PCBブログ - Protel 99 SE高周波PCBボード設計研究

電子技術の進歩に伴い、PCBボード（プリント基板）の複雑性と応用範囲は急速に発展している。高周波PCBボードに従事するデザイナーは、相応の基礎理論知識を備えなければならず、同時に豊富な高周波PCBボードの生産経験を持つべきである。つまり、原理図の描画にしてもPCBボードの設計にしても、理想的なPCBボードを設計するためには、その所在する高周波動作環境から考えなければならない。本文は主に高周波PCBの手動レイアウトと配線の両面からProtel 99 SEに基づく高周波PCB設計におけるいくつかの問題を研究した。

1ガリウムレイアウト設計では、Protel 99 SEは自動レイアウト機能を持っているが、高周波回路の動作要件を完全に満たすことはできない。通常、設計者の経験に基づいて、具体的な状況に応じて、まず手動レイアウトの方法を使用してコンポーネントの位置を最適化し、調整してから、自動レイアウトと組み合わせてPCBボードの全体的な設計を完了する必要があります。レイアウトが合理的かどうかは製品の寿命、安定性、EMC（電磁互換性）などに直接影響し、回路基板の全体レイアウト、配線の可及びPCB基板の製造可能性、機械構造、放熱、EMI（電磁干渉）、信頼性、信号完全性などの面から総合的に考慮しなければならない。通常、機械的寸法に関連する固定位置のコンポーネントを配置してから、特殊で大きなコンポーネントを配置してから、小さなコンポーネントを配置します。同時に、配線の要求を考慮して、高周波素子の配置はできるだけコンパクトにし、信号線の配線はできるだけ短くし、それによって信号線の交差干渉を減らすべきである。

1.1機械寸法に関する位置決めプラグの設置電源ソケット、スイッチ、PCBボード間のインタフェース、ランプなどは機械寸法に関する位置決めプラグである。通常、電源とPCBボードのインタフェースはPCBボードのエッジに配置され、PCBボードのエッジから3ミリから5ミリ離れている必要があります。インジケータ発光ダイオードは必要に応じて正確に配置しなければならない。スイッチといくつかの微調整素子、例えば調整可能インダクタンス、調整可能抵抗などは、調整と接続を容易にするためにPCB板の縁に近接して配置しなければならない。頻繁に交換する必要がある部品は、交換を容易にするために部品の少ない位置に置く必要があります。

1.2特殊部品の高出力管、変圧器、整流管などの加熱装置は高周波動作時に大量の熱を発生するため、レイアウト時に換気と放熱を十分に考慮し、これらの部品は空気が循環しやすいPCB板に置くべきである。位置大電力整流管と調整管は放熱器を備え、変圧器から離れなければならない。熱に弱い部品、例えば電解コンデンサも加熱装置から離れなければならない。そうしないと電解液が乾燥し、抵抗が増加し、性能が低下し、回路の安定性に影響を与える。調整管、電解コンデンサ、リレーなどの故障しやすい部品は、メンテナンスのしやすさを考慮しなければならない。常に測定が必要な試験点については、試験棒が接触しやすいように部品を配置する際に注意してください。電源装置内部に50ヘルツの漏れ磁場が発生するため、低周波増幅器の一部に接続すると低周波増幅器が干渉する。そのため、それらは隔離または遮蔽されなければなりません。回路図によれば、増幅器のすべてのレベルは一直線上に配列することができる。この配置の利点は、各レベルの接地電流がこのレベルで閉じて流れることであり、これは他の回路の動作に影響を与えない。入力段と出力段はできるだけ離れて、それらの間の寄生結合干渉を減らすべきである。各セル機能回路間の信号伝送関係を考慮すると、低周波回路と高周波回路も分離し、アナログ回路とデジタル回路は分離しなければならない。各ピンと他のデバイスとの配線接続を容易にするために、集積回路はPCBボードの中心に配置されている必要があります。インダクタやトランスなどのデバイスは磁気結合を持っており、磁気結合を減らすために互いに垂直に配置されなければならない。また、これらはいずれも強い磁場を持っており、周囲には適切に大きな空間や磁気遮蔽が必要であり、他の回路への影響を減らすことができます。

PCBの要部には適切な高周波デカップリングコンデンサを配置しなければならない。例えば、10°Fから100°Fの電解コンデンサはPCB電源の入力端子に接続し、0.01 pFは集積回路の電源ピンの近くに接続しなければならない。セラミック・コンデンサいくつかの回路はまた、高周波回路と低周波回路との間の影響を低減するために、適切な高周波または低周波チョークコイルを備えている。回路の性能に影響を与える可能性があるので、原理図を設計して描画する際にはこの点を考慮してください。部品間の間隔は適切であり、部品間に破壊や点火の可能性があるかどうかを考慮しなければならない。プッシュプル回路とブリッジ回路を有する増幅器については、素子の電気パラメータの対称性と構造の対称性に注意し、対称素子の分布パラメータをできるだけ一致させるべきである。主要部品の手動レイアウトが完了したら、自動レイアウト中に部品が移動しないように部品をロックする方法を採用してください。つまり、[変更を編集]コマンドを実行するか、コンポーネントの[プロパティ]で[ロック]を選択してコンポーネントをロックし、移動しなくなります。

1.3一般的な部品の配置は一般的な部品、例えば抵抗器、コンデンサなどに対して、部品の秩序配置、占有空間の大きさ、配線の達成性と溶接の便利性などのいくつかの方面から考慮しなければならず、自動配置の方法を採用することができる。

2.配線の設計配線は合理的なレイアウトに基づいて高周波PCBボード設計を実現するための一般的な要求である。ルーティングには、自動ルーティングと手動ルーティングが含まれます。通常、これらの信号線は、キー信号線の数にかかわらず、最初に手動で配線されます。配線が完了したら、これらの信号線の配線をよくチェックします。チェックが完了したら、それを固定してから、他の配線を自動的に配線します。すなわち、PCBボードの配線は、手動配線と自動配線を組み合わせて完成させる。

高周波PCBボードの配線過程では、以下の点に特に注意しなければならない。

2.1配線方向回路の配線は信号の流れに応じて全直線を採用し、旋回が必要な場合は45°破線または円弧曲線で完成でき、高周波信号の外部送信と相互結合を減らすことができる。高周波信号線の配線はできるだけ短くしなければならない。回路の動作周波数に基づいて、信号線配線の長さを合理的に選択することで、分布パラメータを低減し、信号の損失を低減することができる。両面パネルを作成する場合、2つの隣接する層の上で交差するように、配線は垂直、傾斜、または湾曲しています。相互並列接続を回避することで、相互干渉と寄生結合を減らすことができます。高周波信号線と低周波信号線はできるだけ分離し、必要に応じて遮蔽措置をとり、相互干渉を防止しなければならない。受信の弱い信号入力端子に対しては、外部信号の干渉を受けやすく、接地線を遮蔽物として高周波コネクタを包囲または遮蔽することができる。同じ水平面に平行に配線しないようにしてください。そうしないと、分布パラメータが導入され、回路に影響を与えます。避けられない場合は、2本の平行線の間に接地銅箔を導入し、分離線を形成することができる。デジタル回路では、差動信号線については、できるだけ平行に近づけ、長さの差が少ないように、ペアで配線しなければなりません。

2.2配線の形態PCB基板の配線過程において、トレースの幅は、リード線と絶縁層基板との間の接着強度とリード線を流れる電流強度によって決定される。銅箔の厚さが0.05 mm、幅が1 mm〜1.5 mmの場合、2 Aの電流を流すことができる。温度は3つ以上にならない。いくつかの特殊なトレースを除いて、同じ層上の他のトレースの幅はできるだけ一致しなければならない。高周波回路における配線のピッチは、分布容量とインダクタンスの大きさに影響を与え、信号の損失、回路の安定性、信号による干渉に影響を与える。高速スイッチング回路では、ワイヤの間隔が信号の伝送時間と波形の品質に影響を与える。したがって、配線の間隔は0.5 mm以上でなければならず、PCB基板配線は許容される限り、比較的広い線を使用しなければならない。プリント配線とPCB板の縁部との間には一定の距離（板の厚さより小さくない）を保つ必要があり、これは取り付けと加工が容易であるだけでなく、絶縁性能も向上している。配線の中で大きな円にしか接続できない配線に遭遇した場合、フライワイヤ、つまり短線路に直接接続して、長距離配線による干渉を低減する。感磁素子を含む回路は周囲の磁場に対してより敏感であり、高周波回路が動作している場合、配線の隅は電磁波を放射しやすい。同じレイヤーの配線に交差は許可されていません。交差する可能性のある線路については、抵抗器、コンデンサ、三極管などの他の機器のピンの下の隙間からワイヤを「ドリル」させるか、交差する可能性のある線上から「ドリル」させる「ドリル」と「巻き付ける」方法を使用して解決することができます。特殊な場合、回路が非常に複雑であれば、設計を簡略化するために、ジャンパを使用して交差問題を解決することもできます。高周波回路の動作周波数が高い場合は、配線のインピーダンス整合やアンテナ効果も考慮する必要がある。

2.3電力ケーブルと接地ケーブルの配線には、異なる動作電流の大きさに応じて、できるだけ電力線の幅を増やす必要がある。高周波PCBボードはできるだけ大面積の接地線を使用し、PCBボードのエッジに敷設しなければならない。これにより、外部信号による回路への干渉を減らすことができる。電圧は接地電圧に近い。接地方式は具体的な状況に応じて選択しなければならない。低周波回路とは異なります。高周波回路の接地線は接地に近いか、多点接地しなければならない。接地線は接地インピーダンスをできるだけ減らすために短く厚くしなければならない。許容電流要件は動作電流基準の3倍に達することができる。スピーカの接地線はPCBボード上の電力増幅器出力段の接地点に接続しなければならず、勝手に接地してはならない。ルーティング中は、ルーティングが繰り返されないように、適切なルーティングをタイムリーにロックする必要があります。つまり、EditelectNetコマンドを実行し、プリルーティングプロパティで「ロック」を選択してロックし、移動しないようにします。

3.パッドと銅めっきの設計

3.1ランドと穴配線間隔が設計電気間隔に違反しないように確保する場合、ランドの設計はより大きくして、十分な環状幅を確保する必要がある。一般に、パッドの内孔は素子のリード直径よりやや大きく、設計が大きすぎて、溶接時に虚溶接が形成されやすい。スペーサの外径Dは通常（D＋1.2）mm以上であり、ここでDはスペーサの内径である。密度が比較的高いPCB基板の中には、パッドの値を（d＋1.0）mmにすることができます。パッドの形状は通常円形に設定されていますが、DIPパッケージ集積回路のパッドは滑走路形状を採用しており、限られた空間内でパッドの面積を増やすことができ、集積回路の溶接に有利です。配線とパッドの間の接続は滑らかな遷移でなければならない。すなわち、円形パッドに入る配線幅が円形パッドの直径より小さい場合、涙滴を使用して設計しなければならない。なお、パッド内径dの大きさは異なり、素子孔、取付孔、溝孔などの実際の素子リード直径の大きさに応じて考慮すべきである。ガスケットの孔間距離も実際の部品の取り付け方法に基づいて考慮しなければならない。例えば、抵抗器、ダイオード、チューブキャパシタなどの部品には、「垂直」と「水平」の2つの取り付け方法があります。この2つの方法は穴間距離が異なる。また、パッド孔ピッチの設計は、部品間の隙間要件も考慮しなければならず、特に特殊部品間の間隔はパッド間の孔距離によって保証する必要がある。高周波PCBボードでは、分布容量を減らすだけでなく、PCBボードの機械的強度を高めることができるように、できるだけビアの数を減らす必要があります。要するに、高周波PCB板の設計において、パッドとその形状、孔径と孔ピッチの設計はその特殊性を考慮するだけでなく、生産技術の要求を満たす必要がある。標準化設計は製品コストを下げるだけでなく、製品の品質を保証しながら生産性を高めることができます。

3.2銅めっき銅めっきの主な目的は回路の耐干渉能力を高めることであり、同時にPCB板の放熱とPCB板の強度に非常に有利である。しかし、PCB板の使用時間が長すぎると大量の熱が発生し、棒状銅箔が膨張・脱落しやすくなるため、大面積の棒状銅箔を使用することはできない。銅箔は、電気網と電気回路の接地網を接続し、電気網により良好な遮蔽効果を与える。メッシュのサイズは、マスクする干渉の周波数によって決まります。配線、パッド、ビアの設計が完了したら、DRC（設計規則検査）を行う必要があります。検査結果には、設計された図と定義されたルールの違いが詳細にリストされており、要件を満たしていないネットワークを見つけることができます。ただし、DRCを実行する前に（つまりToolsDesign Rule Checkコマンドを実行する前に）、配線する前にDRCをパラメータ化する必要があります。

4ガリウム結論高周波回路PCBボードの設計は複雑なプロセスであり、関与する要素が多く、高周波回路の動作性能に直接関係する可能性がある。そのため、設計者は実際の仕事の中で絶えず探索を研究し、経験を蓄積し、EDA（Electronic Design Automation、電子設計自動化）の新技術を結合し、性能の優れた高周波回路PCBボードを設計する必要がある。