Dati PCB - Guida di pratica del cablaggio del circuito stampato ad alta velocità

Il cablaggio dei circuiti stampati svolge un ruolo chiave nei circuiti ad alta velocità, ma è spesso uno dei diversi passaggi nel processo di progettazione del circuito. Anche se un buon schema non può garantire un buon cablaggio, un buon cablaggio inizia con un buon schema. Pensare attentamente quando si disegna lo schema, e si deve considerare il flusso di segnale dell'intero circuito. Se c'è un flusso di segnale normale e stabile da sinistra a destra nello schema, allora ci dovrebbe essere lo stesso flusso di segnale buono sulla scheda PCB. Dare quante più informazioni utili possibile sullo schema. Poiché a volte l'ingegnere di progettazione del circuito non è lì, i clienti ci chiederanno di aiutare a risolvere il problema del circuito, i progettisti, i tecnici e gli ingegneri impegnati in questo lavoro saranno molto grati, tra cui noi. Oltre ai comuni identificatori di riferimento, consumo energetico e tolleranza di errore, quali altre informazioni dovrebbero essere fornite nello schema? Ecco alcuni suggerimenti per trasformare schemi ordinari in schemi di prima classe. Aggiungere forme d'onda, informazioni meccaniche sull'involucro, lunghezza delle linee stampate, aree vuote; indicare quali componenti devono essere posizionati sulla scheda PCB; fornire informazioni di regolazione, intervalli di valori dei componenti, informazioni sulla dissipazione del calore, linee stampate di impedenza di controllo, commenti e descrizione sommaria del circuito. Se non stai progettando il cablaggio da solo, assicurati di concedere un sacco di tempo per controllare attentamente il design della persona del cablaggio.

A questo punto, una piccola prevenzione vale cento volte il rimedio. Non aspettatevi che la persona del cablaggio capisca cosa ne pensate. La tua opinione e la tua guida sono importanti nelle prime fasi del processo di progettazione del cablaggio. Più informazioni puoi fornire e più intervieni nell'intero processo di cablaggio, migliore sarà la scheda PCB che otterrai. Imposta un punto di completamento provvisorio per l'ingegnere di progettazione del cablaggio: un controllo rapido in base al progresso del cablaggio desiderato. Questo metodo "a circuito chiuso" può impedire che il cablaggio vada fuori strada, riducendo così la possibilità di rilavorazione. Le istruzioni che devono essere fornite al tecnico del cablaggio includono: una breve descrizione della funzione del circuito, uno schema schematico della scheda PCB che indica le posizioni di ingresso e uscita, Informazioni sull'impilamento della scheda PCB (ad esempio, quanto è spessa la scheda, quanti strati ci sono e le informazioni dettagliate di ogni livello di segnale e piano di terra -Consumo energetico, cavo di terra, segnale analogico, segnale digitale e segnale RF); quali segnali sono richiesti per ogni strato; richiedere il posizionamento di componenti importanti; la posizione esatta dei componenti di bypass; quali linee stampate sono importanti; quali linee devono controllare le linee di stampa ad impedenza; quali linee devono corrispondere alla lunghezza; le dimensioni dei componenti; le linee stampate devono essere lontane l'una dall'altra; quali linee devono essere lontane (o vicine) l'una all'altra; quali componenti devono essere distanti (o vicini) l'uno all'altro; quali componenti devono essere posizionati sulla scheda PCB sopra e quali sono posizionati sotto. Mai lamentarsi che ci sono troppe informazioni per gli altri, troppo poche? E' troppo? No, proprio come in una scheda PCB, la posizione è tutto. Dove posizionare un circuito sul PCB, dove installare i suoi componenti specifici del circuito e quali altri circuiti adiacenti sono, tutti molto importanti.

Di solito, le posizioni di ingresso, uscita e alimentazione sono predeterminate, ma i circuiti tra di loro devono "giocare la propria creatività". Ecco perché prestare attenzione ai dettagli del cablaggio produrrà enormi ricompense. Inizia con la posizione dei componenti chiave e considera il circuito specifico e l'intera scheda PCB. Specificare la posizione dei componenti chiave e dei percorsi di segnale fin dall'inizio aiuta a garantire che il progetto soddisfi gli obiettivi di lavoro previsti. Ottenere il design giusto può ridurre i costi e la pressione e abbreviare il ciclo di sviluppo. Bypassare l'alimentazione all'estremità di alimentazione dell'amplificatore per ridurre il rumore è un aspetto molto importante nel processo di progettazione PCB, inclusi amplificatori operativi ad alta velocità o altri circuiti ad alta velocità. Esistono due metodi di configurazione comuni per bypassare gli amplificatori operativi ad alta velocità. Messa a terra del terminale di alimentazione: questo metodo è efficace nella maggior parte dei casi, utilizzando più condensatori paralleli per macinare direttamente il perno di alimentazione dell'amplificatore operativo. In generale, due condensatori paralleli sono sufficienti, ma l'aggiunta di condensatori paralleli può portare benefici ad alcuni circuiti. Il collegamento parallelo di condensatori con diversi valori di capacità aiuta a garantire che solo un'impedenza CA molto bassa possa essere vista sul pin di alimentazione su un'ampia banda di frequenza. Questo è particolarmente importante per la frequenza di attenuazione del rapporto di rifiuto dell'alimentatore op amp. Questo condensatore aiuta a compensare il PSR ridotto dell'amplificatore. Mantenere un percorso di terra a bassa impedenza in molti intervalli di dieci ottave aiuterà a garantire che il rumore dannoso non possa entrare nell'amplificatore operativo. La figura 1 mostra i vantaggi di utilizzare più condensatori in parallelo. Alle basse frequenze, i condensatori di grandi dimensioni forniscono un percorso di terra a bassa impedenza. Ma una volta che la frequenza raggiunge la propria frequenza di risonanza, la capacità del condensatore si indebolirà e apparirà gradualmente induttiva. Questo è il motivo per cui è importante utilizzare più condensatori: quando la risposta in frequenza di un condensatore inizia a scendere, la risposta in frequenza dell'altro condensatore inizia a funzionare, in modo che possa mantenere un'impedenza AC molto bassa in molti intervalli di dieci ottave. Avviare direttamente dal pin di alimentazione dell'amplificatore operativo; il condensatore con il valore di capacità e la dimensione fisica deve essere posizionato sullo stesso lato del PCB dell'amplificatore operativo e il più vicino possibile all'amplificatore. Il terminale di massa del condensatore dovrebbe essere collegato direttamente al piano di massa con un perno corto o un cavo stampato. Il collegamento sopra terra deve essere il più vicino possibile al terminale di carico dell'amplificatore per ridurre l'interferenza tra il terminale di alimentazione e il terminale di terra. Questo processo dovrebbe essere ripetuto per condensatori con il valore di capacità successivo più grande. Con 0,01 della dimensione del caso 0508, il condensatore ha induttanza di serie molto bassa e prestazioni eccellenti ad alta frequenza. Alimentazione all'alimentazione: un altro metodo di configurazione utilizza uno o più condensatori bypass collegati attraverso i terminali di alimentazione positivi e negativi dell'amplificatore operativo. Questo metodo viene solitamente utilizzato quando è difficile configurare quattro condensatori nel circuito. Il suo svantaggio è che la dimensione del case del condensatore può aumentare perché la tensione attraverso il condensatore è il doppio del valore della tensione nel metodo di bypass a singola alimentazione. L'aumento della tensione richiede di aumentare la tensione nominale di guasto del dispositivo, cioè aumentare le dimensioni del caso. Tuttavia, questo metodo può migliorare le prestazioni PSR e distorsione. Poiché ogni circuito e cablaggio sono diversi, la configurazione, il numero e il valore di capacità dei condensatori dovrebbero essere determinati in base ai requisiti del circuito effettivo. I cosiddetti effetti parassitari sono quei piccoli difetti che si insinuano nel PCB e causano grandi danni al circuito, mal di testa e cause inspiegabili. Sono la capacità parassitaria e l'induttanza parassitaria che penetrano nel circuito ad alta velocità. Compresa l'induttanza parassitaria formata dai perni del pacchetto e le lunghe tracce; le capacità parassitarie formate dal pad al suolo, dal pad al piano di potenza e dal pad alla traccia; l'influenza reciproca tra i vias, e molti altri possibili effetti parassitari. Nei circuiti ad alta velocità, un piccolo valore influenzerà le prestazioni del circuito. A volte bastano dozzine di picofarad. Esempio correlato: Se c'è solo 1 pF di capacità parassitaria aggiuntiva all'ingresso invertinte, può causare picchi di quasi 2 dB nel dominio delle frequenze. Se la capacità parassitaria è abbastanza grande, causerà instabilità e oscillazione del circuito. L'induttanza della striscia è un altro effetto parassitario che deve essere considerato. È causato da linee stampate troppo lunghe o dalla mancanza di piani di terra.

εr rappresenta la permeabilità relativa del materiale della scheda PCB. T rappresenta lo spessore della scheda PCB. D1 rappresenta il diametro del terreno che circonda il foro passante. D2 rappresenta il diametro del foro di isolamento nel piano di terra. Tutte le dimensioni sono in cm. Un foro passante su una scheda PCB spessa 0,157 cm può aumentare l'induttanza parassitaria di 1,2 nH e la capacità parassitaria di 0,5 pF; Questo è il motivo per cui è necessario mantenere l'allerta durante il cablaggio della scheda PCB e l'influenza degli effetti parassitari Giù. Il piano di terra funge da tensione di riferimento comune, fornisce schermatura, può dissipare il calore e ridurre l'induttanza parassitaria (ma aumenta anche la capacità parassitaria). Anche se ci sono molti vantaggi nell'utilizzare un piano di terra, occorre prestare attenzione quando lo si attua, perché ha alcune restrizioni su ciò che può e non può essere fatto. Idealmente, uno strato del PCB dovrebbe essere dedicato come piano di terra. Questo produrrà risultati quando l'intero aereo non sarà distrutto. Non appropriarsi mai indebitamente dell'area del piano di terra in questo strato dedicato per collegarsi ad altri segnali. Poiché il piano di terra può eliminare il campo magnetico tra il conduttore e il piano di terra, l'induttanza della linea stampata può essere ridotta. Se una certa area del piano di terra viene distrutta, l'induttanza parassitaria inaspettata sarà introdotta sulle linee stampate sopra o sotto il piano di terra. Poiché il piano di terra di solito ha una grande superficie e area della sezione trasversale, la resistenza del piano di terra è mantenuta ad un valore. Nella banda a bassa frequenza, la corrente sceglierà il percorso di resistenza, ma nella banda ad alta frequenza, la corrente sceglierà il percorso di impedenza. Tuttavia, ci sono eccezioni, e a volte un piccolo piano di terra è meglio. Se il piano di terra viene spostato lontano dai pad di ingresso o uscita, l'amplificatore operativo ad alta velocità funzionerà meglio. A causa della capacità parassitaria introdotta sul piano di terra dell'estremità di ingresso, la capacità di ingresso dell'amplificatore operativo è aumentata e il margine di fase è ridotto, causando quindi instabilità. Come visto nella discussione della sezione effetti parassitari, una capacità di 1 pF all'ingresso di un amplificatore op può causare picchi molto evidenti. I carichi capacitivi all'uscita, inclusi i carichi capacitivi parassitari, causano poli nel ciclo di feedback. Ciò riduce il margine di fase e fa sì che il circuito diventi instabile. Se possibile, i circuiti analogici e digitali, compresi i rispettivi piani di terra e di terra, dovrebbero essere separati. Un bordo in rapido aumento può causare glitch di corrente per fluire nel piano di terra. Il rumore causato da questi picchi di corrente veloci può distruggere le prestazioni analogiche. Il terreno analogico e il terreno digitale dovrebbero essere collegati a un punto di terra comune per ridurre le correnti di terra digitali e analogiche circolanti e il rumore. Nella gamma ad alta frequenza, un fenomeno chiamato "effetto pelle" deve essere considerato. L'effetto pelle fa fluire corrente sulla superficie esterna del filo: di conseguenza, la sezione trasversale del filo diventa più stretta, aumentando così la resistenza DC. Anche se l'effetto cutaneo va oltre l'ambito di applicazione di questo articolo, Ecco una buona formula di approssimazione per la profondità della pelle nel filo di rame (in cm, metallo placcato a bassa sensibilità aiuta a ridurre l'effetto della pelle. Cablaggio e schermatura, ci sono vari segnali analogici e digitali sul PCB, tra cui alta a bassa tensione o corrente, dalla gamma di frequenza DC a GHz. È molto difficile garantire che questi segnali non interferiscano tra loro.Riducendo la lunghezza dei lunghi cavi paralleli nella stessa scheda PCB e la vicinanza sia Tra i fili stampati del segnale possono ridurre l'accoppiamento induttivo. Ridurre la lunghezza delle tracce lunghe negli strati adiacenti può impedire l'accoppiamento capacitivo. Le tracce di segnale che richiedono un elevato isolamento dovrebbero andare su strati diversi e, se non possono essere completamente isolate, dovrebbero andare su tracce ortogonali, e posizionare il piano del suolo tra di loro. Il cablaggio ortogonale può ridurre l'accoppiamento capacitivo e il filo di terra formerà uno scudo elettrico. Questo metodo può essere utilizzato quando si forma una linea stampata ad impedenza controllata. I segnali ad alta frequenza di solito scorrono sulla linea stampata di impedenza di controllo. Cioè, la linea stampata mantiene una caratteristica impedenza, come 50Ω. Due linee stampate ad impedenza controllata comune, la linea microstrip 4 e la striscia 5 possono ottenere effetti simili, ma i metodi di implementazione sono diversi. H rappresenta la distanza dal piano di terra alla traccia del segnale, W rappresenta la larghezza della traccia e T rappresenta lo spessore della traccia; tutte le dimensioni sono in milioni. εr rappresenta la costante dielettrica del materiale della scheda PCB. La linea stampata ad impedenza di controllo a forma di striscia utilizza due strati di piani di terra e la linea stampata del segnale è bloccata in esso. Questo metodo utilizza più linee stampate, richiede più strati PCB, è sensibile ai cambiamenti nello spessore dielettrico ed è più costoso, quindi di solito è utilizzato solo in applicazioni impegnative. Il layout PCB ad alto livello è molto importante per la progettazione di circuiti amplificatori operativi di successo, specialmente per i circuiti ad alta velocità. Un buon diagramma schematico è la base di un buon cablaggio; Una stretta collaborazione tra ingegneri di progettazione di circuiti e ingegneri di progettazione di cavi è fondamentale, soprattutto per quanto riguarda la posizione dei componenti e dei cavi. I problemi che devono essere considerati includono bypassare l'alimentazione elettrica, ridurre gli effetti parassitari, utilizzare piani di terra, l'impatto dell'imballaggio opamp e metodi di cablaggio e schermatura dei circuiti stampati.