ตามที่ระบุไว้ข้างต้น วงจรจะแตกต่างกัน: ส่วนดิจิทัล; ส่วนอะนาล็อก ส่วนพลังงาน ส่วนอินเตอร์เฟซ ทุกส่วนของโซ่จะต้องถูกจัดวางเป็นพื้นที่หากเป็นไปได้ ไม่เช่นนั้น "ปาฏิหาริย์" ก็อาจเกิดขึ้นได้ เช่นหากอุปกรณ์ของคุณมี ทัชแพด(ความจุถูกวาดด้วยสารตั้งต้นทองแดงบนบอร์ด) และถัดจากนั้นคุณจะวางตัวแปลงแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งจากนั้นการรบกวนจะนำไปสู่การบวกลวง อีกตัวอย่างหนึ่ง: การวางชิ้นส่วนกำลัง เช่น รีเลย์ ใกล้กับชิ้นส่วนดิจิทัลหรือแอนะล็อก ในกรณีที่แย่ที่สุด อาจทำให้ภายในไมโครคอนโทรลเลอร์เสียหายได้ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าบนพินสูงกว่า 5 โวลต์ และให้ผลบวกลวง (ใน ส่วนดิจิทัล) หรือการอ่านไม่ถูกต้อง (ในส่วนอะนาล็อก) อย่างไรก็ตาม หากความละเอียดของ ADC ไม่เกิน 10 บิต ก็ไม่จำเป็นต้องแยกดินแดนออก เนื่องจากโดยปกติผลกระทบจะน้อยมาก)

ด้วยการทำให้ดินแดน "แตกต่าง" คุณจะลดผลกระทบที่มีต่อกัน สิ่งที่คุณควรปฏิบัติตามเมื่อทำการเพาะปลูกที่ดิน?

ด้วยการเพิ่มพื้นที่กราวด์ของ PCB ให้สูงสุด ความเหนี่ยวนำของมันจะลดลง ซึ่งจะทำให้รังสีลดลง นอกจากนี้การเพิ่มพื้นที่ยังทำให้ภูมิคุ้มกันทางเสียงของแผงวงจรพิมพ์เพิ่มขึ้นด้วย มีสองวิธีในการเพิ่มพื้นที่: เติมกระดานให้เต็มหรือทำให้เป็นตาราง

การเติมแบบเต็มช่วยให้คุณได้ความต้านทานต่ำที่สุด - นี่คือระบบสายดิน "ในอุดมคติ" (ตาข่ายแย่กว่าเล็กน้อย)

อย่างไรก็ตาม บนกระดานพื้นที่ขนาดใหญ่ ให้เติมกระป๋องรูปหลายเหลี่ยมดินอย่างต่อเนื่อง ควรวางรูปหลายเหลี่ยมไว้ทั้งสองด้านของกระดานให้เท่าๆ กันมากที่สุด เมื่อใช้กริด คุณจะต้องควบคุมขั้นตอน: .

รูปหลายเหลี่ยมบนบอร์ดหลายชั้นจะต้องเชื่อมต่อกันในหลาย ๆ ที่ ด้านล่างคือ "กรงฟาราเดย์" ในการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ เทคนิคนี้ใช้ที่ความถี่กิกะเฮิรตซ์

หากเดินสายกราวด์ในลักษณะธรรมดา แนะนำให้เดินสายไฟที่ด้านตรงข้ามของบอร์ด ในกรณีที่ คณะกรรมการหลายชั้นสายดินและสายไฟฟ้าก็ตั้งอยู่บนชั้นที่ต่างกัน

ความต้านทานของตัวนำยังขึ้นอยู่กับความถี่ด้วย (ดู - ยิ่งความถี่สูง ความต้านทานการติดตาม/กราวด์ก็จะยิ่งสูงขึ้น ตัวอย่างเช่นหากที่ 100 Hz ความต้านทานกราวด์คือ 574 μOhm และแทร็กสัญญาณ (กว้าง 1 มม. ยาว 10 มม. ความหนา 35 μm) คือ 5.74 mOhm จากนั้นที่ความถี่ 1 Hz พวกเขาจะรับค่า ​​11.6 mOhm และ 43 .7 Ohm อย่างที่คุณเห็นความแตกต่างนั้นใหญ่โต นอกจากนี้ตัวบอร์ดเองก็เริ่มปล่อยรังสีโดยเฉพาะในบริเวณที่สายไฟเชื่อมต่อกับบอร์ด

เรามองที่ "พื้นดิน" จากมุมมองทั่วไป แต่เมื่อเจาะลึกลงไปแล้ว เราต้องหารือเกี่ยวกับสิ่งที่เรียกว่า "สัญญาณ" โดยที่:

A) การเชื่อมต่อแบบจุดเดียวเป็นโทโพโลยีที่ไม่พึงประสงค์จากมุมมองของสัญญาณรบกวน เนื่องจากการเชื่อมต่อแบบอนุกรม ความต้านทานของกราวด์จะเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้เกิดปัญหาที่ความถี่สูง ช่วงที่ยอมรับได้สำหรับโทโพโลยีนี้คือตั้งแต่ 1 Hz ถึง 10 MHz โดยมีเงื่อนไขว่าการติดตามกราวด์ที่ยาวที่สุดจะต้องไม่เกิน 1/20 ของความยาวคลื่น

B) การเชื่อมต่อแบบหลายจุดมีความต้านทานต่ำกว่ามาก - แนะนำในวงจรดิจิทัลและที่ความถี่สูง การเชื่อมต่อควรสั้นที่สุดเท่าที่จะทำได้เพื่อลดความต้านทาน ในวงจรที่มีความถี่ต่ำ โทโพโลยีนี้ไม่ ทางเลือกที่ดีที่สุด- หากบอร์ดมีส่วน LF และ HF ควรวาง HF ใกล้กับพื้นมากขึ้น และ LF ควรอยู่ใกล้สายไฟมากขึ้น

C) การเชื่อมต่อแบบไฮบริด - ขอแนะนำให้ใช้หากมีส่วนประกอบที่แตกต่างกันบนแผงวงจรพิมพ์เดียว: ชิ้นส่วนดิจิทัล, อะนาล็อกหรือกำลัง พวกเขาทำงานเพื่อ ความถี่ที่แตกต่างกันและไม่ควรผสมเพื่อความแม่นยำและความเสถียรของอุปกรณ์มากขึ้น

ตัวอย่างการแบ่งที่ดิน:

ในกรณีของเรา (พูดโดยประมาณ) มีเพียงส่วนเดียวเท่านั้น - ดิจิทัล บนบอร์ดจะมีขั้วต่ออยู่แต่กระแสที่ไหลผ่านไม่มีนัยสำคัญ (โปรแกรมเมอร์, พิน UART สำหรับ โมดูลไวไฟ) และไม่ควรส่งผลต่อการทำงานของอุปกรณ์ ถึงแม้ว่า ความถี่สัญญาณนาฬิกาไมโครคอนโทรลเลอร์ - 24 MHz อุปกรณ์ต่อพ่วงทั้งหมดที่เชื่อมต่ออยู่จะทำงานที่ความถี่น้อยกว่า 10 MHz อย่างมีนัยสำคัญ (ยกเว้นโมดูล Wi-Fi ซึ่งมีความถี่ 2.4 GHz) กล่าวอีกนัยหนึ่ง อุปกรณ์ของเราสามารถใช้การเชื่อมต่อแบบจุดเดียว แต่ยังเป็นแบบหลายจุดด้วย ระบบจะทำ- แนะนำให้วางรูปหลายเหลี่ยมไว้ใต้วัตถุที่ไม่เปล่งแสงทั้งหมด วงจรความถี่สูง(เช่นไมโครคอนโทรลเลอร์ของเรา แต่เราจะพูดถึงเรื่องนี้ในภายหลัง)

เมื่อใช้การฝังกลบแบบเต็มควรถอดทองแดงออกจากโมดูล Wi-Fi ซึ่งจะช่วยหลีกเลี่ยงการป้องกันรังสี

ส่วนทองแดงที่แยกได้ทั้งหมด (ทองแดงที่ตายแล้ว) จะต้องถูกลบออก เนื่องจากที่ RF พวกมันจะเริ่มแผ่และรบกวนสายสัญญาณ ศักยภาพในพื้นที่ดังกล่าวแตกต่างจากพื้นดินและไม่เป็นที่พึงปรารถนา

นอกจากพื้น/รูปหลายเหลี่ยมแล้ว ยังมีแทร็กอื่นๆ บนกระดาน - แทร็กสัญญาณ พวกเขาสามารถส่งสัญญาณนาฬิกา (เช่นสาย SCK ของชิป MAX7219) หรือส่งข้อมูล (แทร็ก UART RX และ TX จากโมดูล Wi-Fi) การเดินสายไฟนั้นมีความรับผิดชอบไม่น้อย - คุณต้องรู้กฎบางประการ ประการแรก เพื่อลดสัญญาณรบกวนจากตัวนำหนึ่งไปยังอีกตัวนำหนึ่ง ควรรักษาระยะห่างระหว่างตัวนำเหล่านั้น

สำหรับสัญญาณนาฬิกา เช่นเดียวกับเส้นเสียง วิดีโอ และรีเซ็ต แนะนำให้เว้นความกว้างของร่องรอยไว้ที่ด้านข้างอย่างน้อยสองเส้น ในกรณีที่สำคัญอย่างยิ่ง พวกเขาพยายามหลีกเลี่ยงการตัดกับรางที่อยู่ฝั่งตรงข้ามของกระดาน

แน่นอนคุณเคยเห็นแผงวงจรพิมพ์ของอุปกรณ์ต่าง ๆ แล้ว - และสังเกตว่าส่วนใหญ่ไม่มีมุมฉาก

ที่ความถี่สูงพวกมันจะทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ ดังนั้นเมื่อหมุนพวกมันจึงหันไปทำมุม 45 องศา

ก่อนหน้านี้ แผงวงจรพิมพ์ถูกวาดด้วยมือ ซึ่งหมายความว่ามุมต่างๆ นั้นกำหนดเองได้ (ไม่เคร่งครัดที่ 45 องศา) จากมุมมองของ EMC เลย์เอาต์นี้ดีกว่า แต่ไม่ได้ทำให้บอร์ดเข้าใจได้ง่ายขึ้น ในขณะนี้ ระบบ CAD สมัยใหม่ทั้งหมดรองรับ .

เหนือสิ่งอื่นใดเมื่อหมุน 90 องศาซึ่งหมายถึงในวงจรทรงพลังที่มีกระแสสูงสิ่งนี้อาจทำให้ส่วนร้อนเกินไปและความเหนื่อยหน่ายได้ ในวงจรความถี่ต่ำห้ามใช้การเชื่อมต่อรูปตัว T แต่ในวงจรความถี่สูงจะทำให้เกิดปัญหาได้

ในทางกลับกันควรหลีกเลี่ยงมุมที่แหลมคมซึ่งถือว่าไม่ดีจากมุมมองทางเทคโนโลยี ในสถานที่ดังกล่าว สารเคมีจะเกิด "ความซบเซา" และในระหว่างการแกะสลัก ส่วนหนึ่งของตัวนำจะถูกกัดเซาะออกไป

เหนือสิ่งอื่นใด ความกว้างของตัวนำจะต้องคงที่ เพราะเมื่อมีการเปลี่ยนแปลง แทร็กจะเริ่มทำตัวเหมือนเสาอากาศ ไม่แนะนำให้วางรู Via บนแผ่นอิเล็กโทรดหรือใกล้กับชิ้นส่วน (โดยไม่แยกพวกมันออกด้วยหน้ากากประสาน) เนื่องจากอาจทำให้ลวดบัดกรีไหลและส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องระหว่างการประกอบ ทางที่ดีควรปิดจุดแวะด้วยหน้ากากประสาน

องค์ประกอบที่เชื่อมต่อกับหลุมฝังกลบจะต้องแยกจากกันด้วยแผงกั้นความร้อน ซึ่งช่วยป้องกันความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอของไซต์ในระหว่างการบัดกรี

ไมโครคอนโทรลเลอร์

เราได้ดูประเด็นพื้นฐานของโครงร่าง PCB แล้ว ถึงเวลาที่จะต้องพิจารณาถึงสิ่งที่เฉพาะเจาะจงโดยเฉพาะ แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการเดินสายไฟและสายกราวด์ของไมโครคอนโทรลเลอร์

ต้องวางตัวเก็บประจุแบบบล็อกไว้ใกล้กับขั้วต่อไมโครคอนโทรลเลอร์มากที่สุดเพื่อให้อยู่ตาม "เส้นทาง" ของกระแส มิฉะนั้นก็ไม่มีประเด็นเลย

สำหรับการพิมพ์ด้านเดียว เทมเพลตจะมีลักษณะดังนี้:

ในกรณีของบอร์ดสองด้านจะสะดวกในการวางตัวเก็บประจุไว้ใต้ไมโครคอนโทรลเลอร์ แต่หากมีจำนวนมากและการติดตั้งอัตโนมัติจะทำให้เกิดปัญหาทางเทคนิค โดยปกติแล้วพวกเขาจะพยายามวางส่วนประกอบไว้ด้านเดียว

เครื่องสะท้อนเสียงแบบควอตซ์ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดนาฬิกาควรตั้งอยู่ใกล้กับขามากที่สุด กระดานด้านเดียว:

จัมเปอร์ทั้งหมดระหว่างขาของชิป SMD จะต้องอยู่นอกพื้นที่บัดกรี:

และสุดท้ายคือเคล็ดลับที่เป็นประโยชน์

1 บทบัญญัติทั่วไป

เพื่อป้องกันปัญหาเกี่ยวกับไฟฟ้าสถิตและเสียงรบกวนเมื่อวางแผงวงจรพิมพ์ต้องปฏิบัติตามกฎบางประการ จุดวิกฤติที่สุดคือพิน C เพราะ เชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ 3.3 โวลต์ในตัวของแกน MK ดังนั้นตัวเก็บประจุตัวกรองควรอยู่ใกล้ขั้วต่อมากที่สุด

คุณควรใส่ใจกับการเดินสายไฟของวงจรไฟฟ้าและกราวด์อย่างใกล้ชิด อาหารถูกจัดเตรียมโดย "ดาว" เราแนะนำให้วางชั้นดินด้านการติดตั้งไว้ใต้ตัว MK โดยตรง เส้น Vcc และ Vss ควรมีจุดเชื่อมต่อเพียงจุดเดียวไปยังส่วนที่เหลือของวงจรเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนกับ MK และจาก MK ตัวเก็บประจุตัวกรอง (DeCaps) ควรตั้งอยู่ใกล้กับขั้วต่อที่เกี่ยวข้องมากที่สุด เมื่อเช่นกัน ระยะทางที่ดีพวกเขาหยุดปฏิบัติหน้าที่

เมื่อใช้เครื่องสะท้อนเสียงแบบควอตซ์ ควรอยู่ห่างจากขั้วต่อ Xn(A) ขั้นต่ำ

หากเป็นไปได้ แนะนำให้วางตัวเก็บประจุตัวกรองไว้ที่ด้านติดตั้ง MK

2 การเดินสายไฟของแหล่งจ่ายไฟ

บัส Vcc และ Vss จำเป็นต้องถูกกำหนดเส้นทางไม่ใช่แบบอนุกรม แต่อยู่ใน "ดาว" สำหรับ Vss แนะนำให้ใช้รูปหลายเหลี่ยมดินใต้ตัว MK โดยเชื่อมต่อที่จุดหนึ่งกับส่วนที่เหลือของวงจร

ด้านล่างนี้คือตัวอย่างการเดินสายไฟของแหล่งจ่ายไฟที่ไม่ดีและดีสองตัวอย่าง

3 การกรองเอาต์พุต C

4 วงจรกรองกำลัง

ตัวเก็บประจุตัวกรอง (DeCaps) สำหรับวงจรไฟฟ้าจะต้องอยู่ในเส้นทางของกระแสไฟมิฉะนั้นการใช้งานจะไม่สมเหตุสมผล รูปต่อไปนี้อธิบายข้อความนี้:

5 ตำแหน่งของตัวสะท้อนควอทซ์และการเดินสายไฟของวงจรสัญญาณ

ควอตซ์ควรตั้งอยู่ใกล้กับ MK มากที่สุด ดังนั้นตัวเก็บประจุของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะอยู่ที่ "ด้านหลัง" ควอตซ์

6 เอกสารเพิ่มเติม

เพิ่มเติมเพิ่มเติม ข้อมูลรายละเอียดอยู่ในหมายเหตุการใช้งาน 16 บิต-EMC-Guideline

7 รายการข้อสรุปของ MK

ตารางแสดงข้อสรุป MK ที่มีความสำคัญต่อการโต้ตอบทางแม่เหล็กไฟฟ้าและ ข้อมูลโดยย่อเกี่ยวกับการเชื่อมต่อของพวกเขา

* - อาจไม่ปรากฏใน MK เฉพาะ

เล็กน้อยเกี่ยวกับ "คราด" เมื่อออกแบบบอร์ด
ข้อผิดพลาดทั่วไปที่สุดในวงจรการเดินสายไฟในหลายรูปแบบ: ความจุการบล็อกตามแนวจ่าย "+" และ "-" ของ op-amp จะถูกโยนลงบนชั้นกราวด์ซึ่งอยู่ห่างจากกันนั่นคือปริมาณการใช้กระแสลูปของ ออปแอมป์ไหลผ่านชั้นกราวด์ ต้องวางภาชนะเหล่านี้เพื่อให้ระยะห่างระหว่างจุดเชื่อมต่อกับชั้นดินน้อยที่สุด การบล็อกความถี่สูง - ตัวเก็บประจุ SMD ขนาด 1206 สามารถใส่ไว้ใต้ตัวเรือน DIP-8 ได้อย่างง่ายดายและด้วยทักษะบางอย่าง - 1210 ตามธรรมชาติแล้วพื้นที่ของวงจรกระแสไหลที่เกิดขึ้นก็ควรมีน้อยที่สุดเช่นกัน สิ่งนี้ดำเนินไปโดยไม่บอกกล่าว

ตัวต้านทานในวงจรกำลังของไอซีแต่ละตัวทำให้การเดินสายง่ายขึ้นมากเพราะว่า ทำหน้าที่เป็นจัมเปอร์และอนุญาตให้วางแหล่งจ่ายไฟ "+" และ "-" ใกล้กัน ซึ่งเป็นที่ต้องการอย่างมากในการลดการปล่อยกระแสสัญญาณ/เอาท์พุตจากวงจรไฟฟ้า

นอกจากนี้ยังมีวิธีการที่หรูหรา (แต่ใช้แรงงานมาก) ในการระงับการรบกวนของกราวด์โดยไม่ต้องแยกกราวด์อย่างชัดเจน ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อใช้บอร์ดสองด้าน - การอนุรักษ์สูงสุดชั้นทึบของ "กราวด์" ที่ด้านหนึ่ง (นั่นคือ จริงๆ แล้วเป็นโครงร่างวงจรชั้นเดียวที่อีกด้านหนึ่ง โดยมี "จัมเปอร์ขั้นต่ำ") เป็นการวิเคราะห์อย่างละเอียดเกี่ยวกับรูปทรงของการไหลของกระแสพลังงานตามระนาบกราวด์นี้ และการหาจุดเท่ากันคือ จุด ความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างนั้นเมื่อกระแสไหลผ่านพื้นในวงจรกำลัง/โหลด ยังคงอยู่ใกล้ศูนย์ จุดเหล่านี้ใช้เป็นหมุดกราวด์ "สัญญาณ" ประเภทของรูปทรงการไหลของกระแสสามารถเปลี่ยนแปลงได้หากจำเป็น โดยการแนะนำการตัดเพิ่มเติมหรือในทางกลับกัน โดยการสร้างจัมเปอร์ในส่วนของชั้นดินที่เกิดขึ้นตามเงื่อนไขของสายไฟ

การศึกษาประเด็นปัญหาของโทโพโลยี/กระแสกระแส ฯลฯ ที่ละเอียดที่สุด ดำเนินการเพื่อสร้างวิธีการออกแบบอุปกรณ์ที่ทนทานต่อพัลส์ EMP ที่เกิดจากการระเบิดของอาวุธนิวเคลียร์หรือเครื่องกำเนิด EMP แบบพัลส์ น่าเสียดายที่สิ่งพิมพ์ในหัวข้อนี้มีกระจัดกระจายและยิ่งไปกว่านั้นพวกเขามักจะยัง "อยู่ใต้โต๊ะ" ฉันสแกนบทความที่มีภาพประกอบบทความหนึ่งแล้ว แต่ไม่สามารถแนบได้ที่นี่ - เลือกขีดจำกัดจำนวนไฟล์แนบแล้ว

เกี่ยวกับการออกแบบของ PP
ควรสังเกตทันทีว่าแนวทางที่ตรงไปตรงมาในบางครั้ง - "ยิ่งมีเลเยอร์มากเท่าไหร่ก็ยิ่งดี" - ใช้ไม่ได้กับวงจรแอนะล็อกล้วนๆ (และดิจิทัลบางส่วน) มีปัจจัยที่เกี่ยวข้องมากเกินไป

PP ชั้นเดียว/สองชั้นบน getinax/ไฟเบอร์กลาส ที่ไม่มีรูเคลือบโลหะ - ปัจจุบันเพียงพอสำหรับมากเท่านั้น อุปกรณ์ง่ายๆในซีรีย์ใหญ่ (>>10,000) ข้อเสียเปรียบหลักคือความน่าเชื่อถือต่ำในสภาวะการทำงานที่รุนแรง (เนื่องจากการลอก แผ่นสัมผัส/ตัวนำระหว่างการสั่นสะเทือนทางกลและรอบความร้อน การสะสมของความชื้น/ฟลักซ์ผ่านผนังรู) ตลอดจนความซับซ้อน (และต้นทุนสูง) คุณภาพการเดินสายของวงจรที่ซับซ้อนใด ๆ ความหนาแน่นในการติดตั้งต่ำ (โดยปกติจะไม่เกิน 3...4 พินต่อตารางเซนติเมตรของพื้นที่บอร์ดทั้งหมด) ข้อดีคือความเรียบง่ายมากและต้นทุนการผลิตต่ำ (ด้วย ปริมาณมากและมาตรฐานการออกแบบประมาณ 0.38 มม. - น้อยกว่า 0.3 ดอลลาร์/ตร.ม. dm) เนื่องจากขาดการเคลือบโลหะและมีความเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนรูเจาะด้วยการเจาะรู

ข้อกำหนดในการเพิ่มความหนาแน่นในการติดตั้งในขณะที่รักษาความน่าเชื่อถือในการผลิตแพ็คเกจ BGA และอุปกรณ์พกพาที่นำไปสู่การพัฒนาเทคโนโลยี microvia เมื่อนอกเหนือไปจากแบบธรรมดา (ผ่าน) ผ่านรูบนกระดานด้านหนึ่งหรือทั้งสองข้างแล้ว blind via via จะเกิดขึ้น ( โดยปกติจะใช้เลเซอร์) ไปยังชั้นที่อยู่ด้านล่าง ขนาดของพื้นที่สัมผัสสำหรับการเปลี่ยนแปลง (0.2...0.3 มม.) นั้นเล็กกว่ารูทะลุมาก ดังนั้น การกำหนดเส้นทางในชั้นที่เหลือจะไม่ถูกรบกวน นอกจากนี้ ในบางกรณีสามารถวางไมโครเวียบนหน้าสัมผัสขององค์ประกอบ SMD ได้โดยไม่ต้องเสี่ยงที่ชิ้นส่วนโลหะบัดกรีจะหลุดออกจากรูที่เห็นได้ชัดเจน เนื่องจากมีขนาดเล็กและความลึก (ไม่เกิน 0.1...0.15 มม.) สิ่งนี้จะเพิ่มความหนาแน่นของสายไฟอย่างมากเพราะว่า ตามกฎแล้ว ไม่สามารถวางจุดแวะธรรมดาบนแผ่นอิเล็กโทรดขององค์ประกอบ SMD ได้ ไมโครเวียสามารถก่อตัวเป็นชั้นในได้ แต่การผลิตจะยากกว่าและมีราคาแพงกว่ามาก

คำไม่กี่คำเกี่ยวกับความหนาของทองแดงและการเคลือบบอร์ด ส่วนหลักของบอร์ดทำจากวัสดุที่มีความหนาฟอยล์ 35, 18 และ 9 ไมครอนในขณะที่การเคลือบโลหะของรูบนชั้นนอกจะมีการเติมทองแดงอีก 15-25 ไมครอน (ควรมี ~ 20 ไมครอนใน หลุม) บอร์ดที่มีมาตรฐานการออกแบบ 0.127 หรือน้อยกว่า มักจะทำจากวัสดุที่มีความหนาของฟอยล์ประมาณ 9 ไมครอน (ฟอยล์ที่บางกว่า การบิดเบือนน้อยลงรูปร่างของรูปแบบเนื่องจากการตัดด้านล่างของตัวนำด้านข้าง) ไม่จำเป็นต้องกังวลเกี่ยวกับ “หน้าตัดเล็ก ๆ ของทองแดง” เพราะ ตัวนำที่พิมพ์ออกมาในมุมมอง ระบายความร้อนได้ดีอนุญาตให้มีความหนาแน่นกระแสไฟสูงกว่า (~ 100 A/ตร.มม.) มากกว่าลวดติดตั้ง (3...10 A/ตร.มม.) ความหนาขั้นสุดท้ายในชั้นนอกเนื่องจากการสะสมของทองแดงในระหว่างการทำให้เป็นโลหะของรู ตามธรรมชาติแล้วจะมากกว่าความหนาของฟอยล์ดั้งเดิม ความต้านทานของตัวนำแบบแบนขึ้นอยู่กับรูปทรงของมันในแง่ของ กฎหมายง่ายๆ: ความต้านทานกำลังสอง x จำนวนกำลังสอง ความต้านทานของสี่เหลี่ยมจัตุรัสไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดสัมบูรณ์ แต่ขึ้นอยู่กับความหนาและค่าการนำไฟฟ้าของวัสดุเท่านั้น นั่นคือความต้านทานของตัวนำที่มีความกว้าง 0.25 มม. และความยาว 10 มม. (เช่น 40 สี่เหลี่ยม) เท่ากับความต้านทานของตัวนำที่มีความกว้าง 2.5 และความยาว 100 สำหรับฟอยล์ทองแดง 35 ไมครอนจะมีค่าประมาณ 0.0005 โอห์ม /สี่เหลี่ยม. บนกระดานอุตสาหกรรม เมื่อทำการเจาะรูโลหะบนฟอยล์ ชั้นทองแดงเพิ่มเติมจะถูกสร้างขึ้นเพื่อให้ความต้านทานของสี่เหลี่ยมจัตุรัสลดลงอีก 20 เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับที่กล่าวมาข้างต้น การบำรุงรักษา แม้แต่ "ไขมัน" ก็มีผลเพียงเล็กน้อยต่อความต้านทาน จุดประสงค์คือเพื่อเพิ่มความจุความร้อนของตัวนำเพื่อไม่ให้เกิดไฟไหม้จากกระแสไฟช็อตในระยะสั้น ด้วยการใช้การแก้ไขโฟโตมาสก์ (เช่น การแนะนำการแก้ไขสำหรับการตัดส่วนล่าง) และการกัดแบบแอนไอโซทรอปิก ผู้ผลิตจึงสามารถรับประกันการผลิตบอร์ดที่มีความหนาของฟอยล์ดั้งเดิมได้สูงสุดถึง 30-40% ของมาตรฐานการออกแบบ เช่น เมื่อใช้ฟอยล์ที่หนาที่สุด 105 ไมครอน (และคำนึงถึงการสะสมของทองแดง - ประมาณ 125-130 ไมครอน) มาตรฐานการออกแบบอาจมีตั้งแต่ 0.3...0.35 มม.

ข้อจำกัดที่สำคัญกว่าสำหรับวงจรไฟฟ้าก็คือ ปัจจุบันที่อนุญาตที่ผ่านรูเปลี่ยนผ่านนั้นขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางเป็นหลัก เนื่องจากความหนาของการเคลือบโลหะในนั้นมีขนาดเล็ก (15...25 μm) และตามกฎแล้วไม่ได้ขึ้นอยู่กับความหนาของฟอยล์ สำหรับรูที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.5 มม. และมีความหนาของบอร์ด 1.5 มม. กระแสไฟที่อนุญาตคือประมาณ 0.4 A สำหรับ 1 มม. - ประมาณ 0.75 A หากจำเป็นต้องส่งกระแสไฟฟ้าผ่านรูมากขึ้น วิธีแก้ปัญหาที่สมเหตุสมผลจะเป็นดังนี้ เพื่อใช้ไม่ใช่รูขนาดใหญ่ แต่เป็นชุดรูเล็ก ๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากวางหนาแน่นในรูปแบบ "กระดานหมากรุก" หรือ "รังผึ้ง" - ที่จุดยอดของตารางหกเหลี่ยม จุดแวะซ้ำยังให้ประโยชน์ในด้านความน่าเชื่อถือ ดังนั้นจึงมักใช้ในวงจรวิกฤติ (รวมถึงวงจรสัญญาณ) เมื่อพัฒนาอุปกรณ์สำหรับการใช้งานที่สำคัญอย่างยิ่ง (เช่น ระบบช่วยชีวิต)

การเคลือบตัวนำบอร์ดสามารถเป็นฉนวนและ/หรือป้องกันได้ “หน้ากากประสาน” คือการเคลือบฉนวนป้องกันซึ่งมีหน้าต่างเกิดขึ้นที่แผ่นสัมผัส ตัวนำอาจเป็นทองแดงหรือหุ้มด้วยชั้นโลหะที่ป้องกันการกัดกร่อน (ดีบุก/ตะกั่ว นิกเกิล ทอง ฯลฯ) การเคลือบแต่ละประเภทมีข้อดีและข้อเสีย การเคลือบอาจเป็นชั้นบาง โดยมีความหนาเพียงเศษเสี้ยวไมครอน (โดยปกติจะเป็นสารเคมี) และชั้นหนา (กัลวานิก, การชุบร้อน) วิธีที่ดีที่สุดคือใช้หน้ากากบัดกรีกับทองแดงเปลือยหรือการเคลือบชั้นบาง ๆ เมื่อนำไปใช้กับรอยกระป๋องจะยึดเกาะได้แย่กว่าและในระหว่างการบัดกรีจะเกิดเอฟเฟกต์ของเส้นเลือดฝอย - การบัดกรี/การแยกหน้ากาก การชุบทองมีทั้งสองแบบ เคมี (บาง) และกัลวานิก (ต้องการ การเชื่อมต่อไฟฟ้าบนขั้วต่อ) ในการผลิตขนาดใหญ่ ตัวเลือกในการเคลือบแผ่นสัมผัสทองแดงบริสุทธิ์ (ไม่เคลือบ) ของบอร์ดที่มีสารเคลือบเงาคล้ายฟลักซ์ (เคลือบออร์แกนิก) ก็เป็นที่นิยมเช่นกัน การเลือกประเภทการเคลือบขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีการติดตั้งและประเภทของชิ้นส่วน สำหรับการติดตั้งด้วยตนเอง (และเป็นอัตโนมัติสำหรับชิ้นส่วนขนาดมาตรฐาน 0805 และใหญ่กว่า) ในกรณีส่วนใหญ่ ตัวเลือกที่ดีที่สุดคือการชุบแผ่นอิเล็กโทรดแบบร้อน (HASL) ด้วยหน้ากากทองแดง สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็กและการติดตั้งอัตโนมัติ หากไม่มีข้อกำหนดสำหรับการรั่วไหลบนบอร์ดในระดับต่ำเป็นพิเศษ ให้ทำอย่างใดอย่างหนึ่ง ตัวเลือกที่ดีที่สุด- เคมีภัณฑ์ (แช่) ทองคำ (Flash Gold) หรือดีบุกแช่ ทองคำเคมีมีราคาถูกมากในโลกปกติ เช่นเดียวกับการชุบร้อน และในขณะเดียวกันก็ให้ที่นั่งสำหรับธาตุต่างๆ อย่างสมบูรณ์แบบ โดยไม่ต้องใช้ตุ่มประสาน อย่างไรก็ตามเมื่อผลิตแผงวงจรในสหพันธรัฐรัสเซียมักจะดีกว่าที่จะสั่งการเคลือบไม่ใช่ด้วยทองคำแช่ แต่ใช้ดีบุก - โซลูชันของมันไม่ได้ช่วยอะไรมากนัก เมื่อบัดกรีบอร์ดที่มีการเคลือบบาง รวมถึง Flash Gold จะต้องบัดกรีอย่างรวดเร็วและ/หรือเติมด้วยฟลักซ์ที่เป็นกลางเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดออกซิเดชันของทองแดงผ่านรูของการเคลือบ และเมื่อทำการบัดกรีอัตโนมัติ ขอแนะนำให้ใช้สภาพแวดล้อมก๊าซที่เป็นกลางด้วย (ไนโตรเจน, ฟรีออน)

ด้านล่างนี้เป็นวรรณกรรมที่เข้าใจได้มากที่สุด (ในความคิดของฉัน) ปัญหานี้เช่นเดียวกับตัวอย่างของบอร์ดคอมพิวเตอร์สองชั้นสำหรับไมโครโปรไฟล์มิเตอร์ (โปรไฟล์โลมิเตอร์) ที่ฉันพัฒนาเมื่อประมาณ 10 ปีที่แล้ว ซึ่งมีการนำมาตรการเพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพของโทโพโลยีถูกนำไปใช้โดยไม่มีความคลั่งไคล้เพียงบางส่วนเท่านั้น อย่างไรก็ตามสิ่งนี้เพียงพอที่จะให้ความละเอียดของอะตอมหลาย ๆ ตัวโดยไม่มีการป้องกันใด ๆ ในพีซีที่ใช้งานได้ซึ่งมีเสียงรบกวน (และส่วนกำลังของมันเอง - การควบคุมมอเตอร์สับเปลี่ยน) หลายครั้งเกินข้อกำหนดของข้อกำหนดทางเทคนิค ( op-amps ที่ใช้มีเพียง TL084/LM324 เท่านั้น) อุปกรณ์ดังกล่าวถูกผลิตจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ และเป็นเครื่องวัดโปรไฟล์เพียงเครื่องเดียวที่มีความแม่นยำระดับ 1 ในสหพันธรัฐรัสเซีย

ผู้ใช้ฟอรั่ม: เซีย_2

ใน ส่วนนี้เรามาดูวิธีหลีกเลี่ยงการบิดเบือน สัญญาณดิจิตอลเกี่ยวข้องกับการส่งสัญญาณผ่านตัวนำบนแผงวงจรพิมพ์ แม้ว่านี่จะเป็นงานหลักสำหรับวิศวกรวงจร แต่นักออกแบบ PCB ก็มักจะตำหนิปัญหาเกี่ยวกับการส่งสัญญาณบนบอร์ด เช่นเดียวกับ crosstalk และ crosstalk ที่เกิดขึ้นบนบอร์ด

เหตุใดสัญญาณจึงบิดเบี้ยวระหว่างการส่งสัญญาณ?
ประการแรก ความบิดเบี้ยวเป็นลักษณะของสัญญาณความถี่สูงที่มีความถี่ตั้งแต่ 1 GHz ขึ้นไป นี่เป็นเพราะผลกระทบของเสียงสะท้อนและการสะท้อนต่อส่วนของสายไฟแต่ละเส้น จุดผ่าน การกระจายเสียงบนบอร์ด และที่อินพุตตัวรับสัญญาณ อย่างไรก็ตาม ปัญหาคือสัญญาณที่มีความถี่สูงถึง 500 MHz ซึ่งเป็นเรื่องปกติสำหรับวงจรดิจิทัลมาตรฐาน ดังที่เราจะได้เห็นในภายหลัง มักจะเกิดการบิดเบือนอย่างมาก ซึ่งหมายความว่าสัญญาณเหล่านั้นสามารถจัดเป็นความถี่สูงได้เช่นกัน

แนวคิดในการส่งสัญญาณที่ไม่มีการบิดเบือนคืออะไร?
หลักการของการส่งสัญญาณโดยไม่ผิดเพี้ยนคือ ตัวนำถูกสร้างเป็นสายส่ง (หรือ "สายยาว") โดยมีอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะ (คลื่น) ที่กำหนด เช่น ความต้านทาน Z 0 เท่ากันตลอดความยาวทั้งหมดจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวรับสัญญาณซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงความสม่ำเสมอของเส้น ข้อกำหนดประการที่สองคือความสอดคล้องของเส้นกับแหล่งกำเนิดและตัวรับสัญญาณ แตกต่างจากตัวนำทั่วไป สายส่งดังกล่าวไม่ทำให้เกิดการสั่นพ้อง การบิดเบือน หรือการสะท้อนระหว่างการส่งสัญญาณ ไม่ว่าจะใช้เวลานานเท่าใดก็ตาม สายส่งสามารถนำไปใช้งานบนแผงวงจรพิมพ์ได้อย่างง่ายดายโดยใช้วัสดุที่มีพารามิเตอร์ที่ทราบ และรับประกันขนาดที่ต้องการขององค์ประกอบลวดลายที่พิมพ์ มีการจับคู่สายแบบอนุกรมและแบบขนาน และจำเป็นต้องใช้ตัวต้านทานบางตัวที่เอาต์พุตต้นทางและ/หรืออินพุตตัวรับสัญญาณ แน่นอนว่าสายส่งที่สร้างบนบอร์ดสามารถขยายออกไปด้านนอกบอร์ดได้โดยใช้ขั้วต่อและสายเคเบิลที่มีคุณลักษณะอิมพีแดนซ์แบบควบคุม Z 0

สัญญาณใดที่ความผิดเพี้ยนมีความสำคัญ?
โดยการเปรียบเทียบความยาวของตัวนำบนบอร์ดกับความยาวคลื่นที่ส่วนประกอบความถี่สูงสุดมี สัญญาณที่ส่ง(เช่น เมื่อกระจายในวัสดุ FR4) สามารถกำหนดความยาวไฟฟ้าของตัวนำที่เรียกว่าได้ ความยาวไฟฟ้าสามารถแสดงเป็นเศษส่วนของความยาวคลื่นต่ำสุดหรือเป็นเศษส่วนของค่าผกผัน - ระยะเวลาส่วนหน้า หากตัวนำมีความยาวทางไฟฟ้ามากเกินไป เพื่อป้องกันการบิดเบือนสัญญาณมากเกินไป ตัวนำนี้จะต้องได้รับการกำหนดค่าให้เป็นสายส่ง โปรดทราบว่าเมื่อส่งสัญญาณความถี่สูง สายส่งควรใช้ไม่เพียงเพื่อลดการบิดเบือน แต่ยังเพื่อลดระดับ รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า(เอมี่).

กฎ "ครึ่งระยะเวลาของแนวหน้า"
กฎคร่าวๆ ก็คือตัวนำนั้น "ยาวทางไฟฟ้า" (สิ่งที่เรียกว่าในวิศวกรรมไฟฟ้า) "สายยาว") หากเวลาที่ใช้สำหรับด้านหน้าของสัญญาณในการส่งผ่านจากแหล่งกำเนิดไปยังเครื่องรับที่ไกลที่สุดเกินกว่าครึ่งหนึ่งของเวลาด้านหน้าของสัญญาณ ในกรณีนี้ การสะท้อนในเส้นสามารถบิดเบือนสัญญาณด้านหน้าได้อย่างมาก สมมติว่าอุปกรณ์มีชิปที่มีเวลาเพิ่มขึ้น 2 ns (ตัวอย่างเช่น ตามเอกสารประกอบสำหรับซีรีส์ FastTTL) ค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ PCB (FR4) ที่ความถี่สูงอยู่ใกล้กับ 4.0 ซึ่งให้ความเร็วด้านหน้าประมาณ 50% ของความเร็วแสง หรือ 1.5.10 8 เมตร/วินาที ซึ่งสอดคล้องกับเวลาการแพร่กระจายด้านหน้าที่ 6.7 พิโคเซคอน/มม. ด้วยความเร็วนี้ ด้านหน้าจะเคลื่อนที่ได้ประมาณ 300 มม. ใน 2 ns จากนี้เราก็สามารถสรุปได้ว่าสำหรับ สัญญาณที่คล้ายกัน"สายส่ง" ควรใช้เฉพาะในกรณีที่ความยาวของตัวนำเกินครึ่งหนึ่งของระยะห่างนี้ - เช่น 150 มม.

น่าเสียดายที่นี่เป็นคำตอบที่ผิด กฎ "เวลาเพิ่มขึ้นครึ่งหนึ่ง" นั้นง่ายเกินไปและอาจนำไปสู่ปัญหาได้หากไม่คำนึงถึงข้อบกพร่อง

ปัญหาด้วยแนวทางที่เรียบง่าย
ข้อมูลเกี่ยวกับเวลาที่เพิ่มขึ้นที่ระบุในเอกสารประกอบสำหรับไมโครวงจรสะท้อนถึงค่าสูงสุดและบ่อยครั้ง เวลาจริงการสลับน้อยกว่ามาก (เช่นอาจน้อยกว่า "สูงสุด" 3-4 เท่าและแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะรับประกันได้ว่าจะไม่เปลี่ยนจากชุดหนึ่งไปอีกชุดของชิป) นอกจากนี้ ส่วนประกอบ capacitive ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของโหลด (จากอินพุต IC ที่เชื่อมต่อกับสาย) จะช่วยลดความเร็วในการแพร่กระจายสัญญาณเมื่อเทียบกับความเร็วการออกแบบที่ทำได้บนแผงวงจรเปล่า ดังนั้น เพื่อให้บรรลุความสมบูรณ์ของสัญญาณที่ส่งเพียงพอ จึงควรใช้สายส่งที่มีตัวนำสั้นกว่ากฎที่แนะนำไว้ก่อนหน้านี้มาก แสดงให้เห็นว่าสำหรับสัญญาณที่มีเวลาเพิ่มขึ้น (ตามเอกสารประกอบ) 2 ns ขอแนะนำให้ใช้สายส่งสำหรับตัวนำที่มีความยาวเกินเพียง 30 มม. (และบางครั้งก็น้อยกว่านั้น)! โดยเฉพาะอย่างยิ่งใช้กับสัญญาณที่มีฟังก์ชันการซิงโครไนซ์หรือเกตติ้ง มันเป็นสัญญาณเหล่านี้อย่างชัดเจนซึ่งโดดเด่นด้วยปัญหาที่เกี่ยวข้องกับ “ ผลบวกลวง", "การคำนวณใหม่", "การแก้ไขข้อมูลที่ไม่ถูกต้อง" และอื่นๆ

ออกแบบสายส่งอย่างไร?
มีสิ่งพิมพ์จำนวนมากเกี่ยวกับประเภทของสายส่งที่สามารถมีได้ วิธีการออกแบบบนแผงวงจรพิมพ์ และวิธีการตรวจสอบพารามิเตอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มาตรฐาน IEC 1188-1-2:1988 ให้ไว้ คำแนะนำโดยละเอียดบนคะแนนนี้ นอกจากนี้ยังมีผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์มากมายที่ให้คุณเลือกการออกแบบสายส่งและโครงสร้าง PCB ได้ ส่วนใหญ่ ระบบที่ทันสมัยการออกแบบ PCB มาพร้อมกับโปรแกรมในตัวที่ช่วยให้ผู้ออกแบบสามารถออกแบบสายส่งด้วยพารามิเตอร์ที่ระบุได้ ตัวอย่างได้แก่โปรแกรม เช่น AppCAD, CITS25, TXLine ที่สุด ความสามารถเต็มเปี่ยมจัดเตรียม ผลิตภัณฑ์ซอฟต์แวร์จากโพลาร์ อินสทรูเมนท์ส

ตัวอย่างของสายส่ง
เป็นตัวอย่างให้พิจารณามากที่สุด ประเภทง่ายๆสายส่ง

จะออกแบบสายส่งอย่างไรให้ดีที่สุด?
สัญญาณความเร็วสูงสุด (หรือวิกฤตที่สุด) ควรอยู่ในชั้นที่อยู่ติดกับระนาบกราวด์ (GND) โดยควรเป็นสัญญาณที่จับคู่กับระนาบกำลังแยกส่วน สัญญาณที่สำคัญน้อยกว่าสามารถนำไปใช้กับแผนการใช้พลังงานได้ หากแผนเหล่านั้นมีการแยกส่วนอย่างเพียงพอและไม่มีเสียงรบกวนมากนัก แผนการใช้พลังงานแต่ละแผนจะต้องเชื่อมโยงกับชิปที่ได้รับหรือได้รับ สัญญาณนี้- การต้านทานสัญญาณรบกวนและ EMC ที่ดีที่สุดได้มาจากเส้นแถบที่ลากระหว่างแผน GND สองแผน ซึ่งแต่ละแผนจะจับคู่กับแผนการใช้พลังงานของตัวเองสำหรับการแยกส่วน
สายส่งจะต้องไม่มีรู ขาด หรือแตกในแผนอ้างอิงใด ๆ ที่วาดไว้ เนื่องจากจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญใน Z 0 นอกจากนี้ เส้นแถบควรอยู่ห่างจากจุดแตกหักของแผนหรือจากขอบของแผนอ้างอิงให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และ ระยะทางที่กำหนดไม่ควรน้อยกว่าสิบเท่าของความกว้างของตัวนำ สายส่งที่อยู่ติดกันจะต้องคั่นด้วยความกว้างของตัวนำอย่างน้อยสามเส้นเพื่อกำจัดครอสทอล์ค สัญญาณที่วิกฤตมากหรือสัญญาณ "รุนแรง" (เช่น การสื่อสารกับเสาอากาศวิทยุ) จะได้ประโยชน์จาก EMC โดยการใช้เส้นสมมาตรที่มีจุดผ่านสองแถวที่มีระยะห่างกันอย่างใกล้ชิด ราวกับว่าปิดกั้นสัญญาณจากตัวนำอื่นๆ และสร้างโครงสร้างโคแอกเชียลในแผงวงจรพิมพ์ . อย่างไรก็ตามสำหรับโครงสร้างดังกล่าว Z 0 คำนวณโดยใช้สูตรที่แตกต่างกัน

คุณจะลดต้นทุนของโครงการได้อย่างไร?
ประเภทของสายส่งที่อธิบายไว้ข้างต้นจำเป็นต้องใช้แผ่นหลายชั้นเกือบทุกครั้ง ดังนั้นจึงอาจใช้ไม่ได้กับการสร้างผลิตภัณฑ์คุณภาพต่ำที่ผลิตจำนวนมาก หมวดหมู่ราคา(แม้ว่าจะมีปริมาณมาก PCB 4 ชั้นจะมีราคาแพงกว่าแบบสองด้านเพียง 20-30% เท่านั้น) อย่างไรก็ตาม สำหรับโครงการที่มีต้นทุนต่ำ ก็มีการใช้ประเภทเส้น เช่น แบบสมดุล (สม่ำเสมอ) หรือแบบระนาบร่วม ซึ่งสามารถสร้างบนกระดานชั้นเดียวได้ โปรดทราบว่าสายส่งแบบชั้นเดียวใช้พื้นที่บนบอร์ดมากกว่าสายไมโครสตริปและสตริปไลน์หลายเท่า นอกจากนี้ แม้จะประหยัดต้นทุนของแผงวงจรพิมพ์ แต่คุณก็ยังต้องจ่ายเพิ่มสำหรับการป้องกันอุปกรณ์และการกรองสัญญาณรบกวนเพิ่มเติม กิน กฎทั่วไปโดยระบุว่าการแก้ปัญหา EMC ในระดับบรรจุภัณฑ์ของผลิตภัณฑ์มีค่าใช้จ่ายมากกว่าการแก้ปัญหาเดียวกันในระดับแผงวงจรพิมพ์ถึง 10-100 เท่า
ดังนั้นเมื่อลดงบประมาณการพัฒนาด้วยการลดจำนวนชั้น PCB ให้เตรียมการใช้จ่าย ช่วงต่อเวลาพิเศษและเงินสำหรับการสั่งซื้อบอร์ดตัวอย่างซ้ำหลายครั้งเพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณมีความสมบูรณ์และ EMC ในระดับที่ต้องการ

จะลดผลกระทบด้านลบจากการเปลี่ยนเลเยอร์ได้อย่างไร?
ตามกฎการเดินสายมาตรฐาน จะมีตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนอย่างน้อยหนึ่งตัวอยู่ใกล้แต่ละชิป ดังนั้นเราจึงสามารถเปลี่ยนเลเยอร์ใกล้กับชิปได้ อย่างไรก็ตาม ต้องคำนึงถึงความยาวรวมของส่วนที่ไม่ได้อยู่ในเลเยอร์ "แถบ" กฎคร่าวๆ คือ ความยาวทางไฟฟ้ารวมของส่วนเหล่านี้ไม่ควรเกินหนึ่งในแปดของเวลาที่เพิ่มขึ้น หากการเปลี่ยนแปลงใน Z 0 มากเกินไปอาจเกิดขึ้นกับส่วนใด ๆ เหล่านี้ (เช่นเมื่อใช้ซ็อกเก็ต ZIF หรือซ็อกเก็ตประเภทอื่นสำหรับไมโครวงจร) จะเป็นการดีกว่าที่จะพยายามลดความยาวนี้ให้เหลือเพียงหนึ่งในสิบของเวลาที่เพิ่มขึ้น ใช้กฎนี้เพื่อกำหนดความยาวรวมสูงสุดที่อนุญาตของส่วนที่ไม่ได้มาตรฐาน และพยายามย่อให้เหลือให้เหลือน้อยที่สุดภายในขีดจำกัดเหล่านี้ให้มากที่สุด
จากนี้สำหรับสัญญาณที่มีเวลาเพิ่มขึ้น (ตามเอกสารประกอบ) 2 ns เราต้องเปลี่ยนเลเยอร์ไม่เกิน 10 มม. จากศูนย์กลางของวงจรไมโครหรือจากศูนย์กลางของตัวต้านทานที่ตรงกัน กฎนี้ได้รับการพัฒนาโดยคำนึงถึงระยะขอบ 4 เท่าเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าเวลาเปลี่ยนจริงอาจน้อยกว่าเวลาสูงสุดอย่างมากตามเอกสารประกอบ ที่ระยะห่างประมาณเท่ากัน (ไม่มาก) จากตำแหน่งที่ชั้นมีการเปลี่ยนแปลง ควรมีตัวเก็บประจุแบบแยกส่วนอย่างน้อยหนึ่งตัวที่เชื่อมต่อกับกราวด์และแผนกำลังไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง ระยะทางที่น้อยเช่นนี้ทำได้ยากเมื่อใช้ชิปขนาดใหญ่ ดังนั้นโครงร่างของวงจรความเร็วสูงสมัยใหม่จึงต้องมีการประนีประนอม อย่างไรก็ตามกฎนี้แสดงให้เห็นถึงความจริงที่ว่าไมโครวงจรขนาดเล็กเป็นที่นิยมในวงจรความเร็วสูงและอธิบายความเป็นจริงของการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี BGA และฟลิปชิปซึ่งลดเส้นทางสัญญาณจากตัวนำบนบอร์ดไปยังชิปให้เหลือน้อยที่สุด ของไมโครเซอร์กิต

การจำลองและการทดสอบต้นแบบ
เนื่องจากมีตัวเลือกชิปให้เลือกมากมายและอีกมากมาย มากกว่าในการใช้งาน วิศวกรบางคนอาจพบว่ากฎง่ายๆ เหล่านี้ไม่แม่นยำเพียงพอ และบางคนอาจพบว่ากฎดังกล่าวเกินจริง แต่นั่นคือบทบาทของ " กฎการปฏิบัติ" เป็นเพียงการประมาณคร่าวๆ ที่ช่วยให้คุณออกแบบอุปกรณ์ที่ทำงานได้อย่างถูกต้องโดยสังหรณ์ใจ
ในปัจจุบัน เครื่องมือสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์มีการเข้าถึงและล้ำหน้ามากขึ้นเรื่อยๆ ช่วยให้คุณสามารถคำนวณพารามิเตอร์ความสมบูรณ์ของสัญญาณ EMC ขึ้นอยู่กับโครงสร้างเลเยอร์จริงและการกำหนดเส้นทางสัญญาณ แน่นอนว่าการใช้งานจะให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำมากกว่าการประมาณคร่าวๆ ของเรา ดังนั้นเราขอแนะนำให้ใช้ให้ครบถ้วนที่สุด การสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์- อย่างไรก็ตาม อย่าลืมว่าเวลาในการเปลี่ยนจริงของวงจรไมโครอาจสั้นกว่าที่ระบุไว้ในเอกสารประกอบอย่างมาก และอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่ถูกต้อง ดังนั้นตรวจสอบให้แน่ใจว่าแบบจำลองของระยะเอาต์พุตและอินพุตสอดคล้องกับความเป็นจริง
ขั้นตอนต่อไปคือการตรวจสอบการผ่านของสัญญาณวิกฤติบนตัวอย่าง "ต้นแบบ" แรกของแผงวงจรพิมพ์ โดยใช้ ออสซิลโลสโคปความถี่สูง- คุณต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่ารูปคลื่นไม่บิดเบี้ยวขณะเคลื่อนที่ไปตามความยาวทั้งหมดของแผงวงจร และการปฏิบัติตามกฎข้างต้นไม่น่าจะให้ผลลัพธ์ที่ยอดเยี่ยมในครั้งแรก แม้ว่าอาจจะค่อนข้างดีก็ตาม การใช้เครื่องวิเคราะห์สนามแม่เหล็กไฟฟ้า RF หรือเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมการปล่อยก๊าซ อาจเป็นอีกวิธีหนึ่งในการตรวจสอบความสมบูรณ์ของสัญญาณและปัญหา EMC ที่ระดับ PCB "ต้นแบบ" วิธีการวิเคราะห์ดังกล่าวไม่ใช่หัวข้อของบทความนี้
แม้ว่าคุณจะใช้การจำลองวงจรที่ซับซ้อน แต่อย่าละเลยความสมบูรณ์ของสัญญาณและการทดสอบ EMC บนต้นแบบ PCB แรกๆ ของคุณ

ให้ความต้านทานของคลื่นในขั้นตอนการผลิต PCB
วัสดุ FR4 ทั่วไปที่มีไว้สำหรับการผลิตแผงวงจรพิมพ์มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (E r) ประมาณ 3.8...4.2 ที่ 1 GHz ค่า E r จริงอาจแตกต่างกันภายใน ±25% มีวัสดุ FR4 ที่มีค่า E r ซึ่งได้รับการจัดอันดับและรับประกันโดยซัพพลายเออร์ และไม่แพงกว่าวัสดุทั่วไปมากนัก แต่ผู้ผลิต PCB ไม่จำเป็นต้องใช้เกรด FR4 "ที่ได้รับการจัดอันดับ" เว้นแต่จะระบุไว้เป็นพิเศษในคำสั่งซื้อ PCB
ผู้ผลิต PCB ทำงานกับความหนาไดอิเล็กทริกมาตรฐาน (“พรีเพก” และ “ลามิเนต”) และต้องกำหนดความหนาในแต่ละชั้นก่อนที่จะนำแผ่นไปผลิต โดยคำนึงถึงค่าเผื่อความหนา (ประมาณ ±10%) เพื่อให้แน่ใจว่า Z 0 ที่กำหนด คุณสามารถเลือกความกว้างของตัวนำที่เหมาะสมได้สำหรับความหนาอิเล็กทริก สำหรับผู้ผลิตบางรายจำเป็นต้องระบุความกว้างที่ต้องการจริงของตัวนำสำหรับรายอื่น - โดยมีระยะขอบสำหรับการตัดด้านล่างซึ่งสามารถเข้าถึง 25-50 ไมครอนเทียบกับความกว้างที่ระบุ ตัวเลือกที่ดีที่สุดเป็นการบ่งชี้ให้ผู้ผลิตทราบว่าความกว้างของตัวนำที่ชั้นได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงข้อกำหนดของ Z 0 ที่กำหนด ในกรณีนี้ผู้ผลิตสามารถปรับความกว้างของตัวนำและโครงสร้างชั้นเพื่อให้มั่นใจได้ พารามิเตอร์ที่ระบุตามเทคโนโลยีการผลิต นอกจากนี้ผู้ผลิตจะวัดผลตามความเป็นจริง ความต้านทานคลื่นในแต่ละโรงงานว่างเปล่าและตัวมันเองจะปฏิเสธบอร์ดที่ Z 0 ไม่ตกอยู่ภายใต้ความคลาดเคลื่อน ±10% หรือมากกว่านั้นอย่างแม่นยำ
สำหรับสัญญาณที่สูงกว่า 1 GHz อาจจำเป็นต้องใช้วัสดุที่มีความถี่สูงกว่าซึ่งมีความเสถียรดีกว่าและมีคุณสมบัติเป็นฉนวนอื่นๆ (เช่น Duroid จาก Rogers เป็นต้น)

วรรณกรรม
1. เทคนิคการออกแบบสำหรับ EMC และความสมบูรณ์ของสัญญาณ โดย Eur Ing Keith Armstrong
2. มอก. 61188-1-2: 2541 บอร์ดพิมพ์และส่วนประกอบบอร์ดพิมพ์ - การออกแบบและการใช้งาน ส่วนที่ 1-2: ข้อกำหนดทั่วไป - อิมพีแดนซ์แบบควบคุม www.iec.ch
3. การออกแบบแผงวงจรพิมพ์หลายชั้นที่มีความซับซ้อนสูง สัมมนาเทคโนโลยี PCB, 2549
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. การออกแบบฮาร์ดแวร์ วอลท์ เคสเตอร์.

เมื่อพัฒนาแผงวงจรพิมพ์ที่มีการเพิ่มประสิทธิภาพด้านราคา จะเกิดปัญหาหลายประการเกิดขึ้น ประเด็นสำคัญ- แม้ว่าเป้าหมายเริ่มแรกอาจเป็นการออกแบบ PCB ให้มีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่นี่อาจไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่ถูกที่สุดสำหรับทั้งระบบ การลดขนาด PCB สามารถทำได้โดยการเพิ่มจำนวนชั้น PCB ซึ่งจะนำไปสู่ปัญหา EMC ที่สามารถเพิ่มต้นทุนมหาศาลในขณะที่โครงการดำเนินไป

การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า, EMI หรือความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า, EMC เป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบ PCB การรับรองความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้าของอุปกรณ์ทั้งหมดอาจมีค่าใช้จ่ายสูงมากหากนักออกแบบตัดมุมในการออกแบบและการผลิตแผงวงจรพิมพ์ ดังนั้นวิธีการประหยัดต้นทุนบางประการจึงต้องถูกกำจัดตั้งแต่เริ่มต้น หากส่วนประกอบโต้ตอบหรือปล่อย EMI จะต้องมีค่าใช้จ่ายสูงเพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของ EMC ในระหว่างขั้นตอนการทดสอบ

แม้ว่าบอร์ดสี่ชั้นจะถือเป็นความสมดุลที่เหมาะสมที่สุดของการป้องกัน EMI และการกำหนดเส้นทางบอร์ด แต่ก็มักจะเป็นไปได้ที่จะออกแบบบอร์ดสองชั้นที่มีลักษณะเหมือนกันโดยใช้ เงินฟรีร่องรอย PCB เช่น ดีไซน์สปาร์ค PCB ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ได้อย่างมาก โดยไม่กระทบต่อการทดสอบในอนาคต

เส้นทางกลับของสัญญาณมีมากที่สุด ปัญหาที่ซับซ้อนเมื่อติดตามแผงวงจรพิมพ์ การติดตามการส่งคืนกลับภายใต้ทุกการติดตามที่เชื่อมต่อกับพินสัญญาณของไมโครคอนโทรลเลอร์อาจเป็นเรื่องยากทีเดียว แต่นั่นคือสิ่งที่บอร์ดสี่ชั้นที่มีระนาบกราวด์มอบให้ ไม่ว่าร่องรอยจะอยู่ที่ไหน ก็มีทางกลับไปสู่พื้นดินข้างใต้เสมอ

สิ่งที่ใกล้กับชั้นกราวด์มากที่สุดในแง่ของคุณลักษณะบนกระดานสองชั้นคือกริดกราวด์ซึ่งช่วยลดการแผ่รังสี การรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าจากเส้นทางสัญญาณ การลดพื้นที่ลูปโดยการกำหนดเส้นทางกลับใต้เส้นทางสัญญาณเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการแก้ปัญหานี้ และการสร้างตารางกราวด์เป็นวิธีที่ดีที่สุด ขั้นตอนสำคัญ(หลังการวางแผนโครงร่าง) ในการติดตาม PCB

การสร้างขัดแตะจะสร้างพื้นผิว

การสร้าง Lattice เป็นเทคนิคสำคัญในการบรรลุ EMC ในบอร์ดแบบสองชั้น คล้ายกับเครือข่ายไฟฟ้ามาก แต่เป็นเครือข่ายของการเชื่อมต่อรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าระหว่างตัวนำที่มีการต่อสายดิน สิ่งนี้จะสร้างระนาบกราวด์ที่ให้การลด EMI เช่นเดียวกับบอร์ดสี่ชั้น และจริง ๆ แล้วปล่อยระนาบกราวด์ที่ใช้ในบอร์ดสี่ชั้นเพื่อปรับปรุง EMC โดยการสร้างเส้นทางกลับไปยังกราวด์ภายใต้การติดตามสัญญาณแต่ละรายการและลด ความต้านทานระหว่างไมโครคอนโทรลเลอร์และตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

การสร้างโครงตาข่ายทำได้โดยการขยายเส้นทางกราวด์และสร้างรูประนาบนำไฟฟ้าที่มีการต่อกราวด์ เพื่อสร้างเครือข่ายการเชื่อมต่อกราวด์ทั่วทั้งพื้นผิวของ PCB ตัวอย่างเช่น หาก PCB มีร่องรอยชั้นบนสุดที่ทำงานในแนวตั้งและชั้นล่างสุดที่ทำงานในแนวนอน สิ่งนี้จะลดเงื่อนไขสำหรับการกำหนดเส้นทางส่งคืนเส้นทางไปยังกราวด์ใต้สายสัญญาณ ซึ่งโดยปกติจะดำเนินการในสองขั้นตอน:

• ขั้นแรกให้ขยายตัวนำสายดินทั้งหมดเพื่อครอบครอง พื้นที่ที่ใหญ่ที่สุดบนแผงวงจรพิมพ์
• แล้วอย่างอื่นทั้งหมด พื้นที่ว่างเต็มไปด้วยพื้นผิวที่มีการต่อสายดิน

เป้าหมายของแนวทางนี้คือการสร้างตะแกรงให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้บน PCB สองชั้น การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในเค้าโครง PCB สามารถทำให้เกิดการเชื่อมต่อเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มพื้นที่ของกริดกราวด์

การแบ่งเขต PCB

การแบ่งเขต PCB เป็นอีกเทคนิคหนึ่งที่สามารถใช้เพื่อลดเสียงรบกวนและ EMI ของ PCB ได้ ดังนั้นจึงช่วยลดความจำเป็นในชั้น PCB เพิ่มเติม เทคโนโลยีนี้มีความหมายพื้นฐานเช่นเดียวกับการวางแผนการจัดวางส่วนประกอบ ซึ่งเป็นกระบวนการในการกำหนดตำแหน่งของส่วนประกอบบนกระดานเปล่าก่อนกำหนดเส้นทางสายไฟ การแบ่งเขต PCB เป็นกระบวนการที่ซับซ้อนกว่าเล็กน้อยในการวางฟังก์ชันที่คล้ายกันในพื้นที่หนึ่งของ PCB แทนที่จะผสมฟังก์ชันการทำงาน ส่วนประกอบที่แตกต่างกันด้วยกัน. ลอจิกความเร็วสูง รวมถึงไมโครคอนโทรลเลอร์ วางอยู่ใกล้กับวงจรไฟฟ้ามากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ส่วนประกอบที่ช้าจะอยู่ไกลออกไป และส่วนประกอบแอนะล็อกจะอยู่ไกลออกไป วิธีการนี้มีผลกระทบอย่างมากต่อ EMC ของ PCB

ด้วยการจัดเรียงนี้ ตรรกะความเร็วสูงมีผลกระทบต่อเส้นทางสัญญาณอื่นๆ น้อยลง สิ่งสำคัญอย่างยิ่งคือต้องอยู่ห่างจากวงจรแอนะล็อก สัญญาณความเร็วต่ำ และขั้วต่อ กฎนี้ใช้กับทั้งแผงวงจรพิมพ์และการจัดวางส่วนประกอบภายในอุปกรณ์ ควรหลีกเลี่ยงเค้าโครงที่วางสายเคเบิลมัดรอบตัวสะท้อนเสียงหรือไมโครคอนโทรลเลอร์ เนื่องจากสายเคเบิลเหล่านี้จะรวบรวมเสียงรบกวนและพกพาไปรอบๆ ดังนั้นการแบ่งเขตยังกำหนดตำแหน่งของตัวเชื่อมต่อบนแผงวงจรพิมพ์ด้วย

เครื่องมือออกแบบ PCB

มีเครื่องมือการออกแบบมากมายเพื่อรองรับการออกแบบโดยคำนึงถึงการปรับแต่ง EMC เป็นหลัก หนึ่งในวิธีการเหล่านี้ ดีไซน์สปาร์ค PCB เวอร์ชันล่าสุดซึ่งสนับสนุนการตรวจสอบกฎการออกแบบ (DRC) ในระหว่างการกำหนดเส้นทาง แทนที่จะดำเนินการตรวจสอบหลังจากการกำหนดเส้นทางเสร็จสมบูรณ์ สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อปรับแต่ง PCB ให้เหมาะสมกับต้นทุน เนื่องจากข้อขัดแย้งหรือข้อผิดพลาดใดๆ จะได้รับการส่งสัญญาณทันทีและสามารถแก้ไขได้ แน่นอนว่าการตรวจสอบเหล่านี้ขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์ของข้อมูลที่ระบุโดยผู้ออกแบบ แต่วิธีนี้ช่วยให้คุณเร่งกระบวนการกำหนดเส้นทางให้เร็วขึ้น และทำให้มีเวลามากขึ้นสำหรับปัญหาสำคัญอื่น ๆ

ในเวอร์ชัน 5 ดีไซน์สปาร์ค PCB ตรวจสอบออนไลน์กฎการออกแบบจะตรวจสอบส่วนประกอบใดๆ ที่ถูกเพิ่มหรือย้ายอันเป็นผลมาจากการดำเนินการแก้ไขแบบโต้ตอบ ตัวอย่างเช่น สายไฟทั้งหมดที่ต่อกับส่วนประกอบที่ถูกย้ายและสายไฟทั้งหมดที่เพิ่มโดยการกำหนดเส้นทางแบบแมนนวลจะถูกตรวจสอบ

เวอร์ชัน 5 ยังเพิ่มการรองรับรถโดยสารเพื่อให้สามารถจัดกลุ่มและกำหนดเส้นทางตัวนำได้อย่างง่ายดาย แทนที่จะดึงการเชื่อมต่อทั้งหมดในการออกแบบและเชื่อมต่อกับแต่ละพิน ผู้ออกแบบสามารถสร้างการออกแบบที่ไม่เกะกะได้โดยใช้บัสโดยการเพิ่มการเชื่อมต่อพินของส่วนประกอบเข้ากับบัสที่ใช้ส่งสัญญาณ

รูปที่ 1: การเพิ่มบัสบาร์ลงใน DesignSpark PCB เวอร์ชัน 5

ยางสามารถเปิดหรือปิดได้ บัสแบบปิดคือชุดของชื่อตัวนำที่กำหนดไว้ล่วงหน้าสำหรับบัสที่กำหนด และมีเพียงตัวนำเหล่านั้นเท่านั้นที่สามารถเชื่อมต่อกับบัสที่กำหนดได้ ในขณะที่บัสแบบเปิดสามารถรวมตัวนำใดๆ ก็ได้

แม้ว่าคุณสมบัติเหล่านี้เหมาะสมเมื่อกำหนดเส้นทางรถเมล์ แต่ก็สามารถใช้เพื่อกำหนดเส้นทางตัวนำอื่น ๆ บนแผงวงจรพิมพ์ได้ ความสามารถในการใช้บัสบาร์ในวงจรสามารถช่วยทำให้การออกแบบง่ายขึ้นและชัดเจนยิ่งขึ้นโดยการจัดกลุ่มตัวนำที่มีแนวโน้มที่จะเกิด EMI หลายตัวร่วมกับตัวนำส่งกลับกราวด์โดยรอบ ซึ่งจะช่วยลด EMI บนบอร์ดที่ได้รับการออกแบบ หลักการทั่วไปที่ดีคืออย่าใช้ตัวนำปล่อยสัญญาณ EMI ที่ด้านนอกของบอร์ด ซึ่งอาจเป็นเรื่องยากสำหรับบอร์ดสองชั้นขนาดเล็ก การนำวงจรเปล่งแสงที่ไม่ใช่ EMI ออกจากสถานที่ เช่น ขั้วต่อ วงจรเรโซเนเตอร์ รีเลย์ และไดรเวอร์รีเลย์ ซึ่งสามารถเหนี่ยวนำ EMI ในวงจรเหล่านี้ยังช่วยปรับปรุงอีกด้วย ความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า.

บทสรุป

การออกแบบ PCB ที่มีความเรียบง่ายที่จำเป็นในการลดต้นทุนถือเป็นงานที่ยากกว่าการใช้ประโยชน์จากความสมบูรณ์ของบอร์ดหลายชั้น

ปัญหา EMC บางอย่างสามารถแก้ไขได้โดยใช้ตัวเก็บประจุแบบคัปปลิ้งและเม็ดเฟอร์ไรต์เพื่อระงับสัญญาณใดๆ ที่อาจปล่อยออกมา แต่จะเพิ่มความซับซ้อนให้กับการออกแบบและเพิ่มต้นทุนการผลิต หากปัญหา EMI และ EMC สามารถลดลงได้ตามกฎการออกแบบที่เหมาะสมโดยใช้การพิจารณาการแบ่งเขตและการรบกวน การสร้างกริดไฟฟ้าและกราวด์สามารถให้การป้องกันในระดับเดียวกันในบอร์ดสองชั้นเท่าที่เป็นไปได้ในการออกแบบสี่หรือหกชั้น ซึ่งไม่เพียงแต่ช่วยลดต้นทุนการผลิตบอร์ดเท่านั้น แต่ยังปรับปรุงความน่าเชื่อถือและประสิทธิภาพ รวมถึงความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งช่วยลดต้นทุนอีกด้วย วงจรชีวิตอุปกรณ์.