การเดินสายแผงวงจรพิมพ์ (PCB) มีบทบาทสำคัญในวงจรความเร็วสูง แต่มักจะเป็นหนึ่งในขั้นตอนสุดท้ายในกระบวนการออกแบบวงจร มีปัญหามากมายกับการเดินสาย PCB ความเร็วสูงและมีการเขียนวรรณกรรมมากมายในหัวข้อนี้ บทความนี้จะกล่าวถึงการเดินสายของวงจรความเร็วสูงเป็นหลักจากมุมมองเชิงปฏิบัติ วัตถุประสงค์หลักคือการช่วยให้ผู้ใช้ใหม่ใส่ใจกับปัญหาต่างๆ มากมายที่ต้องพิจารณาเมื่อออกแบบโครงร่าง PCB วงจรความเร็วสูง จุดประสงค์อีกประการหนึ่งคือเพื่อจัดทำเอกสารการตรวจสอบสำหรับลูกค้าที่ไม่ได้สัมผัสสายไฟ PCB มาระยะหนึ่งแล้ว เนื่องจากรูปแบบที่จำกัด บทความนี้จึงไม่สามารถกล่าวถึงประเด็นทั้งหมดโดยละเอียดได้ แต่เราจะพูดถึงส่วนสำคัญที่มีผลกระทบมากที่สุดในการปรับปรุงประสิทธิภาพของวงจร ลดเวลาในการออกแบบ และประหยัดเวลาในการปรับเปลี่ยน

แม้ว่าจุดสนใจหลักในที่นี้จะอยู่ที่วงจรที่เกี่ยวข้องกับแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงานความเร็วสูง แต่ปัญหาและวิธีการที่กล่าวถึงในที่นี้โดยทั่วไปจะใช้ได้กับการเดินสายที่ใช้ในวงจรแอนะล็อกความเร็วสูงอื่นๆ ส่วนใหญ่ เมื่อแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการทำงานในย่านความถี่วิทยุ (RF) ที่สูงมาก ประสิทธิภาพของวงจรส่วนใหญ่จะขึ้นอยู่กับโครงร่าง PCB การออกแบบวงจรประสิทธิภาพสูงที่ดูดีบน "แบบร่าง" จะได้รับประสิทธิภาพปกติเท่านั้นหากได้รับผลกระทบจากความประมาทระหว่างการเดินสายไฟ การพิจารณาล่วงหน้าและการใส่ใจในรายละเอียดที่สำคัญตลอดกระบวนการเดินสายไฟจะช่วยให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพของวงจรที่คาดหวัง

แผนผัง

แม้ว่าแผนผังที่ดีไม่สามารถรับประกันการเดินสายไฟที่ดีได้ แต่การเดินสายไฟที่ดีจะเริ่มต้นด้วยแผนผังที่ดี คิดให้รอบคอบเมื่อวาดแผนผัง และคุณต้องพิจารณาการไหลของสัญญาณของวงจรทั้งหมด หากมีการไหลของสัญญาณปกติและเสถียรจากซ้ายไปขวาในแผนผัง ก็ควรมีการไหลของสัญญาณที่ดีเหมือนกันบน PCB ให้ข้อมูลที่เป็นประโยชน์มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในแผนผัง เพราะบางครั้งวิศวกรออกแบบวงจรไม่อยู่ ลูกค้าก็จะขอให้เราช่วยแก้ปัญหาวงจร นักออกแบบ ช่างเทคนิค และวิศวกรที่ร่วมงานนี้จะขอบคุณมากรวมทั้งเราด้วย

นอกเหนือจากตัวระบุอ้างอิงทั่วไป การใช้พลังงาน และความทนทานต่อข้อผิดพลาดแล้ว ควรระบุข้อมูลใดในแผนผัง ต่อไปนี้เป็นคำแนะนำในการเปลี่ยนแผนงานธรรมดาให้เป็นแผนงานชั้นหนึ่ง เพิ่มรูปคลื่น ข้อมูลทางกลเกี่ยวกับเปลือก ความยาวของเส้นที่พิมพ์ พื้นที่ว่าง ระบุส่วนประกอบที่ต้องวางบน PCB ให้ข้อมูลการปรับแต่ง ช่วงค่าส่วนประกอบ ข้อมูลการกระจายความร้อน บรรทัดที่พิมพ์อิมพีแดนซ์ควบคุม ข้อคิดเห็น และวงจรย่อ คำอธิบายการดำเนินการ… (และอื่นๆ)
อย่าเชื่อใครเลย

หากคุณไม่ได้ออกแบบการเดินสายไฟด้วยตัวเอง ต้องแน่ใจว่าได้เผื่อเวลาไว้เพียงพอในการตรวจสอบการออกแบบของผู้เดินสายไฟอย่างรอบคอบ การป้องกันเล็กๆ น้อยๆ มีค่าเป็นร้อยเท่าของการรักษา ณ จุดนี้ อย่าคาดหวังว่าเจ้าหน้าที่จะเข้าใจความคิดของคุณ ความคิดเห็นและคำแนะนำของคุณเป็นสิ่งสำคัญที่สุดในขั้นตอนแรกของกระบวนการออกแบบสายไฟ ยิ่งคุณสามารถให้ข้อมูลได้มากเท่าไร และยิ่งคุณเข้าไปแทรกแซงกระบวนการเดินสายทั้งหมดมากเท่าใด PCB ที่ได้ก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น กำหนดจุดเสร็จสมบูรณ์เบื้องต้นสำหรับวิศวกรออกแบบสายไฟ - ตรวจสอบอย่างรวดเร็วตามรายงานความคืบหน้าการเดินสายไฟที่คุณต้องการ วิธี "วงปิด" นี้ช่วยป้องกันการเดินสายไฟไม่ให้ผิดเพี้ยน ดังนั้นจึงลดความเป็นไปได้ในการทำงานซ้ำให้เหลือน้อยที่สุด

คำแนะนำที่ต้องให้กับวิศวกรสายไฟได้แก่ คำอธิบายสั้นๆ เกี่ยวกับฟังก์ชันวงจร แผนผังของ PCB ที่ระบุตำแหน่งอินพุตและเอาต์พุต ข้อมูลการซ้อน PCB (เช่น ความหนาของบอร์ด มีกี่ชั้น มีและข้อมูลโดยละเอียดเกี่ยวกับแต่ละชั้นสัญญาณและฟังก์ชันระนาบกราวด์ อัตราการใช้พลังงาน สายกราวด์ สัญญาณแอนะล็อก สัญญาณดิจิทัล และสัญญาณ RF) สัญญาณใดที่จำเป็นสำหรับแต่ละชั้น ต้องการการจัดวางส่วนประกอบที่สำคัญ ตำแหน่งที่แน่นอนของส่วนประกอบบายพาส เส้นพิมพ์ไหนมีความสำคัญ เส้นใดที่ต้องควบคุมเส้นพิมพ์อิมพีแดนซ์ เส้นใดต้องตรงกับความยาว ขนาดของส่วนประกอบ ซึ่งเส้นที่พิมพ์ต้องอยู่ไกล (หรือใกล้กัน) กัน เส้นไหนต้องไกล (หรือใกล้กัน) กัน ส่วนประกอบใดที่ต้องอยู่ห่างกัน (หรือใกล้กัน) ส่วนประกอบใดที่ต้องวางที่ด้านบนของ PCB ซึ่งอยู่ด้านล่าง อย่าบ่นว่ามีข้อมูลสำหรับคนอื่นมากเกินไป-น้อยเกินไปใช่ไหม? มันมากเกินไปหรือเปล่า? อย่า.

ประสบการณ์การเรียนรู้: ประมาณ 10 ปีที่แล้ว ฉันออกแบบแผงวงจรแบบยึดพื้นผิวหลายชั้น โดยมีส่วนประกอบอยู่ทั้งสองด้านของบอร์ด ใช้สกรูจำนวนมากเพื่อยึดบอร์ดในเปลือกอลูมิเนียมเคลือบทอง (เนื่องจากมีตัวแสดงการป้องกันการสั่นสะเทือนที่เข้มงวดมาก) พินที่ให้อคติป้อนผ่านบอร์ด พินนี้เชื่อมต่อกับ PCB โดยการบัดกรีสายไฟ นี่เป็นอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมาก ส่วนประกอบบางอย่างบนบอร์ดใช้สำหรับการตั้งค่าการทดสอบ (SAT) แต่ฉันได้กำหนดตำแหน่งของส่วนประกอบเหล่านี้ไว้อย่างชัดเจน คุณเดาได้ไหมว่าส่วนประกอบเหล่านี้ติดตั้งอยู่ที่ไหน? ยังไงก็ตามใต้กระดาน เมื่อวิศวกรผลิตภัณฑ์และช่างเทคนิคต้องถอดชิ้นส่วนอุปกรณ์ทั้งหมดและประกอบกลับเข้าไปใหม่หลังจากตั้งค่าเสร็จแล้ว ดูเหมือนว่าพวกเขาจะไม่พอใจอย่างมาก ฉันไม่ได้ทำผิดพลาดนี้อีกเลยตั้งแต่นั้นมา

ตำแหน่ง

เช่นเดียวกับใน PCB ตำแหน่งคือทุกสิ่ง ตำแหน่งที่จะวางวงจรบน PCB ตำแหน่งที่จะติดตั้งส่วนประกอบวงจรเฉพาะ และวงจรอื่นๆ ที่อยู่ติดกันคืออะไร ซึ่งทั้งหมดนี้มีความสำคัญมาก

โดยปกติแล้ว ตำแหน่งของอินพุต เอาต์พุต และแหล่งจ่ายไฟจะถูกกำหนดไว้ล่วงหน้า แต่วงจรระหว่างตำแหน่งเหล่านี้จำเป็นต้อง "เล่นความคิดสร้างสรรค์ของตัวเอง" นี่คือเหตุผลว่าทำไมการใส่ใจกับรายละเอียดการเดินสายไฟจึงให้ผลตอบแทนมหาศาล เริ่มต้นด้วยตำแหน่งของส่วนประกอบหลัก และพิจารณาวงจรเฉพาะและ PCB ทั้งหมด การระบุตำแหน่งของส่วนประกอบหลักและเส้นทางสัญญาณตั้งแต่ต้นช่วยให้มั่นใจได้ว่าการออกแบบจะตรงตามเป้าหมายการทำงานที่คาดหวัง การได้รับการออกแบบที่ถูกต้องในครั้งแรกสามารถลดต้นทุนและความกดดัน และทำให้วงจรการพัฒนาสั้นลง

บายพาสพลังงาน

การบายพาสแหล่งจ่ายไฟที่ด้านกำลังของแอมพลิฟายเออร์เพื่อลดเสียงรบกวนเป็นสิ่งสำคัญมากในกระบวนการออกแบบ PCB รวมถึงแอมพลิฟายเออร์ปฏิบัติการความเร็วสูงหรือวงจรความเร็วสูงอื่นๆ มีวิธีการกำหนดค่าทั่วไปสองวิธีสำหรับการบายพาสเครื่องขยายสัญญาณการทำงานความเร็วสูง

การต่อสายดินขั้วแหล่งจ่ายไฟ: วิธีนี้มีประสิทธิภาพมากที่สุดในกรณีส่วนใหญ่ โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบขนานหลายตัวเพื่อต่อสายดินโดยตรงที่พินแหล่งจ่ายไฟของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน โดยทั่วไปแล้ว ตัวเก็บประจุแบบขนานสองตัวก็เพียงพอแล้ว แต่การเพิ่มตัวเก็บประจุแบบขนานอาจเป็นประโยชน์ต่อบางวงจร

การเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบขนานที่มีค่าความจุต่างกันช่วยให้มั่นใจได้ว่าสามารถมองเห็นได้เฉพาะอิมพีแดนซ์กระแสสลับ (AC) ต่ำบนพินของแหล่งจ่ายไฟในช่วงความถี่กว้าง สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งที่ความถี่การลดทอนของอัตราส่วนการปฏิเสธแหล่งจ่ายไฟของเครื่องขยายเสียงในการดำเนินงาน (PSR) ตัวเก็บประจุนี้ช่วยชดเชย PSR ที่ลดลงของแอมพลิฟายเออร์ การรักษาเส้นทางกราวด์อิมพีแดนซ์ต่ำในช่วง 10 ออคเทฟหลายๆ ช่วงจะช่วยให้แน่ใจว่าเสียงรบกวนที่เป็นอันตรายจะไม่เข้าไปในออปแอมป์ รูปที่ 1 แสดงข้อดีของการใช้ตัวเก็บประจุหลายตัวแบบขนาน ที่ความถี่ต่ำ ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่จะให้เส้นทางกราวด์ที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำ แต่เมื่อความถี่ถึงความถี่เรโซแนนซ์ของตัวเอง ความจุของตัวเก็บประจุจะลดลงและค่อยๆ ปรากฏเป็นอุปนัย นี่คือสาเหตุว่าทำไมการใช้ตัวเก็บประจุหลายตัวจึงเป็นสิ่งสำคัญ: เมื่อการตอบสนองความถี่ของตัวเก็บประจุตัวหนึ่งเริ่มลดลง การตอบสนองความถี่ของตัวเก็บประจุตัวอื่นจะเริ่มทำงาน จึงสามารถรักษาความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับที่ต่ำมากได้ในช่วงสิบออคเทฟหลายๆ ช่วง

เริ่มต้นโดยตรงกับพินแหล่งจ่ายไฟของสหกรณ์แอมป์ ควรวางตัวเก็บประจุที่มีความจุน้อยที่สุดและมีขนาดทางกายภาพน้อยที่สุดบน PCB ด้านเดียวกับออปแอมป์ และใกล้กับเครื่องขยายเสียงมากที่สุด ขั้วต่อกราวด์ของตัวเก็บประจุควรเชื่อมต่อโดยตรงกับระนาบกราวด์ด้วยพินที่สั้นที่สุดหรือสายพิมพ์ การเชื่อมต่อกราวด์ด้านบนควรอยู่ใกล้กับขั้วต่อโหลดของเครื่องขยายเสียงมากที่สุด เพื่อลดการรบกวนระหว่างขั้วต่อจ่ายไฟและขั้วต่อกราวด์

ควรทำซ้ำขั้นตอนนี้สำหรับตัวเก็บประจุที่มีค่าความจุสูงเป็นอันดับถัดไป วิธีที่ดีที่สุดคือเริ่มต้นด้วยค่าความจุขั้นต่ำ 0.01 µF และวางตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 2.2 µF (หรือใหญ่กว่า) ที่มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) ไว้ใกล้กัน ตัวเก็บประจุ 0.01 µF ที่มีขนาดเคส 0508 มีการเหนี่ยวนำอนุกรมต่ำมากและประสิทธิภาพความถี่สูงที่ยอดเยี่ยม

การจ่ายไฟให้กับแหล่งจ่ายไฟ: วิธีการกำหนดค่าอื่นใช้ตัวเก็บประจุบายพาสตั้งแต่หนึ่งตัวขึ้นไปที่เชื่อมต่อผ่านขั้วจ่ายไฟบวกและลบของแอมพลิฟายเออร์ในการดำเนินงาน โดยปกติวิธีนี้จะใช้เมื่อกำหนดค่าตัวเก็บประจุสี่ตัวในวงจรได้ยาก ข้อเสียคือขนาดเคสของตัวเก็บประจุอาจเพิ่มขึ้นเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวเก็บประจุเป็นสองเท่าของค่าแรงดันไฟฟ้าในวิธีบายพาสแหล่งจ่ายเดี่ยว การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าต้องเพิ่มแรงดันพังทลายของอุปกรณ์ซึ่งก็คือการเพิ่มขนาดตัวเครื่อง อย่างไรก็ตาม วิธีนี้สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของ PSR และการบิดเบือนได้

เนื่องจากแต่ละวงจรและสายไฟแตกต่างกัน ควรกำหนดการกำหนดค่า จำนวน และค่าความจุของตัวเก็บประจุตามความต้องการของวงจรจริง