciooktawowych pomoże zapewnić, że szkodliwy szum nie przedostanie się do wzmacniacza operacyjnego. Rysunek 1 pokazuje zalety stosowania wielu kondensatorów równolegle. Przy niskich częstotliwościach duże kondensatory zapewniają ścieżkę uziemiającą o niskiej impedancji. Ale gdy częstotliwość osiągnie własną częstotliwość rezonansową, pojemność kondensatora osłabnie i stopniowo będzie miała charakter indukcyjny. Dlatego ważne jest, aby używać wielu kondensatorów: kiedy charakterystyka częstotliwościowa jednego kondensatora zaczyna spadać, charakterystyka częstotliwościowa drugiego kondensatora zaczyna działać, dzięki czemu może on utrzymać bardzo niską impedancję prądu przemiennego w wielu dziesięciooktawowych zakresach.

Zacznij bezpośrednio od pinów zasilania wzmacniacza operacyjnego; kondensator o najmniejszej pojemności i najmniejszym rozmiarze fizycznym powinien zostać umieszczony po tej samej stronie płytki drukowanej, co wzmacniacz operacyjny i jak najbliżej wzmacniacza. Zacisk uziemiający kondensatora należy połączyć bezpośrednio z płaszczyzną uziemienia za pomocą najkrótszego pinu lub przewodu drukowanego. Powyższe połączenie uziemiające powinno znajdować się jak najbliżej zacisku obciążenia wzmacniacza, aby zmniejszyć zakłócenia pomiędzy zaciskiem zasilania a zaciskiem uziemienia.

Proces ten należy powtórzyć dla kondensatorów o kolejnej największej wartości pojemności. Najlepiej zacząć od minimalnej wartości pojemności wynoszącej 0,01 µF i umieścić w jej pobliżu kondensator elektrolityczny o pojemności 2,2 µF (lub większy) i niskiej zastępczej rezystancji szeregowej (ESR). Kondensator 0,01 µF w obudowie o rozmiarze 0508 charakteryzuje się bardzo niską indukcyjnością szeregową i doskonałą wydajnością w wysokich częstotliwościach.

Zasilanie do zasilacza: Inna metoda konfiguracji wykorzystuje jeden lub więcej kondensatorów bocznikowych podłączonych do dodatnich i ujemnych zacisków zasilania wzmacniacza operacyjnego. Tę metodę stosuje się zwykle, gdy trudno jest skonfigurować cztery kondensatory w obwodzie. Jego wadą jest to, że rozmiar obudowy kondensatora może się zwiększyć, ponieważ napięcie na kondensatorze jest dwukrotnie większe od wartości napięcia w metodzie obejścia z pojedynczym zasilaniem. Zwiększenie napięcia wymaga zwiększenia znamionowego napięcia przebicia urządzenia, czyli zwiększenia wymiarów obudowy. Jednakże ta metoda może poprawić wydajność PSR i zniekształceń.

Ponieważ każdy obwód i okablowanie jest inne, konfigurację, liczbę i wartość pojemności kondensatorów należy określić zgodnie z wymaganiami rzeczywistego obwodu.