Маленькі секрети трасування плат з операційними та інструментальними підсилювачами
- Інтернет речей
- Звук
- Електроніка для початківців
- Tutorial
Під час проектування плат
Ніщо не обходиться так дешево,
І не цінується так високо,
Як правильне трасування.
У вік інтернету речей та доступності виготовлення друкованих плат, причому не тільки за ЛУТ технологією, їх проектуванням часто займаються люди, вся діяльність яких пов'язана з цифровою технікою.
Навіть при трасуванні простої цифрової плати існують негласні правила, яким я завжди дотримуюся своїх проектів, а в разі розробки вимірювальних пристроївіз цифроаналоговими ділянками схем це просто необхідно.
У цій статті я хочу звернути проектувальників-початківців на ряд елементарних прийомів, яких слід дотримуватися щоб отримати стійко працюючу схему і знизити похибку вимірювання або мінімізувати коефіцієнт спотворень звукового тракту. Для наочності інформація викладена як розгляду двох прикладів.
Приклад номер два. Трасування простої схеми операційного підсилювача
Мал. 1. Схема підсилювача на ОУ
Мал. 2. Два варіанти трасування плати підсилювача на ОУ
Невеликий офтопік, що прямо не відноситься до теми сьогоднішньої статті
Настійно раджу застосовувати цей прийом при подачі харчування і на інші типи мікросхем, особливо АЦП, ЦАП і численні висновки харчування мікроконтролерів. Якщо ви використовуєте вбудовані аналогові модулі мікроконтролера - ADC, DAC, компаратори, джерела опорної напруги не полінуйтеся заглянути в даташит і подивитися які блокувальні конденсатори в якій кількості і куди потрібно ставити. Не завадить ланцюг розв'язки у вигляді фільтра або хоча б опору між основним цифровим харчуванняммікроконтролера та аналоговим. Аналогову землю краще розміщувати окремим полігоном або екранним шаром і з'єднувати з основною землею в одній точці, в деяких випадках корисно через фільтр
Елементи ланцюга зворотнього зв'язкуповинні бути розташовані якомога ближче до входу, що не інвертує, що мінімізує можливість наведень на високоомний вхідний ланцюг.
Переходимо до більш серйозного та цікавій нагодіз області вимірювань, де трасування буває архі важливим.
Приклад номер один. Трасування монітора струму споживання на інструментальному підсилювачі
Мал. 3. Схема монітора струму із використанням інструментального ОУ
На малюнку представлена схема вимірювача споживаного струму. Вимірювальним елементом служить опір шунт включений в ланцюг живлення. Навантаження на якому вимірюється струм - R load. Вимірювана напруга знімається з опору R shunt та фільтрується за допомогою симетричного ланцюга на елементах R1,R2,C1-C3. Мікросхема U2 служить подачі опорного напруги. R4, C5 – вихідний фільтр.
При трасуванні зрозуміло необхідно дотримуватися всіх рекомендацій, які були дані вище.
Мал. 4. Два варіанти трасування плати підсилювача на інструментальному ОУ
Розберемо недоліки, які має ліва схема:
- Оскільки ми маємо диференціальний вхід, необхідно виконати два його сигнальні ланцюги якомога симетричнішими. Провідники сигнальних ліній повинні мати однакову довжину та розташовуватися близько один до одного. в ідеалі однаковій відстані друг від друга;
- Мікросхему повторювача опорного джерела необхідно розташовувати якомога ближче до входу опорної напруги інструментального підсилювача.
Не тримайте на стіні заряджену рушницю. Одного разу воно обов'язково вистрілить і вибере для цього незручний момент.
Під час розробки друкованих плат із оптимізацією ціни виникає ряд ключових питань. У той час як вихідною метою може бути розробка якнайменша за розмірами друкованої платиДля всієї системи це може виявитися не найдешевшим рішенням. Зниження розміру друкованої плати можливе шляхом збільшення кількості шарів друкованої плати, що у свою чергу призводить до виникнення питань електромагнітної сумісності, які можуть вилитися у величезні витрати на ході проекту.
Електромагнітні перешкоди, ЕМП або електромагнітна сумісність, ЕМС є ключовим чинником розробки друкованих плат. Забезпечення електромагнітної сумісності пристрою в цілому може виявитися надзвичайно витратним процесом, якщо при розробці та виготовленні друкованих плат розробник "зрізав кути", тому деякі підходи щодо зниження собівартості необхідно відмістити ще на самому початку. Якщо компоненти будуть взаємодіяти з ЕМП або випромінювати ЕМП, це вимагатиме високих витрат для того, щоб задовольнити вимоги ЕМС на етапі випробувань.
У той час як чотиришарова плата вважається оптимальним балансом захисту від ЕМП та трасування плати, часто можна розробити двошарову плату з тими ж характеристиками, використовуючи безкоштовними коштамитрасування друкованих плат, такі як DesignSpark PCB. Це забезпечує значне зниження вартості виготовлення друкованої плати без впливу на перебіг випробувань надалі.
Шляхи повернення сигналу є найбільш складною проблемоюпід час трасування друкованих плат. Було досить важко виконати трасування зворотного заземлення під кожною доріжкою, пов'язаної з сигнальним висновком мікроконтролера, але саме це забезпечує чотиришарова плата із заземленим шаром. Немає значення, де проходять доріжки, під ними завжди проходить шлях зворотного сигналу на землю.
Найбільш близьким до заземленого шару за характеристиками на двошаровій платі є грати заземлення, що знижує випромінювання електромагнітних перешкод сигнальних доріжок. Зменшення площі петлі виконуючи трасування зворотного шляху під доріжкою сигналу є найбільш ефективним способомвирішення цієї проблеми, і створення решітки заземлення є самим важливим етапом(після планування розміщення) у трасуванні друкованої плати
Генерування ґрат створює поверхню
Генерування грат є ключовою методикою для забезпечення ЕМС у двошарових платах. Дуже схоже на силову мережу, це мережа прямокутних з'єднань між заземленими провідниками. Насправді таким чином створюється заземлена поверхня, яка забезпечує таке ж зниження електромагнітного шуму, як і чотиришарова плата і фактично емітує заземлену поверхню, що використовується в чотиришаровій платі для забезпечення покращення ЕМС, створюючи зворотний шлях на заземлення під кожною сигнальною доріжкою та знижуючи імпеданс між мікроконтролером та регулятором напруги.
Генерування грат виконується розширенням доріжок заземлення і створенням заземлених провідних плоских фігур для того, щоб створити мережу з'єднань із землею по всій поверхні друкованої плати. Наприклад, якщо друкована плата має переважно доріжки верхнього шару, що йдуть вертикально і доріжки нижнього шару, що проходять переважно горизонтально, це вже погіршує умови для трасування зворотних шляхів на землю під сигнальними провідниками, яка зазвичай виконується у два етапи:
- спочатку всі провідники заземлення розширюються для того, щоб зайняти найбільший простірна друкованій платі;
- потім все, що залишилося вільне місцезаповнюється заземленою поверхнею.
Мета такого підходу полягає в генерації якомога більшої решітки на двошаровій друкованій платі. Невеликі зміни у розведенні друкованої плати можуть дозволити додаткові з'єднання для збільшення площі решітки заземлення.
Зонування друкованої плати
Зонування друкованої плати - це інша технологія, яка може бути використана для зниження шуму та ЕМП друкованої плати та таким чином знизити необхідність у додаткових шарах друкованої плати. Ця технологія має той же основний зміст як і планування розміщення компонентів, що є процесом визначення розташування компонентів на чистій платі перед тим як трасувати провідники. Зонування друкованої плати трохи складніший процес розміщення схожого функціоналу в одній зоні друкованої плати замість того, щоб змішувати функціонально різні компонентиразом. Високошвидкісна логіка, включаючи мікроконтролери, розміщується якомога ближче до ланцюгів живлення, повільні компоненти розміщуються далі, а аналогові компоненти ще далі. Цей підхід суттєво впливає на ЕМС друкованоїплати.
При такому розташуванні восокошвидкісна логіка менше впливає на провідники інших сигналів. Особливо важливо, щоб петля кварцового резонатора була розміщена далеко від аналогових ланцюгів, низькошвидкісних сигналів та з'єднувачів. Це правило застосовується і до друкованих плат, і розміщення компонентів усередині пристрою. Необхідно уникати компоновок, при яких пучки кабелів розміщуватимуться навколо резонатора або мікроконтролера, оскільки ці кабелі будуть збирати шум і розносити його всюди. Таким чином, при зонуванні визначається в тому числі і розміщення роз'ємів на друкованій платі.
Засоби розробки друкованих плат
Існує безліч засобів розробки, які забезпечують проектування з урахуванням оптимізації ЕМС. Один із таких коштів DesignSpark PCB останніх версія, які підтримують перевірку правил проектування (DRC, design rules checking) при трасуванні, а не під час перевірки після завершення трасування. Це особливо корисно при оптимізації друкованої плати за вартістю, оскільки будь-які конфлікти чи помилки негайно сигналізуються та можуть бути вирішені. Звичайно, ці перевірки залежать від повноти інформації, заданої проектувальником, але такий підхід дозволяє прискорити процес трасування і таким чином звільнити час для інших важливих питань.
У версії 5 DesignSpark PCB онлайн перевіркаправил проектування перевіряє будь-які компоненти, які додавалися та переносилися внаслідок інтерактивних операцій редагування. Наприклад, перевіряються всі провідники, приєднані до переміщеного компонента та всі провідники, додані при ручному трасуванні.
У версії 5 також додана підтримка шин так, що провідники можна легко згрупувати і трасувати разом. Замість викреслення всіх з'єднань у проекті та підключення їх до кожного висновку, проектувальник може створити менш захаращений проект за допомогою шин, додаючи з'єднання виведення компонента до шини, через яку сигнал передається.
Рисунок 1: Додавання шин до DesignSpark PCB версії 5
Шини можуть бути відкритими та закритими. Закрита шина є сукупністю імен провідників, визначених для даної шини, і тільки ці провідники можуть підключатися до цієї шини, в той час як відкрита шина може включати будь-який провідник.
При тому, що такі можливості мають сенс при трасуванні шин, їх можна використовувати для розведення інших провідників із друкованої плати. Ця можливість використання шин у схемах може допомогти зробити проект простіше і зрозуміліше за допомогою угруповання кількох провідників з підвищеним випромінюванням ЕМП разом з оточуючими їх заземлюючими зворотними провідниками і таким чином знизити ЕМП на платі, що розробляється. Хорошим правиломправило ніколи не проводити випромінюючі ЕМП провідники на зовнішній стороні плати, що може бути складним для маленьких двошарових плат. Вводячи ланцюги, що не випромінюють ЕМП з місць, таких як роз'єми, резонаторні ланцюги, реле, драйвери реле, де в цих ланцюгах можу наводитися електромагнітні перешкодитакож допомагає поліпшити електромагнітну сумісність.
Висновок
Розробка друкованої плати з простою, необхідною для зниження вартості, можливо, більш важке завдання, ніж використання багатства багатошарової плати.
Деякі проблеми ЕМС можна вирішити застосуванням розділових конденсаторів та феритових шайб для придушення будь-яких сигналів, які можуть випромінюватись, але це додає складності проекту та збільшує вартість виробництва. Якщо проблеми електромагнітних перешкод та електромагнітної сумісності можна мінімізувати за допомогою правильних правил проектування використовуючи зонування та врахування взаємних наведень, генерування грат силових ланцюгів та заземлення може забезпечити той самий рівень екранування у двошаровій платі, який можливий у чотирьох або шестишарової конструкції. Це не тільки знижує вартість виготовлення плати, але й покращує надійність та продуктивність, включаючи електромагнітну сумісність, таким чином знижуючи вартість життєвого циклуобладнання.
Трохи про "граблі" під час проектування плат.
Найбільш типова помилка розведення ланцюгів живлення в багатьох конструкціях: ємності блокування по "+" і "-" живлення ОУ кинуті на земляний шар далеко один від одного, тобто по земляному шару тече контурний струм споживання ОУ. Ці ємності треба розташовувати так, щоб відстань між точками їх приєднання до земляного шару була мінімальною. Високочастотні блокування - під корпус DIP-8 легко влазять SMD конденсатори типорозміру 1206, а при деякому вмінні - і 1210. Природно, площа контура протікання струмів, що утворюється, теж повинна бути мінімальною, це само собою зрозуміло.
Резистори в ланцюгах живлення кожної ІМС сильно полегшують розведення, т.к. служать перемичками, і дозволяють "+" і "-" живлення розвести впритул один до одного, що дуже бажано для зниження випромінювань сигнальних/вихідних струмів ланцюгами живлення.
Існує також витончений (але вельми трудомісткий) метод придушення перешкод "землею" без явного поділу земель, особливо корисний при використанні двосторонніх плат. максимальне збереженняцільного шару " землі " одній зі сторін (тобто. фактично одношарова розведення схеми з іншого боку, з мінімумом " перемичок " ), ретельний аналіз контурів протікання струмів живлення по цій земляної площині і знаходження еквіпотенційних точок, тобто. точок, різниця потенціалів між якими при протіканні по "землі" струмів у ланцюгах живлення/навантаження залишається близьким до нуля. Ці точки і використовуються як висновки "сигнальної" землі. Вид контурів протікання струмів при необхідності можна змінювати, вводячи додаткові розрізи або навпаки, роблячи перемички в розрізах земляного шару, що виникли за умов розведення.
Найдокладніше вивчення питань топології/протікання струмів тощо. було виконано при створенні методик проектування пристроїв, стійких до ЕМІ імпульсу, що виникає під час вибуху ядерних боєприпасів або ЕМІ-генераторів імпульсної дії. На жаль, публікації на цю тему розрізнені, до того ж часто досі "під грифом". Одну з ілюстративних статей я відсканував, але не можу сюди прикрутити – вибрано ліміт на кількість вкладень.
Про конструювання ПП.
Необхідно відразу відзначити, що іноді прямолінійний підхід, що зустрічається - "що більше шарів - тим краще" - для суто аналогових (а частково і для цифрових) схем "не котить". Занадто багато факторів, що приходять.
Одно/двошарові ПП на гетинаксі/склотекстоліті без металізації отворів - в даний час адекватні тільки для дуже простих пристроїву великій (>>10000) серії. Головні мінуси - низька надійність у жорстких умовах експлуатації (через відшарування контактних майданчиків/провідників при механічних вібраціях та термоциклах, набору вологи/флюсів через стінки отворів), а також складність (і дорожнеча) якісноюрозведення скільки-небудь складних схем. Щільність монтажу низька (зазвичай трохи більше 3...4 висновків на квадратний сантиметр загальної площі плати). Гідність - крайня простота та дешевизна у виробництві (при великих обсягахта проектні норми порядку 0.38 мм - менше $0.3/кв. дм) за рахунок відсутності металізації та можливості заміни свердління отворів їх пробиванням.
Вимоги щодо підвищення щільності монтажу при збереженні надійності у виробництві BGA корпусів та портативної техніки призвели до розробки технології мікропереходів (microvia), коли окрім звичайних (наскрізних) перехідних отворів на платі з однієї або обох сторін формуються (зазвичай лазером) глухі отвори-переходи на нижчележачий шар, що металізуються в одному циклі з металізацією наскрізних отворів. Розмір контактного майданчика під такий перехід (0.2...0.3 мм) набагато менше, ніж під наскрізний отвір, не порушується трасування в інших шарах. До того ж у ряді випадків microvia може бути розміщений на контактному майданчику SMD елемента без ризику відходу помітної частини припою в отвір через його малий розмір і глибину (не більше 0.1...0.15 мм). Це дуже підвищує щільність розведення, т.к. Звичайні перехідні отвори на майданчиках SMD елементів розміщувати, як правило, не можна. Microvia можна також сформувати і у внутрішніх шарах, але це значно складніше і дорожче у виробництві.
Декілька слів про товщину міді та покриття плат. Основна частина плат виготовляється на матеріалах з товщиною фольги 35, 18 і 9 мкм, причому під час металізації отворів на зовнішніх шарах збільшується ще по 15-25 мкм міді (в отворах має бути ~ 20 мкм). Плати з проектними нормами 0.127 і менше, як правило, робляться на матеріалі з товщиною фольги ~9 мкм (чим тонше фольга, тим менше спотворенняформи малюнку через бічний підтрав провідників). Дбати про "малість перерізу міді" не варто, т.к. друковані провідники через хорошого охолодженнядопускають набагато більші щільності струму (~100 А/кв.мм), ніж монтажний провід (3...10 А/кв. мм). Підсумкова товщина у зовнішніх шарах за рахунок осадження міді при металізації отворів, природно, виявляється більшою, ніж у вихідної фольги. Опір плоских провідників залежить від їхньої геометрії в плані простому закону: опір квадрата x число квадратів. Опір квадрата залежить від його абсолютного розміру, лише від товщини і провідності матеріалу. Тобто опір провідника шириною 0,25 мм і довжиною 10 мм (тобто 40 квадратів) такий самий, як при ширині 2,5 і довжині 100. Для мідної фольги 35 мкм це близько 0,0005 Ом/квадрат. На промислових платах при металізації отворів на фольгу нарощується додатковий шар міді, отже опір квадрата падає ще відсотків на 20 проти наведеним вище. Обслуговування ж, навіть жирне, мало впливає на опір, його мета - підвищити теплоємність провідників, щоб вони не згоряли від короткочасного ударного струму. Застосовуючи корекцію фотошаблонів (тобто. вводячи поправки на підтрави) та анізотропне травлення, виготовлювачам вдається забезпечити виробництво плат із товщиною вихідної фольги до 30-40% від проектних норм, тобто. при використанні товстої фольги 105 мкм (а з урахуванням осадження міді - десь 125-130 мкм) проектні норми можуть бути від 0.3...0.35 мм.
Більш істотним обмеженням для силових схемє те, що допустимий струм, Пропускається через перехідний отвір, залежить в основному від його діаметра, так як товщина металізації в ньому невелика (15 ... 25 мкм) і, як правило, не залежить від товщини фольги. Для отвору діаметром 0.5 мм при товщині плати 1.5 мм допустимий струм порядку 0.4 А, для 1 мм - приблизно 0.75 А. При необхідності пропустити по перехідних отворах більший струм раціональним рішенням буде використання не одного великого, а набору дрібних перехідних отворів, особливо при їх щільному розміщення у "шаховому" або "стільниковому" порядку - у вершинах сітки із шестикутників. Дублювання перехідних отворів також дає виграш у надійності, тому часто застосовується і в критичних ланцюгах (у тому числі сигнальних) при розробці апаратури для відповідальних застосувань (наприклад, системи життєзабезпечення).
Покриття провідників плат бувають ізолюючі та/або захисні. "Паяльна маска" - це захисне покриття, в якому сформовані вікна в місцях контактних майданчиків. Провідники можуть бути залишені мідними, або покриті шаром металу, що захищає їх від корозії (оловом/припоєм, нікелем, золотом та ін.). Кожен вид покриття має переваги та недоліки. Покриття бувають тонкошарові, товщиною в частки мікрона (як правило, хімічні), і товстошарові (гальванічні, гаряче лудіння). Паяльну маску краще наносити на голу мідь або тонкошарове покриття, при її нанесенні на луджені доріжки вона тримається гірше і при паянні проявляється капілярний ефект - затікання припою/відриви маски. Золоте покриття буває обох видів, хімічне (тонке) і гальванічне (що вимагає свого виконання електричного з'єднанняпровідників, наприклад, на роз'ємі). У великосерійному виробництві також популярний варіант покриття чисто мідних контактних майданчиків плат флюсоподібним лаком (organic coating). Вибір виду покриття залежить від технології монтажу та типу деталей. Для ручного монтажу (і автоматичного при деталях типорозміру 0805 і більше) у переважній більшості випадків оптимальний варіант- Гаряче лудіння майданчиків (HASL) з маскою по міді. Для більш дрібних деталей та автоматичного монтажу, якщо немає вимог щодо особливо малих витоків на платі, одна з найкращих варіантів- хімічне (імерсійне) золото (Flash Gold) або імерсійне олово. Хімзолото коштує в нормальному світі дуже дешево, стільки ж, скільки гаряче лудіння, і при цьому забезпечує ідеально рівні посадкові місця для елементів, без горбків припою. Однак при виготовленні плат у РФ найчастіше краще замовляти покриття не іммерсійним золотом, а оловом – його розчини не так заощаджують. При паянні плат з тонкими покриттями, у тому числі Flash Gold, їх треба паяти швидко та/або заливати нейтральним флюсом, щоб уникнути окислення міді через пори покриття, а при автоматичному паянні - бажано ще й використовувати середовище нейтрального газу (азот, фреон).
Нижче прикладена найбільш зрозуміла (на мій погляд) література з даному питанню, а також приклад розробленої мною близько 10 років тому двошаровий комп'ютерної плативимірювача мікропрофілів (профілометра), в якій заходи щодо забезпечення якості топології застосовані без фанатизму, лише частково. Однак і цього виявилося достатньо, щоб без будь-яких екранувань, у працюючому ПК з його перешкодами (і власною силовою частиною - керуванням колекторним двигуном) забезпечити дозвіл у кілька атомів, багаторазово перевершивши вимоги ТЗ (використані ОУ - лише TL084/LM324). Прилад випускався до останнього часу і був єдиним у РФ профілометром 1 класу точності.
Користувач форуму: sia_2
Прибуток у сфері споживчої електроніки невисокий, і виробники намагаються підтримувати невисоку вартістьвиробів задля збереження конкурентоспроможності. Тому вони вимагають від розробників використання недорогих друкованих плат (ПП) та компонентів при збереженні бажаного функціоналу пристроїв. Виробники вважають, що забезпечення електромагнітної сумісності (ЕМС) при розробці ПП та застосування компонентів з високим рівнемЕМС – це розкіш, яку вони не можуть собі дозволити.
Багато хто вважає, що проблеми з ЕМС можуть бути вирішені наприкінці циклу розробки за рахунок додаткових компонентів, що пригнічують електромагнітні перешкоди. Не завжди очевидно, що вартість подібних виправлень на завершальних стадіях розробки у багато разів перевищуватиме витрати на забезпечення електромагнітної сумісності на початкових етапахпроектування під час створення ПП. Таким чином, прагнення скоротити витрати на матеріали та компоненти фактично призведе до значного збільшення вартості виробу.
Щоб розробити друковану плату з малим рівнем шумів та мінімальною чутливістю до перешкод, необхідно, по-перше, правильно організувати ланцюг землі, і по-друге – грамотно скомпонувати друковану плату. Для будь-якої ПП бажано мати мінімальний імпеданс землі, щоб забезпечити ефективне перебіг струмів при виникненні перешкод. З іншого боку, саме грамотне компонування є обов'язковою умовоюстворення гарної друкованої плати. Правильне трасування не тільки зменшує імпеданс провідників, але також дозволяє уникнути загального імпедансного зв'язку.
Високочастотна друкована плата: цифрові ланцюги та шуми
Цифрові інтегральні мікросхеми(ІВ), що містять логічні вентилі, є джерелом імпульсних перешкодчерез затримки при вимкненні транзисторів. Щоразу, коли логічний вентиль змінює стан, короткий імпульс наскрізного струму протікає через комплементарні транзисторивихідного каскаду. Індуктивність земляних доріжок не дозволяє струму змінюватися стрибком, що призводить до виникнення викиду напруги.
Щоб зменшити вплив таких перешкод, все цифрові схемиповинні мати мінімальний імпеданс землі. Крім того, поряд з кожною логічною мікросхемоюповинен бути встановлений компонент, що розв'язує, який гарантує, що контур протікання імпульсного струмуне поширюватиметься до джерела живлення Vcc.
Імпеданс землі можна зменшити кількома способами: знижуючи індуктивність провідної доріжки, скорочуючи площу струмових петель і зменшуючи довжину доріжок, якими протікає струм. Частково це можна зробити за рахунок компонентів, що розв'язують, розташованих поблизу кожної логічної мікросхеми.
Зменшення індуктивності провідників землі
Індуктивність провідника прямо пропорційна його довжині. Тому слід зменшувати довжину доріжок, якими протікають імпульсні струми. Додаткове зниження індуктивності можливе за рахунок збільшення ширини доріжок живлення. На жаль, індуктивність обернено пропорційна ширині доріжки, і такий підхід виявляється не дуже ефективним. У результаті саме довжина доріжки є найбільш важливим факторомз погляду забезпечення мінімальної індуктивності.
Якщо знехтувати взаємну індуктивність, то еквівалентна індуктивність двох однакових паралельних доріжок буде вдвічі меншою. У разі чотирьох паралельних доріжок еквівалентна індуктивність виявиться меншою вчетверо. Проте є межа під час використання такого підходу. Справа в тому, що якщо доріжки знаходяться близько один до одного, то взаємна індуктивність наближається до власної індуктивності і еквівалентна індуктивність не знижується. Втім, якщо доріжки розташовуються на відстані вдвічі більше за їх ширину, то може бути досягнуто зниження індуктивності на 25%.
Таким чином, у високочастотної схемислід забезпечити якнайбільше альтернативних паралельних шляхів для протікання земляних струмів. Якщо кількість провідників збільшувати нескінченно, то ми врешті-решт прийдемо до шару суцільної землі. Використання окремого шару землі в багатошарових платахдозволяє разом вирішити величезну кількість проблем.
Якщо мова йдепро двошарову плату, то прийнятний результат може бути досягнутий за рахунок реалізації землі у вигляді сітки (рис. 1). При цьому найкращим буде варіант, коли доріжка землі проходить під кожною мікросхемою по всій її довжині. Допускається використання вертикального кроку сітки, рівного довжиніІС. Вертикальні та горизонтальні доріжки можуть знаходитись на протилежних сторонах плати, але повинні з'єднуватися у вузлах сітки за допомогою перехідних отворів.
Мал. 1. Земля виконана у вигляді сітки
Виявилося, що якщо у звичайній двосторонній друкованій платі з 15 мікросхем земля виконана у вигляді сітки, то земляний шум зменшується в десять разів. Отже, всі двошарові друковані плати з цифровими мікросхемамимають використовувати таке рішення.
Зменшення площі струмових петель
Іншим способом зменшення індуктивності є скорочення площі контурів протікання струмів. Друкована плата з великим розімкненим контуром (рисунок 2 а) є ефективним генератором перешкод. Крім того, сама схема також буде чутливою до зовнішніх магнітних полів.
Розглянемо контур живлення, що складається з двох однакових паралельних доріжок – доріжки живлення Vcc та доріжки землі GND, – у яких струми протікають у протилежних напрямках. Їхня повна індуктивність (Lt) розраховується за формулою 1:
Lt = 2 (L - M) (1)
де L – індуктивність кожної доріжки, а M – взаємна індуктивність.
Якщо мати доріжки Vcc і землі близько один до одного, взаємна індуктивність буде максимальною, а ефективна індуктивність знизиться майже вдвічі. В ідеалі на друкованій платі доріжка Vcc повинна йти паралельно доріжці землі. Це зменшує площу контуру струму і допомагає вирішити проблеми, пов'язані з генерацією шумів та чутливістю до перешкод.
На рис. 2 а показана невдала компонування друкованої плати, але в рис. 2 б представлений покращений варіант. У ньому за рахунок зменшення площі контуру вдалося скоротити довжину доріжки та збільшити взаємну індуктивність, що дозволило досягти зниження викидів та сприйнятливості до перешкод.
конденсатори, що розв'язують
На рис. 3 а доріжки живлення Vcc та землі розташовані близько один до одного. Проте шлях імпульсного струму, починаючись і закінчуючись на джерелі живлення, утворює великий контур (зелена область на малюнку), який може генерувати електромагнітні перешкоди. Якщо поряд з кожною ІС помістити керамічний конденсатор Cc, що розв'язує, підключений між ланцюгами Vcc і землі, то він, виступаючи в якості буферного елемента, забезпечить живлення мікросхеми протягом часу перемикання, тим самим зменшивши контур протікання струму.
Мал. 3. Розв'язуючий конденсатор
В ідеалі ємність конденсатора, що розв'язує, повинна становити близько 1 нФ. Слід використовувати керамічні конденсатори, оскільки вони здатні віддавати заряд з дуже великою швидкістю. Високий струм розряду та мала самоіндукція роблять їх ідеальним виборомдля розв'язки харчування.
Імпедансний зв'язок у друкованих платах
На рис. 4 показаний приклад імпедансного зв'язку при використанні загальних шин живлення та землі. У цій схемі аналоговий підсилювачділить шини живлення та землі з логічним вентилем. Імпеданси доріжок показані як зосереджених елементів (Zg і Zs). На підвищених частотах імпеданси доріжок багаторазово зростають. Це відбувається не лише через збільшення індуктивної складової, а й через зростання опору, спричиненого скін-ефектом.
Мал. 4. Загальний імпедансний зв'язок
Як ми бачили раніше, викид напруги виникає щоразу, коли перемикається логічний вентиль. Частина імпедансу землі (Zg3) є загальною як для підсилювача, так і для логічного вентиля, тому підсилювач бачитиме цей імпульс напруги як шум у ланцюзі живлення. Цей шум може бути передано в схему підсилювача або через вхід живлення, або через загальний імпеданс Zg3. Внаслідок цього шум з'явиться безпосередньо на вході підсилювача. Для зменшення загального імпедансного зв'язку слід або зменшити величину загального імпедансу, або повністю його позбутися.
Усунення загального імпедансу
Загальний імпеданс можна усунути, використовуючи з'єднання ланцюгів живлення різних схемв одній точці («зіркою»), як показано на малюнку 5. Для цього необхідно згрупувати схеми в залежності від рівня їхнього власного шуму та сприйнятливості до перешкод. Всередині кожної групи можуть використовуватись загальні шиниале лінії живлення окремих груп з'єднуються в одній точці. Така сполука називається гібридною. Другий підхід полягає у використанні окремих джерел живлення кожної групи схем, що додатково покращує ізоляцію між ланцюгами.
Мал. 5. З'єднання в одній точці
