PCB Tecnico - Layout PCB e installazione di condensatori di disaccoppiamento

La formazione della corrente di picco:

La grandezza della corrente prelevata dall'alimentazione elettrica quando il circuito digitale emette un livello elevato è generalmente diversa dalla corrente iniettata durante l'uscita a basso livello, cioè la corrente affondata durante l'uscita a basso livello> la corrente estratta dall'alimentazione elettrica.

La forma d'onda della corrente di alimentazione di picco varia con il tipo di dispositivo utilizzato e il carico capacitivo collegato al terminale di uscita.

Le ragioni principali della corrente di picco sono:

I tubi T3 e T4 dello stadio di uscita sono accesi contemporaneamente nella progettazione breve. Nel processo del cancello NAND dal livello basso dell'uscita ad alto livello, il salto negativo della tensione in ingresso produce una grande corrente di azionamento inverso nel ciclo base di T2 e T3, perché la profondità di saturazione di T3 è progettata per essere maggiore di quella di T2 Large, la corrente di azionamento inversa causerà T2 per sfuggire dalla saturazione prima e tagliare fuori. Il suo potenziale di collettore aumenta, accendendo T4. Ma in questo momento T3 non è stato fuori saturazione, quindi in un progetto molto breve, T3 e T4 saranno accesi allo stesso tempo, generando così un grande ic4, causando la corrente di alimentazione a formare una corrente di picco. R4 nella figura è progettato per limitare questa corrente di picco.

R4 nel circuito a bassa potenza TTL gate è più grande, quindi la sua corrente di picco è più piccola. Quando la tensione in ingresso cambia da basso a alto, il livello di uscita del cancello NAND cambia da alto a basso. In questo momento, T3 e T4 possono anche essere accesi contemporaneamente. Ma quando T3 inizia ad essere acceso, T4 è in stato di amplificazione e la tensione tra il collettore e l'emettitore dei due tubi è più grande, quindi la corrente di picco generata è più piccola e l'impatto sulla corrente di alimentazione è relativamente piccolo.

Un'altra causa della corrente di picco è l'influenza della capacità di carico. C'è in realtà un condensatore di carico CL all'uscita del cancello NAND. Quando l'uscita del cancello cambia da basso a alto, la tensione di alimentazione viene caricata da T4 al condensatore CL, formando così una corrente di picco.

Quando l'uscita del cancello NAND cambia da livello alto a livello basso, il condensatore CL scarica attraverso T3. In questo momento, la corrente di scarica non passa attraverso l'alimentazione elettrica, quindi la corrente di scarica di CL non ha alcun effetto sulla corrente di alimentazione.

Metodo di soppressione della corrente di picco:

1. prendere misure sul cablaggio del circuito stampato per ridurre al minimo la capacità vaga della linea di segnale;

2. un altro metodo è quello di cercare di ridurre la resistenza interna dell'alimentazione elettrica in modo che la corrente di picco non causi fluttuazioni eccessive di tensione dell'alimentazione elettrica;

3. La pratica abituale è quella di utilizzare condensatori di disaccoppiamento per il filtraggio, solitamente posti all'ingresso di alimentazione del circuito stampato.

Un condensatore di disaccoppiamento 1uF～10uF per filtrare il rumore a bassa frequenza; un condensatore di disaccoppiamento 0,01uF～0,1uF (condensatore filtro ad alta frequenza) è posizionato tra la potenza e la massa di ciascun dispositivo attivo nel circuito stampato. Filtrare i rumori ad alta frequenza. Lo scopo del filtraggio è quello di filtrare l'interferenza CA sovrapposta all'alimentazione elettrica, ma non è che maggiore è la capacità del condensatore utilizzato, meglio è, perché il condensatore effettivo non è un condensatore ideale e non ha tutte le caratteristiche di un condensatore ideale.

La selezione del condensatore di disaccoppiamento può essere calcolata secondo C=1/F, dove F è la frequenza del circuito, cioè 0.1uF per 10MHz e 0.01uF per 100MHz. Generalmente, può essere 0.1~0.01uF.

Il condensatore filtro ad alta frequenza posizionato accanto al dispositivo attivo ha due funzioni. Uno è quello di filtrare le interferenze ad alta frequenza condotte lungo l'alimentazione elettrica e l'altro è quello di integrare tempestivamente la corrente di picco richiesta per il funzionamento ad alta velocità del dispositivo. Quindi il posizionamento del condensatore deve essere considerato.

A causa dei parametri parassitari del condensatore effettivo, può essere equivalente alla resistenza e all'induttanza collegate in serie sul condensatore, che sono chiamate resistenza di serie equivalente (ESR) e induttanza di serie equivalente (ESL). In questo modo, il condensatore effettivo è un circuito risonante di serie.

Il condensatore effettivo è capacitivo a frequenze inferiori a Fr, e induttivo a frequenze superiori a Fr, quindi il condensatore è più simile a un filtro a banda-stop.

Il condensatore elettrolitico 10uF ha un grande ESL e Fr meno di 1MHz, che ha un migliore effetto filtrante sul rumore a bassa frequenza come 50Hz, ma non ha alcun effetto sul rumore di commutazione ad alta frequenza di centinaia di megabyte.

L'ESR e l'ESL di un condensatore sono determinati dalla struttura del condensatore e dal mezzo utilizzato, piuttosto che dalla capacità. La capacità di sopprimere le interferenze ad alta frequenza non può essere migliorata utilizzando un condensatore di capacità maggiore. Per lo stesso tipo di condensatore, ad una frequenza inferiore a Fr, l'impedenza della capacità maggiore è minore di quella della capacità minore, ma se la frequenza è superiore a Fr, ESL determina Non ci sarà differenza di impedenza tra i due.

L'uso di troppi condensatori di grande capacità sul circuito stampato non è utile per filtrare le interferenze ad alta frequenza, soprattutto quando si utilizzano alimentatori switching ad alta frequenza. Un altro problema è che troppi condensatori di grande capacità aumentano l'impatto sull'alimentazione elettrica durante l'accensione e lo scambio a caldo del circuito stampato, il che è probabile che causino problemi come caduta di tensione dell'alimentazione elettrica, accensione del connettore del circuito stampato e lento aumento di tensione nel circuito stampato.

Posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento nel layout PCB

Per l'installazione di condensatori, la prima cosa da menzionare è la distanza di installazione. Il condensatore con la capacità più piccola ha la frequenza di risonanza più alta e il raggio di disaccoppiamento più piccolo, quindi è posizionato più vicino al chip. La capacità più grande può essere più lontana e lo strato più esterno ha la capacità più grande. Tuttavia, tutti i condensatori che disaccoppiano il chip dovrebbero essere il più vicino possibile al chip.

Un altro punto da notare è che quando lo posiziona, è meglio distribuirlo uniformemente intorno al chip, e questo deve essere fatto per ogni livello di capacità. Di solito la disposizione dei perni di potenza e di massa è presa in considerazione quando il chip è progettato e sono generalmente distribuiti uniformemente sui quattro lati del chip. Pertanto, esistono disturbi di tensione intorno al chip e il disaccoppiamento deve anche disaccoppiare l'intera area del chip in modo uniforme. Se i condensatori 680pF nella figura sopra sono tutti posizionati sulla parte superiore del chip, a causa del problema del raggio di disaccoppiamento, allora il disturbo di tensione nella parte inferiore del chip non può essere ben disaccoppiato.

Installazione di condensatori

Durante l'installazione del condensatore, estrarre un cavo corto dal pad e quindi collegarlo al piano di alimentazione attraverso il foro via, e lo stesso vale per il terminale di terra. In questo modo, il ciclo corrente che scorre attraverso il condensatore è: piano di potenza-vias-cavi-pad-condensatori-pad-cavi-cavi-vias-piano di terra, la figura seguente mostra intuitivamente il percorso di riflusso corrente.

Il primo metodo porta fuori un lungo cavo di piombo dal pad e poi si collega al foro via. Questo introdurrà una grande induttanza parassitaria. Questo va evitato. Questo è il peggior metodo di installazione.

Il secondo metodo fa fori alle due estremità del pad accanto al pad, che ha una superficie stradale molto più piccola del primo metodo, e anche l'induttanza parassitaria è piccola, che è accettabile.

Il terzo tipo è quello di perforare fori sul lato del pad, che riduce ulteriormente l'area del ciclo e l'induttanza parassitaria è più piccola del secondo tipo, che è un metodo migliore.

Il quarto metodo ha fori su entrambi i lati del pad. Rispetto al terzo metodo, è equivalente a che ogni estremità del condensatore è collegata al piano di potenza e al piano di terra in parallelo attraverso vias, che è più piccola della terza induttanza parassitaria. Permessi spaziali, prova a usare questo metodo.

L'ultimo metodo è quello di forare direttamente i fori sui cuscinetti, con la minore induttanza parassitaria, ma la saldatura può causare problemi. Se usarlo dipende dalla capacità di elaborazione e dal metodo.

Si raccomanda il terzo e il quarto metodo.

Va sottolineato che alcuni ingegneri PCB a volte usano vias comuni per condensatori multipli al fine di risparmiare spazio. Non farlo in nessuna circostanza. È meglio trovare un modo per ottimizzare il design della combinazione di condensatori e ridurre il numero di condensatori.

Poiché più ampia è la linea stampata, più piccola è l'induttanza, la linea di uscita dal pad alla via dovrebbe essere il più ampia possibile e, se possibile, cercare di avere la stessa larghezza del pad. In questo modo, anche se si tratta di un condensatore in un pacchetto 0402, è possibile utilizzare anche un cavo cavo largo 20mil.