A fiação da placa de circuito impresso (PCB) desempenha um papel fundamental em circuitos de alta velocidade, mas geralmente é uma das últimas etapas no processo de projeto do circuito. Existem muitos problemas com a fiação de PCB de alta velocidade e muita literatura foi escrita sobre esse assunto. Este artigo discute principalmente a fiação de circuitos de alta velocidade de uma perspectiva prática. O objetivo principal é ajudar os novos usuários a prestar atenção a muitas questões diferentes que precisam ser consideradas ao projetar layouts de PCB de circuito de alta velocidade. Outro objetivo é fornecer um material de revisão para clientes que não tocam na fiação da PCB há algum tempo. Devido ao layout limitado, este artigo não pode discutir todos os problemas em detalhes, mas discutiremos as partes principais que têm maior efeito na melhoria do desempenho do circuito, na redução do tempo de projeto e no tempo de modificação.

Embora o foco principal aqui seja em circuitos relacionados a amplificadores operacionais de alta velocidade, os problemas e métodos discutidos aqui são geralmente aplicáveis ​​à fiação usada na maioria dos outros circuitos analógicos de alta velocidade. Quando o amplificador operacional funciona em uma banda de frequência de rádio (RF) muito alta, o desempenho do circuito depende muito do layout da PCB. Projetos de circuitos de alto desempenho que ficam bem nos “desenhos” só podem obter desempenho normal se forem afetados por descuidos durante a fiação. A pré-consideração e a atenção a detalhes importantes durante todo o processo de fiação ajudarão a garantir o desempenho esperado do circuito.

Diagrama esquemático

Embora um bom esquema não possa garantir uma boa fiação, uma boa fiação começa com um bom esquema. Pense cuidadosamente ao desenhar o esquema e considere o fluxo de sinal de todo o circuito. Se houver um fluxo de sinal normal e estável da esquerda para a direita no esquema, então deverá haver o mesmo fluxo de sinal bom no PCB. Forneça o máximo de informações úteis possível no esquema. Como às vezes o engenheiro de projeto do circuito não está presente, os clientes nos pedirão para ajudar a resolver o problema do circuito, os projetistas, técnicos e engenheiros envolvidos neste trabalho ficarão muito gratos, inclusive nós.

Além dos identificadores de referência comuns, do consumo de energia e da tolerância a erros, que informações devem ser fornecidas no esquema? Aqui estão algumas sugestões para transformar esquemas comuns em esquemas de primeira classe. Adicione formas de onda, informações mecânicas sobre o invólucro, comprimento das linhas impressas, áreas em branco; indique quais componentes precisam ser colocados na PCB; forneça informações de ajuste, faixas de valores dos componentes, informações de dissipação de calor, linhas impressas de impedância de controle, comentários e breves circuitos Descrição da ação... (e outros).
Não acredite em ninguém

Se você não estiver projetando a fiação sozinho, reserve tempo suficiente para verificar cuidadosamente o projeto do responsável pela fiação. Uma pequena prevenção vale cem vezes mais que o remédio neste momento. Não espere que o responsável pela fiação entenda suas idéias. Sua opinião e orientação são as mais importantes nos estágios iniciais do processo de projeto da fiação. Quanto mais informações você puder fornecer e quanto mais intervir em todo o processo de fiação, melhor será o PCB resultante. Defina um ponto de conclusão provisório para a verificação rápida do engenheiro de projeto de fiação de acordo com o relatório de progresso da fiação desejado. Este método de “circuito fechado” evita que a fiação se extravie, minimizando assim a possibilidade de retrabalho.

As instruções que precisam ser fornecidas ao engenheiro de fiação incluem: uma breve descrição da função do circuito, um diagrama esquemático da PCB indicando as posições de entrada e saída, informações de empilhamento da PCB (por exemplo, a espessura da placa, quantas camadas existem informações detalhadas sobre cada camada de sinal e função do plano de aterramento Consumo de energia, fio terra, sinal analógico, sinal digital e sinal de RF); quais sinais são necessários para cada camada; requerem a colocação de componentes importantes; a localização exata dos componentes do bypass; quais linhas impressas são importantes; quais linhas precisam controlar a impedância das linhas impressas; Quais linhas precisam corresponder ao comprimento; o tamanho dos componentes; quais linhas impressas precisam estar distantes (ou próximas) umas das outras; quais linhas precisam estar distantes (ou próximas) umas das outras; quais componentes precisam estar distantes (ou próximos) uns dos outros; quais componentes precisam ser colocados na parte superior do PCB, quais são colocados abaixo. Nunca reclame que há muita informação para os outros – pouca? É demais? Não.

Uma experiência de aprendizado: Cerca de 10 anos atrás, projetei uma placa de circuito multicamadas para montagem em superfície - há componentes em ambos os lados da placa. Use muitos parafusos para fixar a placa em uma carcaça de alumínio banhado a ouro (porque existem indicadores antivibração muito rígidos). Os pinos que fornecem passagem de polarização passam pela placa. Este pino é conectado ao PCB por meio de fios de solda. Este é um dispositivo muito complicado. Alguns componentes da placa são usados ​​para configuração de teste (SAT). Mas defini claramente a localização desses componentes. Você consegue adivinhar onde esses componentes estão instalados? A propósito, embaixo do tabuleiro. Quando os engenheiros e técnicos de produto tiveram que desmontar todo o dispositivo e remontá-lo após concluir as configurações, eles pareciam muito infelizes. Não cometi esse erro novamente desde então.

Posição

Assim como em um PCB, a localização é tudo. Onde colocar um circuito na PCB, onde instalar seus componentes específicos do circuito e quais são os outros circuitos adjacentes, todos muito importantes.

Normalmente, as posições de entrada, saída e fonte de alimentação são pré-determinadas, mas o circuito entre elas precisa “jogar com sua própria criatividade”. É por isso que prestar atenção aos detalhes da fiação produzirá enormes retornos. Comece com a localização dos principais componentes e considere o circuito específico e todo o PCB. Especificar a localização dos principais componentes e caminhos de sinal desde o início ajuda a garantir que o projeto atenda aos objetivos de trabalho esperados. Obter o design certo na primeira vez pode reduzir custos e pressão – e encurtar o ciclo de desenvolvimento.

Ignorar energia

Ignorar a fonte de alimentação do lado de potência do amplificador para reduzir o ruído é um aspecto muito importante no processo de design de PCB - incluindo amplificadores operacionais de alta velocidade ou outros circuitos de alta velocidade. Existem dois métodos de configuração comuns para contornar amplificadores operacionais de alta velocidade.

Aterramento do terminal da fonte de alimentação: Este método é o mais eficaz na maioria dos casos, usando vários capacitores paralelos para aterrar diretamente o pino da fonte de alimentação do amplificador operacional. De modo geral, dois capacitores paralelos são suficientes, mas adicionar capacitores paralelos pode beneficiar alguns circuitos.

A conexão paralela de capacitores com diferentes valores de capacitância ajuda a garantir que apenas baixa impedância de corrente alternada (CA) possa ser vista no pino da fonte de alimentação em uma ampla faixa de frequência. Isto é especialmente importante na frequência de atenuação da taxa de rejeição da fonte de alimentação do amplificador operacional (PSR). Este capacitor ajuda a compensar o PSR reduzido do amplificador. Manter um caminho de aterramento de baixa impedância em muitas faixas de dez oitavas ajudará a garantir que ruídos prejudiciais não possam entrar no amplificador operacional. A Figura 1 mostra as vantagens de usar vários capacitores em paralelo. Em baixas frequências, grandes capacitores fornecem um caminho de aterramento de baixa impedância. Mas quando a frequência atingir sua própria frequência de ressonância, a capacitância do capacitor enfraquecerá e gradualmente parecerá indutiva. É por isso que é importante usar múltiplos capacitores: quando a resposta de frequência de um capacitor começa a cair, a resposta de frequência do outro capacitor começa a funcionar, para que ele possa manter uma impedância CA muito baixa em muitas faixas de dez oitavas.

Comece diretamente com os pinos da fonte de alimentação do amplificador operacional; o capacitor com menor capacitância e menor tamanho físico deve ser colocado no mesmo lado da placa de circuito impresso que o amplificador operacional - e o mais próximo possível do amplificador. O terminal de aterramento do capacitor deve ser conectado diretamente ao plano de aterramento com o pino mais curto ou fio impresso. A conexão acima do aterramento deve ser o mais próxima possível do terminal de carga do amplificador para reduzir a interferência entre o terminal de alimentação e o terminal de aterramento.

Este processo deve ser repetido para capacitores com o próximo maior valor de capacitância. É melhor começar com o valor mínimo de capacitância de 0,01 µF e colocar um capacitor eletrolítico de 2,2 µF (ou maior) com baixa resistência em série equivalente (ESR) próximo a ele. O capacitor de 0,01 µF com tamanho de caixa 0508 tem indutância em série muito baixa e excelente desempenho em alta frequência.

Fonte de alimentação para fonte de alimentação: Outro método de configuração usa um ou mais capacitores de bypass conectados aos terminais de alimentação positivo e negativo do amplificador operacional. Este método geralmente é usado quando é difícil configurar quatro capacitores no circuito. Sua desvantagem é que o tamanho da caixa do capacitor pode aumentar porque a tensão através do capacitor é duas vezes o valor da tensão no método de bypass de alimentação única. Aumentar a tensão requer aumentar a tensão nominal de ruptura do dispositivo, ou seja, aumentar o tamanho do invólucro. No entanto, este método pode melhorar o desempenho do PSR e da distorção.

Como cada circuito e fiação são diferentes, a configuração, o número e o valor da capacitância dos capacitores devem ser determinados de acordo com os requisitos do circuito real.