Thông tin PCB - Hướng dẫn thực hành dây mạch in tốc độ cao

Dây mạch in đóng một vai trò quan trọng trong các mạch tốc độ cao, nhưng nó thường là một trong một số bước trong quá trình thiết kế mạch. Mặc dù một sơ đồ tốt không thể đảm bảo một dây tốt, một dây tốt bắt đầu với một sơ đồ tốt. Hãy suy nghĩ cẩn thận khi vẽ sơ đồ, và bạn phải xem xét dòng chảy tín hiệu của toàn bộ mạch. Nếu có một dòng chảy tín hiệu bình thường và ổn định từ trái sang phải trong sơ đồ, thì nên có cùng một dòng chảy tín hiệu tốt trên bảng PCB. Cung cấp càng nhiều thông tin hữu ích càng tốt về sơ đồ. Bởi vì đôi khi kỹ sư thiết kế mạch không có mặt, khách hàng sẽ yêu cầu chúng tôi giúp giải quyết vấn đề mạch, các nhà thiết kế, kỹ sư và kỹ sư tham gia vào công việc này sẽ rất biết ơn, bao gồm cả chúng tôi. Ngoài các mã định danh tham chiếu phổ biến, tiêu thụ năng lượng và dung sai lỗi, thông tin nào khác nên được cung cấp trong sơ đồ? Dưới đây là một số đề xuất để biến các sơ đồ thông thường thành các sơ đồ hạng nhất. Thêm hình sóng, thông tin cơ học về vỏ, chiều dài các dòng in, các khu vực trống; chỉ ra các thành phần cần được đặt trên bảng PCB; cung cấp thông tin điều chỉnh, phạm vi giá trị thành phần, thông tin tiêu tan nhiệt, dòng in điện trở kiểm soát, nhận xét và mô tả mạch tóm tắt. Nếu bạn không tự thiết kế dây, hãy chắc chắn để cho phép nhiều thời gian để kiểm tra cẩn thận thiết kế của người dây.

Tại thời điểm này, một biện pháp phòng ngừa nhỏ có giá trị gấp một trăm lần. Đừng mong đợi người dây sẽ hiểu những gì bạn nghĩ. Ý kiến và hướng dẫn của bạn rất quan trọng trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế dây. Bạn càng cung cấp nhiều thông tin và càng can thiệp vào toàn bộ quá trình dây, bảng PCB bạn sẽ nhận được càng tốt. Đặt một điểm hoàn thành tạm thời cho kỹ sư thiết kế dây - kiểm tra nhanh theo tiến bộ dây bạn muốn. Phương pháp "vòng kín" này có thể ngăn chặn đường dây đi lạc, do đó làm giảm khả năng tái chế. Các hướng dẫn cần được đưa ra cho kỹ sư dây bao gồm: một mô tả ngắn về chức năng mạch, một sơ đồ sơ đồ của bảng PCB chỉ ra vị trí đầu vào và đầu ra, thông tin xếp chồng bảng PCB (ví dụ, bảng dày như thế nào, có bao nhiêu lớp và thông tin chi tiết của mỗi lớp tín hiệu và phẳng mặt đất - Tiêu thụ năng lượng, dây mặt đất, tín hiệu tương tự, tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu RF); tín hiệu cần thiết cho mỗi lớp; yêu cầu đặt các thành phần quan trọng; vị trí chính xác của các thành phần bypass; Những dòng in nào quan trọng; dòng nào cần kiểm soát dòng in trở kháng; dòng nào cần phù hợp với chiều dài; kích thước của các thành phần; những dòng in cần phải cách xa nhau; Những đường nào cần phải xa (hoặc gần) nhau; các thành phần cần phải xa (hoặc gần) với nhau; các thành phần cần được đặt trên bảng PCB ở trên và những thành phần nào được đặt dưới đây. Đừng bao giờ phàn nàn rằng có quá nhiều thông tin cho người khác - quá ít? Có quá nhiều không? Không. Giống như trong một bảng PCB, vị trí là tất cả. Nơi để đặt một mạch trên PCB, nơi để cài đặt các thành phần mạch cụ thể của nó, và những mạch liền kề khác là gì, tất cả đều rất quan trọng.

Thông thường, vị trí đầu vào, đầu ra và nguồn cung cấp điện được xác định trước, nhưng các mạch giữa chúng cần "chơi sự sáng tạo của riêng họ". Đây là lý do tại sao chú ý đến các chi tiết dây sẽ mang lại phần thưởng lớn. Bắt đầu với vị trí của các thành phần chính và xem xét mạch cụ thể và toàn bộ bảng PCB. Xác định vị trí của các thành phần chính và đường dẫn tín hiệu từ đầu giúp đảm bảo rằng thiết kế đáp ứng các mục tiêu công việc dự kiến. Việc thiết kế đúng có thể giảm chi phí và áp lực và rút ngắn chu kỳ phát triển. Vượt qua nguồn cung cấp điện tại đầu điện của bộ khuếch đại để giảm tiếng ồn là một khía cạnh rất quan trọng trong quá trình thiết kế PCB - bao gồm bộ khuếch đại hoạt động tốc độ cao hoặc các mạch tốc độ cao khác. Có hai phương pháp cấu hình phổ biến để vượt qua bộ khuếch đại hoạt động tốc độ cao. Đặt đất đầu cuối cung cấp điện: Phương pháp này có hiệu quả trong hầu hết các trường hợp, sử dụng nhiều tụ song song để trực tiếp đặt đất pin cung cấp điện của bộ khuếch đại hoạt động. Nói chung, hai tụ điện song song là đủ - nhưng thêm tụ điện song song có thể mang lại lợi ích cho một số mạch. Kết nối song song của các tụ điện với các giá trị công suất khác nhau giúp đảm bảo rằng chỉ có trở kháng AC rất thấp có thể nhìn thấy trên pin cung cấp điện trên một băng tần số rộng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với tần số suy giảm tỷ lệ từ chối nguồn cung cấp điện op amp. Tụ tụ này giúp bù đắp cho PSR giảm của bộ khuếch đại. Duy trì một con đường đất kháng trở thấp trong nhiều phạm vi mười octave sẽ giúp đảm bảo rằng tiếng ồn có hại không thể vào amp op. Hình 1 cho thấy lợi thế của việc sử dụng nhiều tụ điện song song. Ở tần số thấp, tụ điện lớn cung cấp một con đường mặt đất trở kháng thấp. Nhưng một khi tần số đạt tần số cộng hưởng của riêng họ, công suất của tụ điện sẽ suy yếu và dần dần xuất hiện cảm ứng. Đó là lý do tại sao điều quan trọng là sử dụng nhiều tụ điện: khi phản ứng tần số của một tụ điện bắt đầu giảm, phản ứng tần số của tụ điện khác bắt đầu hoạt động, vì vậy nó có thể duy trì trở kháng AC rất thấp trong nhiều phạm vi mười octave. Bắt đầu trực tiếp từ pin cung cấp điện của bộ khuếch đại hoạt động; tụ điện với giá trị công suất và kích thước vật lý nên được đặt ở cùng một bên của PCB như bộ khuếch đại hoạt động và càng gần càng tốt với bộ khuếch đại. Cơ sở đầu cuối mặt đất của tụ điện nên được kết nối trực tiếp với phẳng mặt đất bằng một pin ngắn hoặc dây in. Kết nối mặt đất ở trên nên càng gần càng tốt với đầu cuối tải của bộ khuếch đại để giảm sự can thiệp giữa đầu cuối điện và đầu cuối mặt đất. Quá trình này nên được lặp lại cho các tụ điện với giá trị công suất lớn nhất tiếp theo. Với kích thước trường hợp 0,01 của 0508, tụ điện có khả năng cảm ứng loạt rất thấp và hiệu suất tần số cao tuyệt vời. Nguồn cung cấp điện đến nguồn cung cấp điện: Một phương pháp cấu hình khác sử dụng một hoặc nhiều tụ vòng qua được kết nối qua các đầu cuối cung cấp điện tích cực và tiêu cực của bộ khuếch đại hoạt động. Phương pháp này thường được sử dụng khi khó cấu hình bốn tụ điện trong mạch. Nhược điểm của nó là kích thước của trường hợp của tụ điện có thể tăng vì điện áp trên tụ điện gấp đôi giá trị của điện áp trong phương pháp vượt qua nguồn cung cấp đơn. Tăng điện áp đòi hỏi tăng điện áp hỏng định mức của thiết bị, tức là tăng kích thước của trường hợp. Tuy nhiên, phương pháp này có thể cải thiện PSR và hiệu suất biến dạng. Bởi vì mỗi mạch và dây điện khác nhau, cấu hình, số lượng và giá trị công suất của tụ điện nên được xác định theo yêu cầu của mạch thực tế. Cái gọi là tác dụng ký sinh trùng là những lỗi nhỏ lẩn vào PCB của bạn và gây thiệt hại lớn trong mạch, đau đầu và nguyên nhân không thể giải thích được. Chúng là điện dung ký sinh trùng và điện cảm ký sinh trùng thâm nhập vào mạch tốc độ cao. Bao gồm khả năng cảm ứng ký sinh trùng được hình thành bởi các chân gói và dấu vết dài; công suất ký sinh trùng được hình thành từ pad đến mặt đất, pad đến phẳng điện và pad đến dấu vết; ảnh hưởng lẫn nhau giữa vias, và nhiều tác dụng ký sinh trùng có thể khác. Trong các mạch tốc độ cao, một giá trị nhỏ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch. Đôi khi hàng chục picofarad là đủ. Ví dụ liên quan: Nếu chỉ có 1 pF công suất ký sinh trùng bổ sung tại đầu vào đảo ngược, nó có thể gây ra gần 2 dB tăng trong lĩnh vực tần số. Nếu công suất ký sinh trùng đủ lớn, nó sẽ gây ra sự bất ổn và dao động của mạch. Sự cảm ứng dải là một hiệu ứng ký sinh trùng khác cần được xem xét. Nó được gây ra bởi các dòng in quá dài hoặc thiếu máy bay mặt đất.

Îμr đại diện cho độ thấm tương đối của vật liệu bảng PCB. T đại diện cho độ dày của bảng PCB. D1 đại diện cho đường kính của đất xung quanh lỗ thông qua. D2 đại diện cho đường kính của lỗ cách ly trong phẳng mặt đất. Tất cả các kích thước bằng cm. Một lỗ thông qua trên một bảng PCB dày 0,157 cm có thể làm tăng khả năng cảm ứng ký sinh trùng 1,2 nH và công suất ký sinh trùng 0,5 pF; đây là lý do tại sao cần phải cảnh giác khi dây PCB board, và ảnh hưởng của tác dụng ký sinh trùng xuống. Phẳng mặt đất hoạt động như một điện áp tham chiếu phổ biến, cung cấp che chắn, có thể tiêu tan nhiệt và giảm khả năng cảm ứng ký sinh trùng (nhưng nó cũng làm tăng công suất ký sinh trùng). Mặc dù có nhiều lợi ích khi sử dụng máy bay mặt đất, nhưng cần phải cẩn thận khi thực hiện nó, bởi vì nó có một số hạn chế về những gì có thể và không thể làm được. Lý tưởng nhất, một lớp của PCB nên được dành riêng như một phẳng mặt đất. Điều này sẽ tạo ra kết quả khi toàn bộ máy bay không bị phá hủy. Đừng bao giờ lạm dụng khu vực của phẳng mặt đất trong lớp chuyên dụng này để kết nối với các tín hiệu khác. Vì phẳng mặt đất có thể loại bỏ từ trường giữa dây dẫn và phẳng mặt đất, điện cảm dòng in có thể được giảm. Nếu một khu vực nhất định của phẳng mặt đất bị phá hủy, khả năng cảm ứng ký sinh trùng bất ngờ sẽ được giới thiệu vào các đường in trên hoặc dưới phẳng mặt đất. Bởi vì phẳng mặt đất thường có diện tích bề mặt lớn và diện tích cắt chéo, sức kháng của phẳng mặt đất được duy trì ở một giá trị. Trong băng tần số thấp, dòng điện sẽ chọn con đường kháng, nhưng trong băng tần số cao, dòng điện sẽ chọn con đường trở kháng. Tuy nhiên, có những ngoại lệ, và đôi khi một máy bay mặt đất nhỏ là tốt hơn. Nếu phẳng mặt đất được di chuyển ra khỏi miếng đầu vào hoặc đầu ra, bộ khuếch đại hoạt động tốc độ cao sẽ hoạt động tốt hơn. Do công suất ký sinh trùng được giới thiệu ở phẳng mặt đất của đầu vào, công suất đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động được tăng và biên pha được giảm, do đó gây ra sự bất ổn. Như được thấy trong cuộc thảo luận về phần hiệu ứng ký sinh trùng, công suất 1 pF tại đầu vào của một amp op có thể gây ra những đỉnh rất rõ ràng. Tải điện dung tại đầu ra - bao gồm tải điện dung ký sinh trùng - gây cực trong vòng phản hồi. Điều này làm giảm biên pha và khiến mạch trở nên không ổn định. Nếu có thể, các mạch tương tự và kỹ thuật số - bao gồm cả mặt đất và mặt đất tương ứng của chúng - nên được tách ra. Một cạnh tăng nhanh có thể gây ra sự cố hiện tại chảy vào phẳng mặt đất. Tiếng ồn gây ra bởi các cơn dòng điện nhanh này có thể phá hủy hiệu suất tương tự. Mặt tương tự và mặt đất kỹ thuật số nên được kết nối với một điểm mặt đất chung để giảm dòng điện và tiếng ồn mặt đất kỹ thuật số và tương tự lưu thông. Trong phạm vi tần số cao, một hiện tượng được gọi là "hiệu ứng da" phải được xem xét. Hiệu ứng da làm cho dòng chảy trên bề mặt bên ngoài của dây - kết quả là, cắt ngang của dây trở nên hẹp hơn, do đó làm tăng kháng DC. Mặc dù hiệu ứng da vượt ra ngoài phạm vi của bài viết này, đây là một công thức xấp xỉ tốt cho chiều sâu da trong dây đồng (bằng cm, kim loại mạ điện nhạy cảm thấp giúp giảm hiệu ứng da. Dây và che chắn, có nhiều tín hiệu tương tự và kỹ thuật số khác nhau trên PCB, bao gồm điện áp hoặc dòng điện từ cao đến thấp, từ DC đến phạm vi tần số GHz. Rất khó để đảm bảo rằng các tín hiệu này không can thiệp với nhau. Giảm chiều dài của các dây song song dài trong cùng một bảng PCB và sự gần gũi giữa các dây in tín hiệu có thể làm giảm nối cảm ứng. Giảm chiều dài của dấu vết dài trong các lớp liền kề có thể ngăn chặn nối điện dung. Dấu vết tín hiệu đòi hỏi sự cô lập cao nên đi trên các lớp khác nhau và - nếu chúng không thể được cô lập hoàn toàn - nên đi trên dấu vết chữ nhật giác, và đặt phẳng mặt đất giữa chúng. Dây chữ nhật giác có thể làm giảm nối điện dung, và dây mặt đất sẽ hình thành một khiên điện. Phương pháp này có thể được sử dụng khi tạo thành một dòng in kháng kiểm soát. Các tín hiệu tần số cao thường chả trở kháng đặc trưng, chẳng hạn như 50Ω. Hai dòng in điện trở kiểm soát phổ biến, dòng dải vi mô 4 và dòng dải 5 có thể đạt được hiệu ứng tương tự, nhưng các phương pháp thực hiện khác nhau. H đại diện cho khoảng cách từ phẳng mặt đất đến dấu vết tín hiệu, W đại diện cho chiều rộng của dấu vết, và T đại diện cho độ dày của dấu vết; Tất cả các kích thước đều bằng mils. Îμr đại diện cho hằng số môi điện của vật liệu bảng PCB. Dây chuyền in trở kháng điều khiển hình dải sử dụng hai lớp phẳng mặt đất và dây chuyền in tín hiệu được kẹp trong nó. Phương pháp này sử dụng nhiều dây chuyền in hơn, đòi hỏi nhiều lớp PCB hơn, nhạy cảm với sự thay đổi độ dày môi điện và tốn kém hơn - vì vậy nó thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi. Cách bố trí PCB cấp cao là rất quan trọng cho thiết kế mạch khuếch đại hoạt động thành công, đặc biệt là cho các mạch tốc độ cao. Một sơ đồ sơ đồ tốt là cơ sở của dây cáp tốt; sự hợp tác chặt chẽ giữa các kỹ sư thiết kế mạch và các kỹ sư thiết kế dây là cơ bản, đặc biệt là liên quan đến vị trí của các thành phần và dây. Các vấn đề cần được xem xét bao gồm bỏ qua nguồn cung cấp điện, giảm tác dụng ký sinh trùng, sử dụng máy bay mặt đất, tác động của bao bì opamp và các phương pháp dây và che chắn mạch in.