Zapojenie dosky plošných spojov (PCB) hrá kľúčovú úlohu vo vysokorýchlostných obvodoch, ale často je to jeden z posledných krokov v procese návrhu obvodu. S vysokorýchlostným zapojením PCB je veľa problémov a na túto tému bolo napísaných veľa literatúry. Tento článok sa zaoberá hlavne zapojením vysokorýchlostných obvodov z praktického hľadiska. Hlavným účelom je pomôcť novým používateľom venovať pozornosť mnohým rôznym problémom, ktoré je potrebné vziať do úvahy pri navrhovaní usporiadania plošných spojov vysokorýchlostných obvodov. Ďalším účelom je poskytnúť recenzný materiál pre zákazníkov, ktorí sa nejaký čas nedotkli elektroinštalácie PCB. Vzhľadom na obmedzené usporiadanie nemôže tento článok podrobne rozobrať všetky problémy, ale rozoberieme kľúčové časti, ktoré majú najväčší vplyv na zlepšenie výkonu obvodu, skrátenie času návrhu a úsporu času na úpravu.

Hoci sa tu hlavný dôraz kladie na obvody súvisiace s vysokorýchlostnými operačnými zosilňovačmi, problémy a metódy, o ktorých sa tu hovorí, sú všeobecne použiteľné na zapojenie používané vo väčšine ostatných vysokorýchlostných analógových obvodov. Keď operačný zosilňovač pracuje vo veľmi vysokom vysokofrekvenčnom (RF) frekvenčnom pásme, výkon obvodu do značnej miery závisí od rozloženia PCB. Konštrukcie vysokovýkonných obvodov, ktoré vyzerajú dobre na „nákresoch“, môžu dosiahnuť bežný výkon iba vtedy, ak sú ovplyvnené neopatrnosťou pri zapájaní. Predbežné zváženie a pozornosť venovaná dôležitým detailom počas procesu zapojenia pomôže zabezpečiť očakávaný výkon obvodu.

Schematický diagram

Hoci dobrá schéma nemôže zaručiť dobré zapojenie, dobré zapojenie začína dobrou schémou. Pri kreslení schémy dôkladne premýšľajte a musíte zvážiť tok signálu celého obvodu. Ak je v schéme normálny a stabilný tok signálu zľava doprava, potom by mal byť rovnako dobrý tok signálu na doske plošných spojov. Na schéme uveďte čo najviac užitočných informácií. Pretože niekedy tam nie je technik obvodového dizajnu, zákazníci nás požiadajú, aby sme pomohli vyriešiť problém s obvodom, dizajnéri, technici a inžinieri zapojení do tejto práce budú veľmi vďační, vrátane nás.

Aké informácie by mali byť uvedené v schéme okrem bežných referenčných identifikátorov, spotreby energie a tolerancie chýb? Tu je niekoľko návrhov, ako zmeniť bežné schémy na prvotriedne schémy. Pridajte priebehy, mechanické informácie o plášti, dĺžku vytlačených čiar, prázdne oblasti; uveďte, ktoré komponenty je potrebné umiestniť na dosku plošných spojov; poskytnúť informácie o nastavení, rozsahy hodnôt komponentov, informácie o rozptyle tepla, vytlačené riadky riadiacej impedancie, komentáre a krátke obvody Popis činnosti... (a iné).
Neverte nikomu

Ak si nenavrhujete elektroinštaláciu sami, určite si nechajte dostatok času na dôkladnú kontrolu návrhu elektroinštalácie. Malá prevencia stojí v tomto bode stonásobok nápravy. Nečakajte, že elektroinštalátor pochopí vaše nápady. Váš názor a poradenstvo sú najdôležitejšie v počiatočných fázach procesu návrhu elektroinštalácie. Čím viac informácií môžete poskytnúť a čím viac zasiahnete do celého procesu zapojenia, tým lepšia bude výsledná DPS. Nastavte predbežný bod dokončenia pre projektanta elektroinštalácie – rýchlu kontrolu podľa požadovanej správy o priebehu zapojenia. Táto metóda „uzavretej slučky“ zabraňuje zablúdeniu káblov, čím sa minimalizuje možnosť prepracovania.

Inštrukcie, ktoré je potrebné poskytnúť elektroinžinierovi, zahŕňajú: krátky popis funkcie obvodu, schematický diagram PCB s vyznačením vstupných a výstupných polôh, informácie o vrstvení PCB (napríklad, aká je hrúbka dosky, koľko vrstiev existujú podrobné informácie o každej signálovej vrstve a funkcii základnej roviny Spotreba energie, uzemňovací vodič, analógový signál, digitálny signál a RF signál); ktoré signály sú potrebné pre každú vrstvu; vyžadujú umiestnenie dôležitých komponentov; presné umiestnenie komponentov bypassu; ktoré tlačené riadky sú dôležité; ktoré linky potrebujú kontrolovať impedanciu tlačených liniek; Ktoré riadky musia zodpovedať dĺžke; veľkosť komponentov; ktoré vytlačené riadky musia byť ďaleko (alebo blízko) od seba; ktoré čiary musia byť ďaleko (alebo blízko) od seba; ktoré komponenty musia byť ďaleko (alebo blízko) od seba; ktoré súčiastky je potrebné umiestniť Na vrch PCB, ktoré sú umiestnené nižšie. Nikdy sa nesťažujte, že je pre ostatných príliš veľa informácií – príliš málo? Je to príliš veľa? nie.

Učebná skúsenosť: Asi pred 10 rokmi som navrhol viacvrstvovú dosku plošných spojov – na oboch stranách dosky sú komponenty. Pomocou množstva skrutiek upevnite dosku v pozlátenom hliníkovom plášti (pretože sú tam veľmi prísne antivibračné indikátory). Kolíky, ktoré zaisťujú predpätie, prechádzajú cez dosku. Tento kolík je spojený s doskou plošných spojov pomocou spájkovacích vodičov. Toto je veľmi komplikované zariadenie. Niektoré komponenty na doske sa používajú na testovacie nastavenie (SAT). Ale jasne som definoval umiestnenie týchto komponentov. Viete uhádnuť, kde sú tieto komponenty nainštalované? Mimochodom, pod doskou. Keď museli produktoví inžinieri a technici po dokončení nastavení celé zariadenie rozobrať a znova zložiť, pôsobili veľmi nešťastne. Odvtedy som už túto chybu nespravil.

pozícia

Rovnako ako v PCB, miesto je všetko. Kam umiestniť obvod na doske plošných spojov, kam nainštalovať jeho špecifické obvodové komponenty a aké ďalšie susedné obvody sú, to všetko je veľmi dôležité.

Pozície vstupu, výstupu a napájania sú zvyčajne vopred určené, ale obvod medzi nimi musí „hrať vlastnú kreativitu“. To je dôvod, prečo venovanie pozornosti detailom zapojenia prinesie obrovské výnosy. Začnite s umiestnením kľúčových komponentov a zvážte konkrétny obvod a celú dosku plošných spojov. Zadanie umiestnenia kľúčových komponentov a signálových ciest od začiatku pomáha zabezpečiť, aby návrh spĺňal očakávané pracovné ciele. Získanie správneho dizajnu na prvýkrát môže znížiť náklady a tlak – a skrátiť vývojový cyklus.

Obísť napájanie

Obídenie napájacieho zdroja na výkonovej strane zosilňovača za účelom zníženia šumu je veľmi dôležitým aspektom v procese návrhu PCB – vrátane vysokorýchlostných operačných zosilňovačov alebo iných vysokorýchlostných obvodov. Existujú dva bežné spôsoby konfigurácie na obídenie vysokorýchlostných operačných zosilňovačov.

Uzemnenie svorky napájacieho zdroja: Táto metóda je vo väčšine prípadov najúčinnejšia, pričom sa na priame uzemnenie kolíka napájania operačného zosilňovača používa viacero paralelných kondenzátorov. Vo všeobecnosti sú dva paralelné kondenzátory dostatočné, ale pridanie paralelných kondenzátorov môže byť prínosom pre niektoré obvody.

Paralelné zapojenie kondenzátorov s rôznymi hodnotami kapacity pomáha zabezpečiť, že na napájacom kolíku je v širokom frekvenčnom pásme vidieť iba nízku impedanciu striedavého prúdu (AC). Toto je obzvlášť dôležité pri frekvencii útlmu pomeru odmietnutia napájania operačného zosilňovača (PSR). Tento kondenzátor pomáha kompenzovať znížený PSR zosilňovača. Udržiavanie uzemňovacej dráhy s nízkou impedanciou v mnohých desaťoktávových rozsahoch pomôže zabezpečiť, aby sa do operačného zosilňovača nedostal škodlivý hluk. Obrázok 1 ukazuje výhody použitia viacerých kondenzátorov paralelne. Pri nízkych frekvenciách poskytujú veľké kondenzátory nízku impedanciu uzemňovacej dráhy. Ale akonáhle frekvencia dosiahne svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu, kapacita kondenzátora bude slabnúť a postupne sa javí ako indukčná. To je dôvod, prečo je dôležité použiť viacero kondenzátorov: keď frekvenčná odozva jedného kondenzátora začne klesať, frekvenčná odozva druhého kondenzátora začne pracovať, takže môže udržiavať veľmi nízku impedanciu striedavého prúdu v mnohých desaťoktávových rozsahoch.

Začnite priamo s napájacími kolíkmi operačného zosilňovača; kondenzátor s najmenšou kapacitou a najmenšou fyzickou veľkosťou by mal byť umiestnený na rovnakej strane PCB ako operačný zosilňovač – a čo najbližšie k zosilňovaču. Uzemňovacia svorka kondenzátora by mala byť priamo pripojená k uzemňovacej rovine najkratším kolíkom alebo tlačeným vodičom. Nadzemné spojenie by malo byť čo najbližšie k záťažovej svorke zosilňovača, aby sa znížilo rušenie medzi napájacou svorkou a uzemňovacou svorkou.

Tento proces by sa mal zopakovať pre kondenzátory s ďalšou najväčšou hodnotou kapacity. Najlepšie je začať s minimálnou hodnotou kapacity 0,01 µF a blízko k nej umiestniť 2,2 µF (alebo väčší) elektrolytický kondenzátor s nízkym ekvivalentným sériovým odporom (ESR). Kondenzátor 0,01 µF s veľkosťou puzdra 0508 má veľmi nízku sériovú indukčnosť a vynikajúci výkon pri vysokých frekvenciách.

Napájanie napájacieho zdroja: Iný spôsob konfigurácie používa jeden alebo viac bypassových kondenzátorov pripojených cez kladné a záporné napájacie svorky operačného zosilňovača. Táto metóda sa zvyčajne používa, keď je ťažké nakonfigurovať štyri kondenzátory v obvode. Jeho nevýhodou je, že veľkosť puzdra kondenzátora sa môže zväčšiť, pretože napätie na kondenzátore je dvojnásobkom hodnoty napätia pri metóde bypassu s jedným zdrojom. Zvýšenie napätia vyžaduje zvýšenie menovitého prierazného napätia zariadenia, to znamená zvýšenie veľkosti krytu. Táto metóda však môže zlepšiť výkon PSR a skreslenia.

Pretože každý obvod a zapojenie sú odlišné, konfigurácia, počet a hodnota kapacity kondenzátorov by sa mali určiť podľa požiadaviek skutočného obvodu.