Thông tin PCB - Nói về cách làm một tấm PCB từ năm khía cạnh

Mọi người đều biết rằng việc tạo ra một bảng PCB là để biến một sơ đồ được thiết kế thành một bảng PCB thực sự. Xin đừng đánh giá thấp quá trình này. Có rất nhiều điều làm việc về nguyên tắc nhưng khó đạt được trong kỹ thuật, hoặc đó là điều mà những người khác có thể đạt được, nhưng những người khác không thể. Do đó, không khó để làm một tấm PCB, nhưng nó không phải là một nhiệm vụ dễ dàng để làm một công việc tốt của một tấm PCB. Hai khó khăn chính trong lĩnh vực vi điện tử là xử lý tín hiệu tần số cao và tín hiệu yếu. Về mặt này, mức độ sản xuất bảng PCB đặc biệt quan trọng. Thiết kế nguyên tắc tương tự, các thành phần tương tự và các tấm PCB được sản xuất bởi những người khác nhau có đặc điểm khác nhau. Kết quả, vì vậy làm thế nào chúng ta có thể làm cho một bảng PCB tốt?

1. Để làm rõ mục tiêu thiết kế Khi nhận được một nhiệm vụ thiết kế, trước hết, cần làm rõ mục tiêu thiết kế, cho dù đó là một bảng PCB thông thường, một bảng PCB tần số cao, một bảng PCB xử lý tín hiệu nhỏ, hoặc một bảng PCB với cả tần số cao và xử lý tín hiệu nhỏ. Nếu đó là một tấm PCB thông thường, Miễn là bố trí và dây cáp là hợp lý và gọn gàng, và kích thước cơ học là chính xác, nếu có dòng tải trung bình và dòng dài, một số phương tiện phải được sử dụng để giảm tải. Khi có nhiều dòng tín hiệu hơn 40MHz trên bảng, nên xem xét đặc biệt các dòng tín hiệu này, chẳng hạn như crosstalk giữa các dòng. Nếu tần số cao hơn, sẽ có những hạn chế nghiêm ngặt hơn về chiều dài của dây. Theo lý thuyết mạng của các thông số phân tán, sự tương tác giữa các mạch tốc độ cao và dây của chúng là một yếu tố quyết định, không thể bỏ qua trong thiết kế hệ thống. Với sự gia tăng tốc độ truyền thông cổng, sự đối lập trên dòng tín hiệu sẽ tăng tương ứng, và sự giao tiếp giữa các dòng tín hiệu liền kề sẽ tăng tỷ lệ. Thông thường, tiêu thụ điện và tiêu tan nhiệt của các mạch tốc độ cao cũng lớn. Khi làm PCB tốc độ cao nên chú ý đủ đến bảng. Khi có tín hiệu yếu của mức milivolt hoặc thậm chí mức microvolt trên bảng, cần phải cẩn thận đặc biệt cho các dòng tín hiệu này. Bởi vì tín hiệu nhỏ quá yếu, rất dễ bị can thiệp bởi các tín hiệu mạnh khác và các biện pháp bảo vệ thường là cần thiết. Giảm đáng kể tỷ lệ tín hiệu-tiếng ồn. Kết quả là, tín hiệu hữu ích bị áp đảo bởi tiếng ồn và không thể được trích xuất hiệu quả. Việc đưa vào hoạt động của hội đồng quản trị cũng nên được xem xét trong giai đoạn thiết kế. Vị trí vật lý của điểm thử nghiệm, sự cô lập của điểm thử nghiệm và các yếu tố khác không thể bị bỏ qua, bởi vì một số tín hiệu nhỏ và tín hiệu tần số cao không thể được thêm trực tiếp vào đầu dò để đo. Ngoài ra, các yếu tố liên quan khác nên được xem xét, chẳng hạn như số lớp của bảng, hình dạng gói của các thành phần được sử dụng và sức mạnh cơ học của bảng. Trước khi làm một tấm PCB, cần biết các mục tiêu thiết kế của thiết kế.2. Hiểu chức năng của các thành phần được sử dụng cho các yêu cầu bố trí và dây cápChúng tôi biết rằng một số thành phần đặc biệt có yêu cầu đặc biệt cho bố trí và dây cáp, chẳng hạn như bộ khuếch đại tín hiệu tương tự được sử dụng trong LOTI và APH. Bộ khuếch đại tín hiệu tương tự yêu cầu nguồn cung cấp điện ổn định và sóng nhỏ. Phần tín hiệu nhỏ tương tự nên được giữ xa thiết bị điện càng nhiều càng tốt. Trên bảng OTI, phần khuếch đại tín hiệu nhỏ cũng được trang bị đặc biệt một vỏ che chắn để bảo vệ sự can thiệp điện từ lạc lùng. Chip GLINK được sử dụng trên bảng NTOI áp dụng quy trình ECL, tiêu thụ rất nhiều năng lượng và tạo ra nhiệt. Cần xem xét đặc biệt vấn đề phân tán nhiệt trong quá trình bố trí. Nếu sử dụng phân tán nhiệt tự nhiên, chip GLINK phải được đặt ở một nơi mà lưu thông không khí tương đối mượt mà. và nhiệt tan không thể có tác động lớn đến các chip khác. Nếu bảng được trang bị loa hoặc các thiết bị công suất cao khác, nó có thể gây ô nhiễm nghiêm trọng cho nguồn cung cấp điện, điều này cũng nên được chú ý đủ. Việc xem xét bố trí thành phần Một trong những yếu tố đầu tiên được xem xét trong bố trí thành phần là hiệu suất điện. Các thành phần có liên quan chặt chẽ đến dây nên được đặt cùng nhau càng nhiều càng tốt. Đặc biệt đối với một số tuyến tốc độ cao, bố trí nên ngắn nhất có thể. Tín hiệu điện và các thiết bị tín hiệu nhỏ để tách biệt. Dựa trên tiền đề đáp ứng hiệu suất mạch, cũng cần xem xét rằng các thành phần được đặt gọn gàng và đẹp, thuận tiện để kiểm tra. Kích thước cơ học của bảng và vị trí của ổ cắm cũng cần được xem xét cẩn thận. Thời gian chậm trễ nối đất và lan truyền trên các kết nối trong các hệ thống tốc độ cao cũng là những cân nhắc đầu tiên trong thiết kế hệ thống. Thời gian truyền trên đường tín hiệu có ảnh hưởng lớn đến tốc độ hệ thống tổng thể, đặc biệt là cho các mạch ECL tốc độ cao. Mặc dù tốc độ của khối mạch tích hợp là rất cao, do việc sử dụng các đường kết nối thông thường trên phẳng sau (chiều dài khoảng 30 cm trên mỗi đường) sẽ làm tăng thời gian chậm trễ, có thể làm giảm đáng kể tốc độ hệ thống. Các thành phần làm việc đồng bộ như đăng ký thay đổi và bộ đếm đồng bộ được đặt trên cùng một bảng bổ sung, bởi vì thời gian chậm trễ truyền của tín hiệu đồng hồ đến các bảng bổ sung khác nhau không bằng nhau, có thể gây ra lỗi chính của đăng ký thay đổi. board, nơi đồng bộ hóa là quan trọng, chiều dài của các dòng đồng hồ từ nguồn đồng hồ chung đến mỗi board phải bằng nhau.4. Việc xem xét dây Với việc hoàn thành thiết kế mạng OTNI và sợi sao, sẽ có nhiều bảng với dây tín hiệu tốc độ cao trên 100MHz được thiết kế trong tương lai. Một số khái niệm cơ bản về các dây chuyền tốc độ cao sẽ được giới thiệu ở đây.4.1 Dây chuyền truyền Bất kỳ đường dẫn tín hiệu "dài" nào trên bảng mạch in có thể được coi là một dây chuyền truyền. Nếu thời gian chậm trễ lan truyền của dây chuyền ngắn hơn nhiều so với thời gian tăng tín hiệu, bất kỳ phản xạ nào được tạo ra trong thời gian tăng tín hiệu sẽ bị chìm. Overshoot, kickback và chuông không còn có mặt nữa. Đối với hầu hết các mạch MOS hiện tại, vì tỷ lệ thời gian tăng lên với thời gian chậm trễ truyền dây chuyền lớn hơn nhiều, dấu vết có thể được đo bằng mét mà không có biến dạng tín hiệu. Đối với các mạch logic nhanh hơn, đặc biệt là ECL tốc độ siêu cao. Đối với các mạch tích hợp, do tăng tốc độ cạnh, nếu không có biện pháp khác được thực hiện, chiều dài của dấu vết phải được rút ngắn đáng kể để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu. Có hai cách để làm cho các mạch tốc độ cao hoạt động trên các đường tương đối dài mà không có biến dạng sóng nghiêm trọng. TTL sử dụng Schottky diode kẹp cho các cạnh rơi nhanh, để vượt quá được kẹp với một diode giảm dưới tiềm năng mặt đất. Điều này làm giảm kích thước của đáp trả tiếp theo, cạnh tăng chậm hơn cho phép vượt quá, nhưng nó bị suy giảm bởi trở kháng đầu ra tương đối cao (50-80Ω) của mạch trong trạng thái "H". Ngoài ra, do khả năng miễn dịch cao của trạng thái cấp "H", vấn đề phục hồi không rất nổi bật. Đối với các thiết bị loạt HCT, nếu các phương pháp kẹp diode Schottky và kết thúc kháng loạt được sử dụng, sự cải thiện sẽ được cải thiện. Hiệu quả sẽ rõ ràng hơn. Ở tốc độ bit cao hơn và tốc độ cạnh nhanh hơn, các phương pháp định hình TTL được mô tả ở trên hơi không đủ khi có quạt ra dọc theo dòng tín hiệu. Bởi vì sóng phản chiếu trong dòng, chúng sẽ có xu hướng kết hợp với tốc độ bit cao, gây biến dạng tín hiệu nghiêm trọng và giảm khả năng miễn dịch với sự can thiệp. Do đó, để giải quyết vấn đề phản xạ, một phương pháp khác thường được sử dụng trong hệ thống ECL: phương pháp phù hợp trở kháng đường. Bằng cách này phản xạ có thể được kiểm soát và đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu. Nói một cách nghiêm ngặt, đối với các thiết bị TTL và CMOS thông thường với tốc độ cạnh chậm hơn, các đường truyền không rất cần thiết. Dây chuyền truyền cũng không phải lúc nào cũng cần thiết cho các thiết bị ECL tốc độ cao với tốc độ cạnh nhanh hơn. Nhưng khi sử dụng các dây truyền, chúng có lợi thế có thể dự đoán sự chậm trễ dây và kiểm soát phản xạ và dao động thông qua phù hợp trở kháng.4.2 Có năm yếu tố cơ bản sau đây để quyết định liệu có sử dụng một dây truyền hay không. Chúng là: (1) Tốc độ cạnh của tín hiệu hệ thống; (2) Khoảng cách kết nối; (3) Tải công suất (bao nhiêu quạt); (4) tải kháng (phương pháp kết thúc dây); (5) Tỷ lệ phản hồi và vượt quá được phép (giảm miễn dịch AC).4.3 Một số loại đường truyền (1) Cáp đồng trục và cặp xoắn: Chúng thường được sử dụng trong kết nối giữa các hệ thống. Kháng trở đặc trưng của cáp đồng trục thường là 50Ω và 75Ω, và cặp xoắn thường là 110Ω. (2) Dây chuyền microstrip trên bảng in: Dây chuyền microstrip là một dây dẫn dải (dây chuyền tín hiệu). Cách rời khỏi phẳng mặt đất với một môi điện. Nếu độ dày, chiều rộng và khoảng cách từ phẳng mặt đất của dòng có thể kiểm soát được, trở kháng đặc trưng của nó cũng có thể kiểm soát được. Thời gian chậm trễ lây lan trên mỗi đơn vị chiều dài của dòng vi dải chỉ phụ thuộc vào hằng số dielectric và không có gì liên quan đến chiều rộng dòng hoặc khoảng cách. (3) Dây dải trong các tấm in: Dây dải là một dây dải đồng được đặt ở giữa một môi điện giữa hai phẳng dẫn điện. Nếu độ dày và chiều rộng của dòng, hằng số môi điện của môi trường và khoảng cách giữa hai phẳng dẫn có thể kiểm soát được, thì trở kháng đặc trưng của dòng cũng có thể kiểm soát được. Tương tự như vậy, thời gian chậm trễ truyền trên mỗi đơn vị chiều dài của dòng dải là độc lập với chiều rộng hoặc khoảng cách của các dòng; Nó chỉ phụ thuộc vào khả năng cho phép tương đối của môi trường được sử dụng.4.4 Kết thúc dòng truyền Khi đầu nhận của một dòng được kết thúc với một kháng tương đương với trở kháng đặc trưng của dòng, dòng truyền được gọi là dòng kết thúc song song. Nó chủ yếu được sử dụng để đạt được hiệu suất điện, bao gồm lái tải phân tán. Đôi khi để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, một tụ 104 được kết nối hàng loạt với điện trở kết thúc để hình thành một mạch kết thúc AC, có thể giảm mất DC một cách hiệu quả. Một điện trở được kết nối hàng loạt giữa trình điều khiển và dây chuyền truyền tải, và cuối dây chuyền không còn được kết nối với điện trở kết thúc. Phương pháp này được gọi là series termination. Vượt quá và chuông trên các đường dài có thể được kiểm soát bằng các kỹ thuật giảm dần hoặc kết thúc loạt. Sự giảm dần loạt được đạt được bằng cách sử dụng một điện trở nhỏ (thường là 10 đến 75Ω) trong loạt với đầu ra của cổng ổ đẩy. Phương pháp giảm tốc này phù hợp để sử dụng với dây có trở kháng đặc trưng được kiểm soát (chẳng hạn như dây phẳng sau, bảng mạch không có phẳng mặt đất và hầu hết các dây bọc). Số tổng tương đương với trở kháng đặc trưng của dây chuyền truyền. Dây chuyền kết thúc loạt có bất lợi là chỉ có tải khối có thể được sử dụng tại kết thúc và thời gian chậm trễ truyền lâu dài. Tuy nhiên, điều này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các dây chuyền truyền tải kết thúc loạt dư thừa.4.5 Dây chuyền truyền tải không bị chấm dứtDây chuyền truyền tải có thể được sử dụng mà không có kết thúc loạt hoặc song song nếu thời gian chậm trễ dây chuyền ngắn hơn nhiều so với thời gian tăng tín hiệu, nếu thời gian chậm trễ chuyến đi lại (thời gian tín hiệu mất để đi lại và đi lại trên dây chuyền truyền tải) cho một dây chuyền không bị chấm dứtNếu thời gian tăng ngắn, sự trả lại do không kết thúc là khoảng 15% 4.6 So sánh một số phương pháp kết thúcCả dây đầu cuối song song và dây đầu cuối loạt đều có lợi thế riêng của họ. Cái nào để sử dụng, hoặc cả hai, phụ thuộc vào sở thích của nhà thiết kế và yêu cầu hệ thống. Lợi thế chính của dây kết thúc song song là tốc độ cao của hệ thống và truyền tín hiệu hoàn chỉnh và không bị biến dạng trên dây. Tải trọng trên đường dài sẽ không ảnh hưởng đến thời gian chậm trễ lan truyền của cổng lái xe lái đường dài cũng như tốc độ cạnh tín hiệu của nó, nhưng sẽ làm tăng thời gian chậm trễ lan truyền của tín hiệu dọc theo đường dài. Khi lái một quạt lớn, tải trọng có thể được phân phối dọc theo dòng thông qua nhánh nhánh thay vì đầu cuối nơi tải trọng phải được gộp với nhau như trong kết thúc loạt. Phương pháp kết thúc loạt làm cho mạch có khả năng lái một số đường tải song song. Tăng thời gian chậm trễ do tải điện dung của dòng kết thúc loạt lớn gấp đôi so với dòng kết thúc song song tương ứng, trong khi dòng ngắn là do tải điện dung. Tốc độ bị chậm lại và thời gian chậm trễ cổng ổ đĩa được tăng lên, tuy nhiên, crosstalk của dây kết thúc hàng loạt ít hơn dây kết thúc song song, chủ yếu bởi vì biên độ của tín hiệu truyền dọc theo dây kết thúc hàng loạt chỉ là một nửa dao động logic, vì vậy Dòng công tắc cũng chỉ là một nửa của dòng công tắc kết thúc song song, và năng lượng tín hiệu nhỏ và crosstalk nhỏ.5. Công nghệ dây mạch bảng PCBCho dù chọn một bảng hai mặt hoặc nhiều lớp khi làm một bảng PCB phụ thuộc vào tần số hoạt động, sự phức tạp của hệ thống mạch và các yêu cầu về mật độ lắp ráp. Chọn một bảng đa lớp khi tần số đồng hồ vượt quá 200MHZ. Nếu tần số hoạt động vượt quá 350MHz, bảng mạch in với PTFE làm lớp dielectric được chọn, bởi vì sự suy giảm tần số cao của nó nhỏ hơn, công suất ký sinh trùng nhỏ hơn và tốc độ truyền nhanh hơn. Để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ, các nguyên tắc sau đây là cần thiết cho dây của bảng mạch in ((1) Cần có nhiều không gian càng tốt giữa tất cả các đường tín hiệu song song để giảm crosstalk. Nếu có hai dây tín hiệu gần nhau, chạy một dây mặt đất giữa hai dây, có thể hoạt động như một lá chắn. (2) Khi thiết kế dây chuyền truyền tín hiệu, cần tránh các vòng xoay sắc nét, để ngăn chặn sự phản xạ gây ra bởi sự thay đổi đột ngột của trở kháng đặc trưng của dây chuyền truyền, và cố gắng thiết kế nó như một dây chuyền cung đồng nhất với một kích thước nhất định. (3) Chiều rộng của dòng in có thể được tính toán theo công thức tính toán trở kháng đặc trưng của dòng dải vi mô và dòng dải. Kháng trở đặc trưng của dòng dải vi trên bảng mạch in thường là từ 50 đến 120 Ω. Để có được một trở kháng đặc trưng lớn, chiều rộng dòng phải được thực hiện rất hẹp. Nhưng các dòng rất mỏng không dễ làm. Xem xét các yếu tố khác nhau, nói chung là phù hợp để chọn giá trị trở kháng khoảng 68Ω, bởi vì chọn trở kháng đặc trưng 68Ω có thể đạt được sự cân bằng giữa thời gian chậm trễ và tiêu thụ điện. Một đường truyền 50Ω sẽ tiêu thụ nhiều điện hơn; một trở kháng lớn hơn chắc chắn có thể làm giảm tiêu thụ điện, nhưng nó sẽ làm tăng thời gian chậm trễ truyền. Thời gian chậm trễ lan truyền tăng và trở kháng đặc trưng giảm do công suất dòng âm. Tuy nhiên, công suất nội tại trên mỗi đơn vị chiều dài của phần dây chuyền có trở kháng đặc tính thấp tương đối lớn, vì vậy thời gian chậm trễ truyền và trở kháng đặc tính ít bị ảnh hưởng bởi công suất tải. Một tính năng quan trọng của một dây chuyền truyền tải kết thúc đúng cách là các nhánh nhánh nên có ít ảnh hưởng đến thời gian chậm trễ dây chuyền. Khi Z0 là 50Ω. Chiều dài của đường ngắn của nhánh phải được giới hạn trong vòng 2,5cm. Để tránh một chuông lớn. (4) Đối với các tấm hai mặt (hoặc các đường bốn lớp trong các tấm sáu lớp). Các đường ở cả hai bên của bảng mạch nên thẳng đứng với nhau để ngăn chặn cảm ứng lẫn nhau và crosstalk. (5) Nếu có các thiết bị dòng điện cao trên bảng in, chẳng hạn như relê, đèn chỉ báo, loa, v.v., dây mặt đất của chúng nên được tách ra và chạy riêng biệt để giảm tiếng ồn trên dây mặt đất. Các dây mặt đất của các thiết bị dòng điện cao này nên được kết nối với một bus mặt đất riêng biệt trên bảng cắm và phẳng sau, và các dây mặt đất riêng biệt này cũng nên được kết nối với điểm mặt đất của toàn bộ hệ thống. (6) Nếu có một bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ trên bảng, dòng tín hiệu yếu trước khi khuếch đại nên được giữ xa dòng tín hiệu mạnh mẽ, và dấu vết nên ngắn nhất có thể, và bảng PCB nên được che chắn bằng dây mặt đất nếu có thể.