Kleine geheimen van routeringsborden met operationele en instrumentatieversterkers
- Internet der dingen,
- Geluid ,
- Elektronica voor beginners
- Handleiding
Bij het ontwerpen van borden
Niets is zo goedkoop
En niet zo hoog gewaardeerd
Hoe goed te traceren.
In het tijdperk van het internet der dingen en de beschikbaarheid van printplaten, en niet alleen met behulp van LUT-technologie, wordt het ontwerp ervan vaak uitgevoerd door mensen wier hele activiteit verband houdt met digitale technologie.
Zelfs bij het routeren van een eenvoudig digitaal bord zijn er onuitgesproken regels die ik altijd volg in mijn projecten, en in het geval van ontwikkeling meetapparatuur bij digitaal-naar-analoge circuitsecties is dit eenvoudigweg noodzakelijk.
In dit artikel wil ik beginnende ontwerpers wijzen op een aantal elementaire technieken die moeten worden gevolgd om een stabiel bedrijfscircuit te verkrijgen en de meetfout te verminderen of de vervormingscoëfficiënt van het audiopad te minimaliseren. Voor de duidelijkheid wordt de informatie gepresenteerd in de vorm van twee voorbeelden.
Voorbeeld nummer twee. Een eenvoudig op-amp-circuit traceren
Rijst. 1. Op-amp-versterkercircuit
Rijst. 2. Twee opties om de versterkerkaart naar de op-amp te traceren
Een klein off-topic, niet direct gerelateerd aan het onderwerp van het artikel van vandaag
Ik raad u ten zeerste aan om dezelfde techniek te gebruiken bij het leveren van stroom aan andere soorten microcircuits, vooral ADC's, DAC's en talrijke voedingspinnen van microcontrollers. Als u ingebouwde analoge microcontrollermodules gebruikt - ADC, DAC, comparatoren, referentiespanningsbronnen, wees dan niet lui om naar het gegevensblad te kijken en te zien welke blokkeercondensatoren, in welke hoeveelheid en waar moeten worden geïnstalleerd. Een ontkoppelingscircuit in de vorm van een filter of op zijn minst een weerstand tussen de hoofdleiding digitale kracht microcontroller en analoog. Het is beter om de analoge aarde als een aparte polygoon- of schermlaag te plaatsen en deze op een gegeven moment met de hoofdaarde te verbinden, in sommige gevallen is dit handig via een filter
Circuitelementen feedback moet zo dicht mogelijk bij de niet-inverterende ingang worden geplaatst, waardoor de kans op interferentie met het hoogohmige ingangscircuit tot een minimum wordt beperkt.
Laten we verder gaan met iets serieuzers en interessant geval vanuit het meetgebied, waar tracering uiterst belangrijk kan zijn.
Voorbeeld nummer één. Het volgen van een stroomverbruikmonitor op een instrumentatieversterker
Rijst. 3. Stroombewakingscircuit met behulp van instrumentatie-op-amp
De afbeelding toont een diagram van een stroomverbruikmeter. Het meetelement is de shuntweerstand die in het stroomcircuit is opgenomen. De belasting waarbij de stroom wordt gemeten is R laden. De gemeten spanning wordt van de weerstand verwijderd R shunt en gefilterd met behulp van een symmetrisch circuit op de elementen R1, R2, C1-C3. Chip U2 dient voor het leveren van de referentiespanning. R4, C5 - uitgangsfilter.
Bij het traceren moet u uiteraard alle bovenstaande aanbevelingen opvolgen.
Rijst. 4. Twee opties voor het routeren van de versterkerkaart op een instrumentatie-op-amp
Laten we eens kijken naar de tekortkomingen van het linkerdiagram:
- Omdat we een differentiële ingang hebben, is het noodzakelijk om de twee signaalpaden zo symmetrisch mogelijk te maken. De signaallijngeleiders moeten dezelfde lengte hebben en dicht bij elkaar geplaatst zijn. Idealiter op dezelfde afstand van elkaar;
- Het referentievolger-IC moet zo dicht mogelijk bij de referentiespanningsingang van de instrumentatieversterker worden geplaatst.
Hang geen geladen wapen aan de muur. Op een dag zal het zeker schieten en hiervoor het meest ongemakkelijke moment kiezen.
Bij het ontwikkelen van printplaten met prijsoptimalisatie doen zich een aantal problemen voor. belangrijkste kwesties. Terwijl het initiële doel misschien is om zo klein mogelijk te ontwikkelen printplaat Voor alle systemen is dit wellicht niet de goedkoopste oplossing. Het verkleinen van de PCB-grootte is mogelijk door het aantal PCB-lagen te vergroten, wat op zijn beurt EMC-problemen introduceert die tot enorme kosten kunnen oplopen naarmate het project vordert.
Elektromagnetische interferentie, EMI of elektromagnetische compatibiliteit, EMC is een sleutelfactor bij het PCB-ontwerp. Het garanderen van de elektromagnetische compatibiliteit van het hele apparaat kan extreem kostbaar zijn als de ontwerper bezuinigingen bezuinigt op het ontwerp en de productie van printplaten, dus sommige kostenbesparende benaderingen moeten vanaf het allereerste begin worden geëlimineerd. Als componenten interageren met EMI of EMI uitstoten, zijn er tijdens de testfase hoge kosten nodig om aan de EMC-eisen te voldoen.
Hoewel een vierlaags bord wordt beschouwd als de optimale balans tussen EMI-bescherming en kaartroutering, is het vaak mogelijk om een tweelaags bord met dezelfde kenmerken te ontwerpen met behulp van gratis fondsen PCB-sporen zoals DesignSpark-printplaat. Dit zorgt voor een aanzienlijke verlaging van de productiekosten van een printplaat zonder toekomstige tests te beïnvloeden.
Signaalretourpaden zijn het meest complex probleem bij het traceren van printplaten. Het zou behoorlijk moeilijk zijn om de retouraarde te traceren onder elk spoor dat is aangesloten op de signaalpin van de microcontroller, maar dat is precies wat een vierlaags bord met een aardvlak biedt. Het maakt niet uit waar de sporen zich bevinden, er is altijd een retourpad naar de grond eronder.
Het grondvlak dat qua kenmerken op een tweelaags bord het dichtst in de buurt komt van een grondvlak, is het grondrooster, dat de emissie van elektromagnetische interferentie door de signaalsporen vermindert. Het verkleinen van het lusgebied door het retourpad onder het signaalspoor te leiden is het meest effectief op een efficiënte manier oplossing voor dit probleem, en het creëren van een grondraster is de beste belangrijke fase(na lay-outplanning) in PCB-trace
Door een rooster te genereren ontstaat een oppervlak
Roostergeneratie is een sleuteltechniek voor het bereiken van EMC in dubbellaagse platen. Het lijkt erg op een elektriciteitsnetwerk en is een netwerk van rechthoekige verbindingen tussen geaarde geleiders. In feite creëert dit een aardvlak dat dezelfde EMI-reductie biedt als een bord met vier lagen en feitelijk het aardvlak uitzendt dat wordt gebruikt in een bord met vier lagen om EMC-verbeteringen te bieden door onder elk signaalspoor een retourpad naar aarde te creëren en de de impedantie tussen de microcontroller en de spanningsregelaar.
Het genereren van roosters wordt bereikt door de aardpaden uit te breiden en geaarde geleidende vlakke figuren te creëren om een netwerk van aardverbindingen over het gehele oppervlak van de PCB te creëren. Als een PCB bijvoorbeeld voornamelijk sporen uit de bovenste laag heeft die verticaal lopen en sporen uit de onderste laag die voornamelijk horizontaal lopen, verslechtert dit al de omstandigheden voor het routeren van retourpaden naar aarde onder de signaaldraden, wat meestal in twee fasen gebeurt:
- eerst worden alle aardgeleiders uitgebreid om in beslag te nemen grootste ruimte op een printplaat;
- dan al het andere vrije ruimte gevuld met een geaard oppervlak.
Het doel van deze aanpak is om zoveel mogelijk roosters op een tweelaagse PCB te genereren. Kleine wijzigingen in de PCB-indeling kunnen extra verbindingen mogelijk maken om het oppervlak van het aardnet te vergroten.
PCB-zonering
PCB-zonering is een andere techniek die kan worden gebruikt om de ruis en EMI van een PCB te verminderen en zo de behoefte aan extra PCB-lagen te verminderen. Deze technologie heeft dezelfde basisbetekenis als de lay-out van componenten, namelijk het proces waarbij de locatie van componenten op een leeg bord wordt bepaald voordat de draden worden geleid. PCB-zonering is een iets complexer proces waarbij vergelijkbare functionaliteit in één gebied van de PCB wordt geplaatst, in plaats van functionaliteit te mengen. verschillende componenten samen. Hogesnelheidslogica, inclusief microcontrollers, wordt zo dicht mogelijk bij de stroomcircuits geplaatst, langzame componenten bevinden zich verder weg en analoge componenten bevinden zich verder weg. Deze aanpak heeft een grote impact op EMC afgedrukt vergoedingen.
Met deze opstelling heeft hogesnelheidslogica minder impact op andere signaalpaden. Het is vooral belangrijk dat de kristallus zich uit de buurt van analoge circuits, lagesnelheidssignalen en connectoren bevindt. Deze regel is van toepassing op zowel printplaten als de plaatsing van componenten in het apparaat. Lay-outs waarbij kabelbundels rond de resonator of microcontroller worden geplaatst, moeten worden vermeden, omdat deze kabels ruis verzamelen en ronddragen. De zonering bepaalt dus ook de plaatsing van connectoren op de printplaat.
PCB-ontwerptools
Er zijn veel ontwerptools beschikbaar om het ontwerp te ondersteunen met EMC-optimalisatie in gedachten. Eén van deze middelen DesignSpark-printplaat nieuwste versie, die ontwerpregelscontrole (DRC) ondersteunen tijdens het routeren, in plaats van wanneer een controle wordt uitgevoerd nadat de routering is voltooid. Dit is vooral handig bij het optimaliseren van een printplaat voor de kosten, omdat eventuele conflicten of fouten onmiddellijk worden gesignaleerd en kunnen worden opgelost. Uiteraard zijn deze controles afhankelijk van de volledigheid van de door de ontwerper opgegeven informatie, maar met deze aanpak kunt u het routeringsproces versnellen en zo tijd vrijmaken voor andere belangrijke zaken.
In versie 5 DesignSpark-printplaat online cheque ontwerpregels controleren alle componenten die zijn toegevoegd of verplaatst als gevolg van interactieve bewerkingsbewerkingen. Zo worden bijvoorbeeld alle draden die aan een verplaatst onderdeel zijn bevestigd en alle draden die handmatig zijn toegevoegd, gecontroleerd.
Versie 5 voegt ook ondersteuning voor bussen toe, zodat conducteurs eenvoudig kunnen worden gegroepeerd en gerouteerd. In plaats van alle verbindingen in een ontwerp uit te tekenen en deze op elke pin aan te sluiten, kan de ontwerper een minder rommelig ontwerp creëren met behulp van bussen door de pinverbindingen van de component toe te voegen aan de bus waar het signaal doorheen wordt gevoerd.
Figuur 1: Busbars toevoegen aan DesignSpark PCB versie 5
Banden kunnen open of gesloten zijn. Een gesloten bus is een verzameling geleidernamen die vooraf zijn gedefinieerd voor een bepaalde bus, en alleen die geleiders kunnen verbinding maken met een bepaalde bus, terwijl een open bus elke geleider kan bevatten.
Hoewel deze functies zinvol zijn bij het routeren van bussen, kunnen ze worden gebruikt om andere geleiders op een printplaat te routeren. Deze mogelijkheid om rails in circuits te gebruiken kan helpen een ontwerp eenvoudiger en duidelijker te maken door meerdere EMI-gevoelige geleiders te groeperen met de omringende aardretourgeleiders, waardoor de EMI op het bord dat wordt ontworpen wordt verminderd. Goede regel De regel is om nooit EMI-emitterende geleiders aan de buitenkant van het bord te laten lopen, wat moeilijk kan zijn voor kleine tweelaagse borden. Door circuits te verwijderen die geen EMF uitzenden op plaatsen zoals connectoren, resonatorcircuits, relais en relaisdrivers, waar deze circuits kunnen worden geïnduceerd elektromagnetische interferentie helpt ook de elektromagnetische compatibiliteit te verbeteren.
Conclusie
Het ontwerpen van een PCB met de eenvoud die nodig is om de kosten te verlagen is aantoonbaar een moeilijkere taak dan het benutten van de rijkdom van een meerlaags bord.
Sommige EMC-problemen kunnen worden opgelost door koppelcondensatoren en ferrietkralen te gebruiken om eventuele signalen te onderdrukken die kunnen worden uitgezonden, maar dit maakt het ontwerp ingewikkelder en verhoogt de productiekosten. Als EMI- en EMC-problemen kunnen worden geminimaliseerd door goede ontwerpregels met behulp van zonering en interferentieoverwegingen, kan het genereren van stroom- en aardingsnetwerken hetzelfde niveau van afscherming bieden in een tweelaags bord als mogelijk is in een vier- of zeslaags ontwerp. Dit verlaagt niet alleen de kosten van de plaatproductie, maar verbetert ook de betrouwbaarheid en prestaties, inclusief elektromagnetische compatibiliteit, waardoor de kosten worden verlaagd levenscyclus apparatuur.
Een beetje over de "hark" bij het ontwerpen van boards.
De meest typische fout bij het bedraden van stroomcircuits in veel ontwerpen: de blokkeercapaciteiten langs de "+" en "-" voedingslijnen van de op-amp worden ver van elkaar op de grondlaag geworpen, dat wil zeggen het lusstroomverbruik van de op-amp stroomt door de grondlaag. Deze containers moeten zo worden geplaatst dat de afstand tussen de punten van hun verbinding met de aardlaag minimaal is. Hoogfrequente blokkering - SMD-condensatoren van maat 1206 passen gemakkelijk onder de DIP-8-behuizing, en met enige vaardigheid - 1210. Uiteraard moet het oppervlak van het resulterende stroomcircuit ook minimaal zijn, dit spreekt voor zich.
Weerstanden in de stroomcircuits van elk IC vereenvoudigen de bedrading aanzienlijk, omdat dienen als jumpers en maken het mogelijk de “+” en “-” voedingen dicht bij elkaar te plaatsen, wat zeer wenselijk is om de emissie van signaal-/uitgangsstromen uit de stroomcircuits te verminderen.
Er is ook een elegante (maar zeer arbeidsintensieve) methode voor het onderdrukken van grondinterferentie zonder expliciete grondscheiding, vooral handig bij het gebruik van dubbelzijdige platen - maximale conservering een stevige laag "aarde" aan de ene kant (dat wil zeggen, eigenlijk een circuitindeling met één laag aan de andere kant, met een minimum aan "jumpers"), een grondige analyse van de contouren van de stroom van stroomstromen langs dit aardvlak en het vinden van equipotentiaalpunten, dwz punten, waarvan het potentiaalverschil, wanneer er stromen door de grond in de stroom-/belastingscircuits stromen, bijna nul blijft. Deze punten worden gebruikt als de “signaal”-aardingspinnen. Het type stroomstroomcontouren kan, indien nodig, worden gewijzigd door extra sneden aan te brengen of omgekeerd, door jumpers te maken in de delen van de aardlaag die ontstaan volgens de bedradingsomstandigheden.
De meest gedetailleerde studie van kwesties van topologie/stroom, enz. werd uitgevoerd om methoden te creëren voor het ontwerpen van apparaten die bestand zijn tegen EMP-pulsen die voortkomen uit de explosie van kernwapens of gepulseerde EMP-generatoren. Helaas zijn de publicaties over dit onderwerp verspreid en bovendien liggen ze vaak nog ‘onder de tafel’. Ik heb een van de illustratieve artikelen gescand, maar ik kan het hier niet bijvoegen - de limiet voor het aantal bijlagen is geselecteerd.
Over het ontwerp van PP.
Er moet meteen worden opgemerkt dat de soms eenvoudige aanpak – “hoe meer lagen, hoe beter” – niet werkt voor puur analoge (en deels digitale) circuits. Er spelen te veel factoren een rol.
Enkel-/dubbellaags PP op getinax/glasvezel zonder metallisatie van gaten - momenteel slechts voldoende voor zeer eenvoudige apparaten in een grote (>>10000) serie. De belangrijkste nadelen zijn de lage betrouwbaarheid onder zware bedrijfsomstandigheden (als gevolg van afpellen). contactvlakken/geleiders tijdens mechanische trillingen en thermische cycli, vocht-/fluxophoping door de wanden van gaten), evenals de complexiteit (en hoge kosten) kwaliteit wat bedrading complexe circuits. De installatiedichtheid is laag (meestal niet meer dan 3...4 pinnen per vierkante centimeter van het totale bordoppervlak). Het voordeel is extreme eenvoud en lage productiekosten (met grote volumes en ontwerpnormen van ongeveer 0,38 mm - minder dan $ 0,3/sq. dm) vanwege het gebrek aan metallisatie en de mogelijkheid om boorgaten te vervangen door ze te ponsen.
Vereisten om de montagedichtheid te verhogen met behoud van de betrouwbaarheid bij de productie van BGA-pakketten en draagbare apparatuur hebben geleid tot de ontwikkeling van microvia-technologie, waarbij naast conventionele (door) via-gaten op het bord aan één of beide zijden blinde via-via's worden gevormd ( meestal met een laser) naar de onderliggende laag gemetalliseerd in één cyclus met metallisatie van doorlopende gaten. De grootte van het contactoppervlak voor een dergelijke overgang (0,2...0,3 mm) is veel kleiner dan voor een doorgaand gat; de routing in de overige lagen wordt niet verstoord. Bovendien kan in sommige gevallen microvia op het contactvlak van een SMD-element worden geplaatst zonder het risico dat een merkbaar deel van het soldeer het gat verlaat vanwege de kleine afmetingen en diepte (niet meer dan 0,1...0,15 mm). Dit verhoogt de bedradingsdichtheid aanzienlijk, omdat In de regel kunnen gewone via's niet op de pads van SMD-elementen worden geplaatst. Microvia kan ook in de binnenlagen worden gevormd, maar dit is aanzienlijk moeilijker en duurder om te produceren.
Een paar woorden over de dikte van koper en de coating van de platen. Het grootste deel van de platen is gemaakt op materialen met foliediktes van 35, 18 en 9 micron, terwijl tijdens het metalliseren van de gaten in de buitenste lagen nog eens 15-25 micron koper wordt toegevoegd (er zou ~ 20 micron in de buitenste lagen moeten zitten). gaten). Borden met ontwerpnormen van 0,127 of minder worden meestal gemaakt op materiaal met een foliedikte van ~9 micron (hoe dunner de folie, hoe minder vervorming vorm van het patroon vanwege de laterale ondersnijding van de geleiders). U hoeft zich geen zorgen te maken over de “kleine doorsnede van koper”, omdat gedrukte geleiders in zicht goede koeling maken veel hogere stroomdichtheden mogelijk (~ 100 A/mm²) dan de installatiedraad (3...10 A/mm²). De uiteindelijke dikte in de buitenste lagen blijkt, als gevolg van de afzetting van koper tijdens het metalliseren van de gaten, uiteraard groter dan die van de originele folie. De weerstand van platte geleiders hangt af van hun geometrie eenvoudige wet: vierkantsweerstand x aantal vierkanten. De weerstand van een vierkant hangt niet af van de absolute grootte, maar alleen van de dikte en geleidbaarheid van het materiaal. Dat wil zeggen dat de weerstand van een geleider met een breedte van 0,25 mm en een lengte van 10 mm (dus 40 vierkanten) hetzelfde is als bij een breedte van 2,5 en een lengte van 100. Voor 35 micron koperfolie is dit ongeveer 0,0005 Ohm /vierkant. Op industriële platen wordt bij het metalliseren van gaten op folie een extra koperlaag opgebouwd, waardoor de weerstand van het vierkant nog eens 20 procent daalt ten opzichte van bovenstaande. Onderhoud, zelfs “vet”, heeft weinig effect op de weerstand; het doel is om de warmtecapaciteit van de geleiders te vergroten, zodat ze niet doorbranden door een kortstondige schokstroom. Door gebruik te maken van fotomaskercorrectie (dat wil zeggen het introduceren van correcties voor ondersnijdingen) en anisotropisch etsen kunnen fabrikanten de productie garanderen van platen met een dikte van de originele folie tot 30-40% van de ontwerpnormen, d.w.z. bij gebruik van de dikste folie van 105 micron (en rekening houdend met koperafzetting - ergens rond de 125-130 micron), kunnen ontwerpnormen variëren van 0,3...0,35 mm.
Een belangrijkere beperking voor stroomcircuits is dat toegestane stroom, die door het via-gat wordt gevoerd, hangt voornamelijk af van de diameter ervan, aangezien de dikte van de metallisatie daarin klein is (15...25 μm) en in de regel niet afhankelijk is van de dikte van de folie. Voor een gat met een diameter van 0,5 mm en een plaatdikte van 1,5 mm is de toegestane stroom ongeveer 0,4 A, voor 1 mm - ongeveer 0,75 A. Als het nodig is om meer stroom via gaten door te laten, zou een rationele oplossing zijn om niet één grote, maar een reeks kleine via-gaten te gebruiken, vooral als ze dicht bij elkaar zijn geplaatst in een "schaakbord"- of "honingraat"-patroon - op de hoekpunten van een raster van zeshoeken. Het dupliceren van via's biedt ook een voordeel op het gebied van betrouwbaarheid, en wordt daarom vaak gebruikt in kritische circuits (inclusief signaalcircuits) bij het ontwikkelen van apparatuur voor bijzonder kritische toepassingen (bijvoorbeeld levensondersteunende systemen).
Coatings van plaatgeleiders kunnen isolerend en/of beschermend zijn. Een “soldeermasker” is een beschermende isolerende coating waarin vensters zijn gevormd op de contactvlakken. De geleiders kunnen van koper blijven, of bedekt worden met een laag metaal die ze beschermt tegen corrosie (tin/soldeer, nikkel, goud, enz.). Elk type coating heeft voor- en nadelen. Coatings kunnen dunne lagen hebben, een fractie van een micron dik (meestal chemisch), en dikke lagen (galvanisch, heet vertinnen). Het is het beste om een soldeermasker aan te brengen op blank koper of een dunne laagcoating; wanneer het wordt aangebracht op vertinde sporen, blijft het slechter zitten en treedt er tijdens het solderen een capillair effect op - soldeerafvoer/maskerscheiding. Vergulden is er in beide soorten: chemisch (dun) en galvanisch (vereist elektrische aansluiting geleiders, bijvoorbeeld op een connector). Bij grootschalige productie is ook de mogelijkheid om puur koperen (niet-vertinde) contactvlakken van platen te coaten met een vloeimiddelachtige vernis (organische coating) populair. De keuze voor het coatingtype is afhankelijk van de installatietechniek en het type onderdelen. Voor handmatige installatie (en automatisch voor onderdelen van standaardmaat 0805 en groter) in de overgrote meerderheid van de gevallen beste optie- Heet vertinnen van pads (HASL) met een koperen masker. Voor kleinere onderdelen en automatische installatie, als er geen vereisten zijn voor een bijzonder lage lekkage op de printplaat, is een van beste opties- chemisch (dompel)goud (Flash Gold) of dompeltin. Chemisch goud is in de normale wereld erg goedkoop, net als heet vertinnen, en biedt tegelijkertijd perfect gelijkmatige zitplaatsen voor elementen, zonder soldeerknobbels. Bij het vervaardigen van printplaten in de Russische Federatie is het echter vaak beter om een coating te bestellen die niet met onderdompelingsgoud is, maar met tin - de oplossingen besparen niet zoveel. Bij soldeerplaten met dunne coatings, waaronder Flash Gold, moeten deze snel worden gesoldeerd en/of gevuld met een neutrale flux om oxidatie van koper door de poriën van de coating te voorkomen, en bij automatisch solderen is het ook raadzaam om een neutrale gasomgeving te gebruiken (stikstof, freon).
Hieronder vindt u de meest begrijpelijke (naar mijn mening) literatuur over deze kwestie, evenals een voorbeeld van een tweelaags computer bord microprofielmeter (profilometer), waarin maatregelen om de kwaliteit van de topologie te waarborgen, zonder fanatisme, slechts gedeeltelijk worden toegepast. Dit bleek echter voldoende te zijn om een resolutie van meerdere atomen te bieden zonder enige afscherming, in een werkende pc met zijn ruis (en zijn eigen voedingsgedeelte - aansturing van de commutatormotor), die vele malen de vereisten van de technische specificaties overtrof ( de gebruikte op-amps zijn alleen TL084/LM324). Het apparaat werd tot voor kort geproduceerd en was de enige profielmeter met klasse 1-nauwkeurigheid in de Russische Federatie.
Forumgebruiker: sia_2
De winsten in de consumentenelektronica zijn krap en fabrikanten hebben moeite om deze op peil te houden lage kosten producten om het concurrentievermogen te behouden. Om deze reden eisen ze van ontwikkelaars dat ze goedkope printplaten (PCB's) en componenten gebruiken, terwijl de gewenste functionaliteit van de apparaten behouden blijft. Fabrikanten zijn van mening dat het garanderen van elektromagnetische compatibiliteit (EMC) bij PCB-ontwerp en het gebruik van componenten met hoog niveau EMC is een luxe die ze zich niet kunnen veroorloven.
Velen geloven dat EMC-problemen aan het einde van de ontwikkelingscyclus kunnen worden opgelost door extra componenten, het onderdrukken van elektromagnetische interferentie. Het is niet altijd duidelijk dat de kosten van dergelijke oplossingen in de laatste ontwikkelingsfasen vele malen groter zullen zijn dan de kosten van het garanderen van elektromagnetische compatibiliteit op het beginfasen ontwerp bij het maken van software. De wens om de kosten van materialen en componenten te verlagen zal dus feitelijk leiden tot een aanzienlijke stijging van de kosten van het product.
Om een printplaat met weinig ruis en minimale gevoeligheid voor interferentie te ontwikkelen, is het in de eerste plaats noodzakelijk om het aardcircuit op de juiste manier te organiseren, en in de tweede plaats om de printplaat correct te lay-outen. Voor elke PCB is het wenselijk om een minimale aardimpedantie te hebben om een efficiënte stroomstroom te garanderen wanneer er interferentie optreedt. Aan de andere kant is het een competente lay-out voorwaarde het maken van een goede PCB. Een juiste routering vermindert niet alleen de impedantie van de geleiders, maar vermijdt ook gemeenschappelijke impedantiekoppeling.
Hoogfrequente PCB: digitale schakelingen en ruis
Digitaal geïntegreerde schakelingen(IC's) die logische poorten bevatten, zijn de bron impuls geluid vanwege vertragingen bij het uitschakelen van transistors. Elke keer dat een logische poort van status verandert, stroomt er een korte puls doorstroom door complementaire transistoren uitgangstrap. Door de inductie van de aardpaden kan de stroom niet abrupt veranderen, wat tot een spanningsstoot leidt.
Om de impact van dergelijke interferentie te verminderen, allemaal digitale circuits moet een minimale aardimpedantie hebben. Bovendien naast elkaar logische chip er moet een ontkoppelingscomponent worden geïnstalleerd om het stromingspad te garanderen puls stroom strekt zich niet uit tot de Vcc-voeding.
De aardimpedantie kan op verschillende manieren worden verminderd: door de inductie van het geleidende pad te verminderen, het gebied van stroomlussen te verkleinen en de lengte van de paden waardoor stroom vloeit te verkleinen. Dit kan gedeeltelijk worden bereikt door componenten die zich nabij elke logica-chip bevinden, te ontkoppelen.
Het verminderen van de inductie van aardgeleiders
De inductantie van een geleider is recht evenredig met zijn lengte. Daarom is het noodzakelijk om de lengte van de sporen waarlangs pulsstromen stromen te verkleinen. Een extra reductie van de inductie is ook mogelijk door de breedte van de vermogenssporen te vergroten. Helaas is de inductie omgekeerd evenredig met de spoorbreedte, en deze benadering is niet erg effectief. Het resultaat is dat de lengte van het spoor het grootst is belangrijke factor vanuit het oogpunt van het garanderen van minimale inductie.
Als we de wederzijdse inductie verwaarlozen, zal de equivalente inductie van twee identieke parallelle sporen de helft zijn. Bij vier parallelle sporen zal de equivalente inductantie vier maal kleiner zijn. Er is echter een grens aan het gebruik van deze aanpak. Het punt is dat als de sporen dicht bij elkaar liggen, de wederzijdse inductie de zelfinductie benadert en de equivalente inductie niet afneemt. Als de sporen echter op een afstand van tweemaal hun breedte zijn geplaatst, kan een reductie van de inductie met 25% worden bereikt.
Dus, binnen hoogfrequent circuit Er moeten zoveel mogelijk alternatieve parallelle paden worden voorzien voor de stroom van aardstromen. Als het aantal geleiders oneindig wordt vergroot, komen we uiteindelijk uit op een laag doorlopende aarde. Met behulp van een aparte laag aarde erin meerlaagse platen Hiermee kunt u een groot aantal problemen in één keer oplossen.
Als waar we het over hebben over een tweelaags bord, dan kan een acceptabel resultaat worden bereikt door de grond in de vorm van een raster te implementeren (Fig. 1). In dit geval zou de beste optie zijn wanneer het aardpad over de gehele lengte onder elke microschakeling loopt. Het is toegestaan om een verticale roostertrede te gebruiken, gelijk aan lengte IS. Verticale en horizontale sporen kunnen zich aan weerszijden van het bord bevinden, maar moeten met behulp van via's op netwerkknooppunten worden aangesloten.
Rijst. 1. De grond is gemaakt in de vorm van een raster
Het bleek dat als in een conventionele dubbelzijdige printplaat met 15 microschakelingen de aarde in de vorm van een rooster wordt gemaakt, de grondruis tienvoudig wordt verminderd. Daarom zijn alle dubbellaagse printplaten voorzien van digitale chips zou deze oplossing moeten gebruiken.
Het gebied van stroomlussen verkleinen
Een andere methode om de inductie te verminderen is het verkleinen van het gebied van de stroompaden. Een printplaat met een grote open lus (Figuur 2 a) is een effectieve ruisgenerator. Bovendien zal de schakeling zelf ook gevoelig zijn voor externe magnetische velden.
Beschouw een vermogenslus die bestaat uit twee identieke parallelle sporen – het vermogensspoor Vcc en het aardspoor GND – waarin stromen in tegengestelde richtingen stromen. Hun totale inductie (Lt) wordt berekend met formule 1:
Lt = 2 (L - M) (1)
waarbij L de inductantie van elk spoor is, en M de wederzijdse inductantie.
Als de Vcc- en grondsporen dicht bij elkaar worden geplaatst, wordt de wederzijdse inductie gemaximaliseerd en wordt de effectieve inductie met bijna de helft verminderd. Idealiter zou op een PCB het Vcc-tracé parallel moeten lopen aan het aardtracé. Dit verkleint het gebied van de stroomlus en helpt bij het oplossen van problemen die verband houden met het genereren van ruis en de gevoeligheid voor interferentie.
In afb. 2a toont een mislukte lay-out van de printplaat, en Fig. 2b toont een verbeterde versie. Door het lusoppervlak te verkleinen was het mogelijk de spoorlengte te verkleinen en de onderlinge inductie te vergroten, waardoor lagere emissies en storingsgevoeligheid mogelijk werden.
Ontkoppelcondensatoren
In afb. 3 en de Vcc- en grondsporen bevinden zich dicht bij elkaar. Het gepulseerde stroompad dat begint en eindigt bij de voeding vormt echter een grote lus (groen gebied in de figuur) die elektromagnetische interferentie kan genereren. Als een keramische ontkoppelcondensator Cc nabij elk IC wordt geplaatst, verbonden tussen Vcc en aarde, zal deze fungeren als een bufferelement om het IC tijdens de schakeltijd van stroom te voorzien, waardoor het stroompad wordt verminderd.
Rijst. 3. Ontkoppelcondensator
Idealiter zou de ontkoppelcondensator ongeveer 1 nF moeten zijn. Er moeten keramische condensatoren worden gebruikt, omdat deze een zeer hoge lading kunnen leveren hoge snelheid. Hoge ontlaadstroom en lage zelfinductie maken ze perfecte keuze voor ontkoppeling van de voeding.
Impedantiekoppeling in printplaten
In afb. Figuur 4 toont een voorbeeld van impedantiekoppeling met behulp van gewone stroom- en aardrails. In dit schema analoge versterker deelt stroom- en grondbussen met de logische poort. De spoorimpedanties worden weergegeven als samengevoegde elementen (Zg en Zs). Bij hogere frequenties nemen de impedanties van de sporen vele malen toe. Dit gebeurt niet alleen door een toename van de inductieve component, maar ook door een toename van de weerstand veroorzaakt door het skin-effect.
Rijst. 4. Gemeenschappelijke impedantiekoppeling
Zoals we eerder zagen, treedt er een spanningspiek op wanneer een logische poort wordt geschakeld. Een deel van de aardimpedantie (Zg3) is gemeenschappelijk voor zowel de versterker als de logische poort, dus de versterker zal deze spanningspuls als ruis in de voeding zien. Deze ruis kan rechtstreeks via de stroomingang of via de gemeenschappelijke impedantie Zg3 naar het versterkercircuit worden overgedragen. Als gevolg hiervan verschijnt er direct ruis op de ingang van de versterker. Om de totale impedantiekoppeling te verminderen, moet u de waarde van de totale impedantie verlagen of deze volledig wegwerken.
Eliminatie van totale impedantie
De algehele impedantie kan worden geëlimineerd met behulp van voedingsaansluitingen verschillende schema's op één punt (“ster”), zoals weergegeven in figuur 5. Om dit te doen, is het noodzakelijk om de circuits te groeperen op basis van hun eigen geluidsniveau en gevoeligheid voor interferentie. Binnen iedere groep inzetbaar gewone banden, maar de stroomleidingen van individuele groepen zijn op één punt met elkaar verbonden. Deze verbinding wordt hybride genoemd. De tweede benadering is het gebruik van afzonderlijke voedingen voor elke groep circuits, waardoor de isolatie tussen circuits verder wordt verbeterd.
Rijst. 5. Verbinding op één punt
