Немного о "граблях" при проектировании плат.
Наиболее типовая ошибка разводки цепей питания во многих конструкциях: емкости блокировки по "+" и по "-" питаний ОУ брошены на земляной слой далеко друг от друга, то есть по земляному слою течет контурный ток потребления ОУ. Эти емкости надо располагать так, чтобы расстояние между точками их присоединения к земляному слою было минимальным. Высокочастотные блокировки - под корпус DIP-8 легко влезают SMD конденсаторы типоразмера 1206, а при некотором умении - и 1210. Естественно, площадь образующегося контура протекания токов тоже должна быть минимальной, это само собой разумеется.
Резисторы в цепях питания каждой ИМС сильно упрощают разводку, т.к. служат перемычками, и позволяют "+" и "-" питания развести вплотную друг к другу, что весьма желательно для снижения излучений сигнальных/выходных токов цепями питания.
Существует также изящный (но весьма трудоемкий) метод подавления помех по "земле" без явного разделения земель, особенно полезный при использовании двусторонних плат - максимальное сохранение цельного слоя "земли" на одной из сторон (т.е. фактически однослойная разводка схемы на другой стороне, с минимумом "перемычек"), тщательный анализ контуров протекания токов питания по этой земляной плоскости и нахождение эквипотенциальных точек, т.е. точек, разность потенциалов между которыми при протекании по "земле" токов в цепях питания/нагрузки остается близкой к нулю. Эти точки и используются в качестве выводов "сигнальной" земли. Вид контуров протекания токов при необходимости можно изменять, вводя дополнительные разрезы или наоборот, делая перемычки в возникших по условиям разводки разрезах земляного слоя.
Самое подробное изучение вопросов топологии/протекания токов и т.п. было выполнено при создании методик проектирования устройств, устойчивых к ЭМИ импульсу, возникающему при взрыве ядерных боеприпасов или ЭМИ-генераторов импульсного действия. К сожалению, публикации на эту тему разрознены, и к тому же часто до сих пор "под грифом". Одну из иллюстративных статей я отсканировал, но не могу сюда прикрутить - выбран лимит на число вложений.
О конструировании ПП.
Необходимо сразу отметить, что иногда встречающийся прямолинейный подход - "чем больше слоев - тем лучше" - для чисто аналоговых (а частично и для цифровых) схем "не катит". Слишком много привходящих факторов.
Одно/двухслойные ПП на гетинаксе/стеклотекстолите без металлизации отверстий - в настоящее время адекватны только для очень простых устройств в большой (>>10000) серии. Главные минусы - низкая надежность в жестких условиях эксплуатации (из-за отслоения контактных площадок/проводников при механических вибрациях и термоциклах, набора влаги/флюсов через стенки отверстий), а также сложность (и дороговизна) качественной разводки сколько-нибудь сложных схем. Плотность монтажа низкая (обычно не более 3...4 выводов на квадратный сантиметр общей площади платы). Достоинство - крайняя простота и дешевизна в производстве (при больших объемах и проектных нормах порядка 0.38 мм - менее $0.3/кв. дм) за счет отсутствия металлизации и возможности замены сверления отверстий их пробивкой.
Требования по повышению плотности монтажа при сохранении надежности в производстве BGA корпусов и портативной техники привели к разработке технологии микропереходов (microvia), когда кроме обычных (сквозных) переходных отверстий на плате с одной или обоих сторон формируются (обычно лазером) глухие отверстия-переходы на нижележащий слой, металлизируемые в одном цикле с металлизацией сквозных отверстий. Размер контактной площадки под такой переход (0.2...0.3 мм) гораздо меньше, чем под сквозное отверстие, не нарушается трассировка в остальных слоях. К тому же в ряде случаев microvia может быть размещен на контактной площадке SMD элемента без риска ухода заметной части припоя в отверстие ввиду его малого размера и глубины (не более 0.1...0.15 мм). Это очень сильно повышает плотность разводки, т.к. обычные переходные отверстия на площадках SMD элементов размещать, как правило, нельзя. Microvia можно также сформировать и во внутренних слоях, но это существенно сложнее и дороже в производстве.
Несколько слов про толщину меди и покрытия плат. Основная часть плат делается на материалах с толщиной фольги 35, 18 и 9 мкм, при этом во время металлизации отверстий на наружных слоях наращивается еще по 15-25 мкм меди (в отверстиях должно быть ~ 20 мкм). Платы с проектными нормами 0.127 и менее, как правило, делаются на материале с толщиной фольги ~9 мкм (чем тоньше фольга, тем меньше искажение формы рисунка из-за бокового подтрава проводников). Беспокоиться о "малости сечения меди" не стоит, т.к. печатные проводники ввиду хорошего охлаждения допускают гораздо бОльшие плотности тока (~100 А/кв.мм), чем монтажный провод (3...10 А/кв. мм). Итоговая толщина во внешних слоях за счет осаждения меди при металлизации отверстий, естественно, оказывается больше, чем у исходной фольги. Cопротивление плоских проводников зависит от их геометрии в плане по простому закону: сопротивление квадрата х число квадратов. Сопротивление квадрата не зависит от его абсолютного размера, а только от толщины и проводимости материала. То есть, сопротивление проводника шириной 0,25 мм и длиной 10 мм (т.е. 40 квадратов) такое же, как при ширине 2,5 и длине 100. Для медной фольги 35 мкм это около 0,0005 Ом/квадрат. На промышленных платах при металлизации отверстий на фольгу наращивается дополнительный слой меди, так что сопротивление квадрата падает еще процентов на 20 по сравнению с приведенным выше. Облуживание же, даже "жирное", мало влияет на сопротивление, его цель - повысить теплоемкость проводников, чтобы они не сгорали от кратковременного ударного тока. Применяя коррекцию фотошаблонов (т.е. вводя поправки на подтравы) и анизотропное травление, изготовителям удается обеспечить производство плат с толщиной исходной фольги до 30-40% от проектных норм, т.е. при использовании самой толстой фольги 105 мкм (а с учетом осаждения меди - где-то 125-130 мкм) проектные нормы могут быть от 0.3...0.35 мм.
Более существенным ограничением для силовых схем является то, что допустимый ток, пропускаемый через переходное отверстие, зависит в основном от его диаметра, так как толщина металлизации в нем невелика (15...25 мкм) и, как правило, не зависит от толщины фольги. Для отверстия диаметром 0.5 мм при толщине платы 1.5 мм допустимый ток порядка 0.4 А, для 1 мм - примерно 0.75 А. При необходимости пропустить по переходным отверстиям бОльший ток рациональным решением будет использование не одного большого, а набора мелких переходных отверстий, особенно при их плотном размещении в "шахматном" или "сотовом" порядке - в вершинах сетки из шестиугольников. Дублирование переходных отверстий также дает выигрыш в надежности, поэтому часто применяется и в критических цепях (в том числе сигнальных) при разработке аппаратуры для особо ответственных применений (например, системы жизнеобеспечения).
Покрытия проводников плат бывают изолирующие и/или защитные. "Паяльная маска" - это защитное изолирующее покрытие, в котором сформированы окна в местах контактных площадок. Проводники могут быть оставлены медными, или покрыты слоем металла, защищающего их от коррозии (оловом/припоем, никелем, золотом и пр.). Каждый вид покрытия имеет достоинства и недостатки. Покрытия бывают тонкослойные, толщиной в доли микрона (как правило, химические), и толстослойные (гальванические, горячее лужение). Паяльную маску лучше всего наносить на голую медь или тонкослойное покрытие, при ее нанесении на луженые дорожки она держится хуже и при пайке проявляется капиллярный эффект - затекание припоя/отрывы маски. Золотое покрытие бывает обоих видов, химическое (тонкое) и гальваническое (требующее для своего выполнения электрического соединения проводников, например, на разъеме). В крупносерийном производстве также популярен вариант покрытия чисто медных (нелуженых) контактных площадок плат флюсоподобным лаком (organic coating). Выбор вида покрытия зависит от технологии монтажа и типа деталей. Для ручного монтажа (и автоматического при деталях типоразмера 0805 и крупнее) в подавляющем большинстве случаев оптимальный вариант - горячее лужение площадок (HASL) с маской по меди. Для более мелких деталей и автоматического монтажа, если нет требований по особо малым утечкам на плате, один из лучших вариантов - химическое (иммерсионное) золото (Flash Gold) или иммерсионное олово. Химзолото стоит в нормальном мире очень дешево, столько же, сколько горячее лужение, и при этом обеспечивает идеально ровные посадочные места для элементов, без бугорков припоя. Однако при изготовлении плат в РФ зачастую лучше заказывать покрытие не иммерсионным золотом, а оловом - его растворы не так экономят. При пайке плат с тонкими покрытиями, в том числе Flash Gold, их надо паять быстро и/или заливать нейтральным флюсом во избежание окисления меди через поры покрытия, а при автоматической пайке - желательно еще и использовать среду нейтрального газа (азот, фреон).
Ниже приложена наиболее доходчивая (на мой взгляд) литература по данному вопросу, а также пример разработанной мной около 10 лет назад двухслойной компьютерной платы измерителя микропрофилей (профилометра), в которой меры по обеспечению качества топологии применены без фанатизма, только частично. Однако и этого оказалось достаточно, чтобы безо всяких экранировок, в работающем ПК с его помехами (и собственной силовой частью - управлением коллекторным двигателем) обеспечить разрешение в несколько атомов, многократно превзойдя требования ТЗ (использованные ОУ - всего лишь TL084/LM324). Прибор выпускался до самого последнего времени и был единственным в РФ профилометром 1 класса точности.
Пользователь форума: sia_2
При разработке печатных плат с оптимизацией цены возникает ряд ключевых вопросов. В то время как исходной целью может быть разработка как можно меньшей по размерам печатной платы, для все системы это может оказаться не самым дешевым решением. Снижение размера печатной платы возможно путем увеличения числа слоев печатной платы, что в свою очередь приводит к возникновению вопросов электромагнитной совместимости, которые могут вылится в огромные затраты по ходу проекта.
Электромагнитные помехи, ЭМП или электромагнитная совместимость, ЭМС являются ключевым фактором в разработке печатных плат. Обеспечение электромагнитной совместимости устройства в целом может оказаться чрезвычайно затратным процессом, если при разработке и изготовлении печатных плат разработчик "срезал углы", поэтому некоторые подходы по снижению себестоимости необходимо отмести еще в самом начале. Если компоненты будут взаимодействовать с ЭМП или излучать ЭМП, это потребует высоких затрат для того, чтобы удовлетворить требованиям ЭМС на этапе испытаний.
В то время как четырехслойная плата считается оптимальным балансом защиты от ЭМП и трассировки платы, часто возможно разработать двухслойную плату с теми же характеристиками, используя бесплатными средствами трассировки печатных плат такие как DesignSpark PCB. Это обеспечивает значительное снижение стоимости изготовления печатной платы без влияния на ход испытаний в дальнейшем.
Пути возврата сигнала являются наиболее сложной проблемой при трассировке печатных плат. Было бы достаточно трудно выполнить трассировку возвратного заземления под каждой дорожкой, связанной с сигнальным выводом микроконтроллера, но именно это обеспечивает четырехслойная плата с заземленным слоем. Не имеет значения, где проходят дорожки, под ними всегда проходит путь возвратного сигнала на землю.
Наиболее близким к заземленному слою по характеристикам на двухслойной плате является решетка заземления, снижающая излучение электромагнитных помех с сигнальных дорожек. Уменьшение площади петли выполняя трассировку возвратного пути под дорожкой сигнала является наиболее эффективным способом решения этой проблемы, и создание решетки заземления является самым важным этапом (после планирования размещения) в трассировке печатной платы
Генерирование решетки является ключевой методикой для обеспечения ЭМС в двухслойных платах. Очень похоже на силовую сеть, это сеть прямоугольных соединений между заземленными проводниками. В действительности таким образом создается заземленная поверхность, которая обеспечивает такое же снижение электромагнитного шума, как и четырехслойная плата и фактически эмитирует заземленную поверхность, используемую в четырехслойной плате для обеспечения улучшения ЭМС, создавая возвратный путь на заземление под каждой сигнальной дорожкой и снижая импеданс между микроконтроллером и регулятором напряжения.
Генерирование решетки выполняется расширением дорожек заземления и созданием заземленных проводящих плоских фигур для того, чтобы создать сеть соединений с землей по всей поверхности печатной платы. Например, если печатная плата имеет преимущественно дорожки верхнего слоя идущие вертикально и дорожки нижнего слоя проходящие преимущественно горизонтально, это уже ухудшает условия для трассировки возвратных путей на землю под сигнальными проводниками, которая обычно выполняется в два этапа:
Цель такого подхода заключается в генерации как можно большей решетки на двухслойной печатной плате. Небольшие изменения в разводке печатной платы могут позволить дополнительные соединения для увеличения площади решетки заземления.
Зонирование печатной платы - это другая технология, которая может быть использована для снижения шума и ЭМП печатной платы и таким образом снизить необходимость в дополнительных слоях печатной платы. Эта технология имеет тот же основной смысл как и планирование размещения компонент, являющееся процессом определения местоположения компонент на чистой плате перед тем как трассировать проводники. Зонирование печатной платы немного более сложный процесс размещения похожего функционала в одной зоне печатной платы, вместо того, чтобы смешивать функционально разные компоненты вместе. Высокоскоростная логика, включая микроконтроллеры, размещается как можно ближе к цепям питания, медленные компоненты размещаются дальше, а аналоговые компоненты еще дальше. Этот подход существенно влияет на ЭМС печатной платы.
При таком расположении, восокоскоростная логика меньше влияет на проводники других сигналов. Особенно важно, чтобы петля кварцевого резонатора была размещена вдали от аналоговых цепей, низкоскоростных сигналов и соединителей. Это правило применяется и к печатным платам, и к размещению компонент внутри устройства. Необходимо избегать компоновок, при которых пучки кабелей будут размещаться вокруг резонатора или микроконтроллера, поскольку эти кабели будут собирать шум и разносить его повсюду. Таким образом при зонировании определяется в том числе и размещение разъемов на печатной плате.
Существует множество средств разработки, обеспечивающих проектирование с учетом оптимизации ЭМС. Одно из таких средств DesignSpark PCB последних версия, которые поддерживают проверку правил проектирования (DRC, design rules checking) при трассировке, а не при выполнении проверки после завершения трассировки. Это особенно полезно при оптимизации печатной платы по стоимости, так как любые конфликты или ошибки немедленно сигнализируются и могут быть разрешены. Конечно эти проверки зависят от полноты информации, заданной проектировщиком, но такой подход позволяет ускорить процесс трассировки и таким образом освободить время для других важных вопросов.
В версии 5 DesignSpark PCB онлайн проверка правил проектирования проверяет любые компоненты, которые добавлялись и переносились в результате интерактивных операций редактирования. Например, проверяются все проводники, присоединенные к перемещенному компоненту и все проводники, добавленные при ручной трассировке.
В версии 5 так же добавлена поддержка шин так, что проводники можно легко сгруппировать и трассировать вместе. Вместо вычерчивания всех соединений в проекте и подключения их к каждому выводу, проектировщик может создать менее загроможденный проект при помощи шин, добавляя соединения вывода компонента к шине, через которую передается сигнал.
Шины могут быть открытыми и закрытыми. Закрытая шина является совокупностью имен проводников, предопределенных для данной шины, и только эти проводники могут подключаться к данной шине, в то время как открытая шина может включать в себя любой проводник.
При том, что такие возможности имеют смысл при трассировке шин, их можно использовать для разводки других проводников по печатной плате. Эта возможность использования шин в схемах может помочь сделать проект проще и понятнее при помощи группировки нескольких проводников с повышенным излучением ЭМП вместе с окружающими их заземляющими возвратными проводниками и таим образом снизить ЭМП на разрабатываемой плате. Хорошим правилом является правило никогда не проводить излучающие ЭМП проводники на внешней стороне платы, что может быть сложным для маленьких двухслойных плат. Уводя цепи, не излучающие ЭМП из мест, таких как разъемы, цепи резонаторов, реле, драйверы реле, где в этих цепях могу наводиться электромагнитные помехи так же помогает улучшить электромагнитную совместимость.
Разработка печатной платы с простой, требуемой для снижения стоимости возможно более тяжелая задача, чем использование богатства многослойной платы.
Некоторые проблемы ЭМС можно решить применением разделительных конденсаторов и ферритовых шайб для подавления любых сигналов, которые могут излучаться, но это добавляет сложности проекту и увеличивает стоимость производства. Если проблемы электромагнитных помех и электромагнитной совместимости можно минимизировать при помощи правильных правил проектирования используя зонирование и учете взаимных наводок, генерирование решеток силовых цепей и заземления может обеспечить тот же уровень экранирования в двухслойной плате, который возможен в четырех или шестислойной конструкции. Это не только снижает стоимость изготовления платы, но и улучшает надежность и производительность, включая электромагнитную совместимость, таким образом снижая стоимость жизненного цикла оборудования.
ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.
Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем.
Печатная плата - компонент схемы
Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.
Макетирование
Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком.
Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы.
Источники шума и помех
Шум и помехи являются основнымм элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнал-процессоры (DSP ).
Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI ). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.
Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находиться неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной - основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель компонентов, используемых при производстве печатных плат.
Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению ) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 - наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.
Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.
FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время, как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.
При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр може оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы - поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.
Таблица 1
|
Компоненты, комментарии |
|
|
бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности |
|
|
бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности |
|
|
бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям |
После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.
КОЛИЧЕСТВО СЛОЕВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.
Однослойные печатные платы
Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам . Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.
Двухслойные печатные платы
На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 более предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom ) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top ). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:
Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.
Многослойные печатные платы
Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:
Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:
Порядок следования слоев
У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную палату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя - слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?
При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.
Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.
Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.
ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Хорошее заземление - общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.
Основное правило: разделение земли .
Разделение земли на аналоговую и цифровую части - один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.
Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.
Другие правила формирования земли:
Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота может вызывать проблему, но и ее высшие гармоники.
Пример хорошего размещения компонентов
На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастоный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей отнесены друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.
Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключенны к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.
Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.
Необходимо учитывать то, что цифровая элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.
ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ
Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.
Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так - высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.
Резисторы
Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.
Обычно применяются резисторы трех типов: 1) проволочные, 2) углеродные композитные и 3) пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.
Конденсаторы
Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.
Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:
Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?
При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.
В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.
Индуктивности
Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.
Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:
Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц - сопротивлением 6,28 МОм. Верно?
Печатная плата
Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.
Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.
Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образовывают своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.
Немного из теории антенн
На постоянном токе или низких частотах преобладает активная составляющая. При повышении частоты реактивная составляющая становится все более и более значимой. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц индуктивная составляющая начинает оказывать влияние, и проводник более не является низкоомным соединителем, а скорее выступает как катушка индуктивности.
Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:
Обычно, трассы на печатной плате обладают значениями от 6 нГн до 12 нГн на сантиметр длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.
Правило штыревой антенны гласит, что она начинает ощутимо взаимодействовать с полем при своей длине около 1/20 от длины волны, а максимальное взаимодействие происходит при длине штыря, равной 1/4 от длины волны. Поэтому 10-сантиметровый проводник из примера в предыдущем параграфе начнет становиться довольно хорошей антенной на частотах выше 150 МГц. Необходимо помнить, что несмотря на то, что генератор тактовой частоты цифровой схемы может и не работать на частоте выше 150 МГц, в его сигнале всегда присутствуют высшие гармоники. Если на печатной плате присутствуют компоненты со штыревыми выводами значительной длины, то такие выводы также могут служить антеннами.
Другой основной тип антенн - петлевые антенны. Индуктивность прямого проводника сильно увеличивается, когда он изгибается и становится частью дуги. Увеличивающаяся индуктивность понижает частоту, на которой начинает происходить взаимодействие антенны с линиями поля.
Опытные дизайнеры печатных плат, достаточно хорошо разбирающиеся в теории петлевых антенн, знают, что нельзя создавать петли для критичных сигналов. Некоторые разработчики, однако, не задумываются об этом, и проводники возвратного и сигнального тока в их схемах представляют собой петли. Создание петлевых антенн легко показать на примере (рис. 8). Кроме того, здесь показано и создание щелевой антенны.
Рассмотрим три случая:
Вариант A - пример скверного дизайна. В нем вовсе не используется полигон аналоговой земли. Петлевой контур формируется земляным и сигнальным проводником. При прохождении тока возникают электрическое и перпендикулярное ему магнитное поля. Эти поля образовывают основу петлевой антенны. Правило петлевой антенны гласит, что для наибольшей эффективности длина каждого проводника должна быть равно половине длины волны принимаемого излучения. Однако, следует не забывать, что даже при 1/20 от длины волны петлевая антенна все еще остается достаточно эффективной.
Вариант Б лучше варианта A, но здесь присутствует разрыв в полигоне, вероятно, для создания определенного места для разводки сигнальных проводников. Пути сигнального и возвратного токов образуют щелевую антенну. Другие петли образуются в вырезах вокруг микросхем.
Вариант В - пример лучшего дизайна. Пути сигнального и возвратного тока совпадают, сводя на нет эффективность петлевой антенны. Заметьте, что в этом варианте также присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.
Теория отражения и согласования сигналов находится близко к теории антенн.
Когда проводник печатной платы поворачивает на угол 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит, главным образом, из-за изменения ширины пути прохождения тока. В вершине угла ширина трассы увеличивается в 1.414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Довольно часто необходимо повернуть на печатной плате трассу на 90°. Многие современные CAD-пакеты позволяют сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги. На рисунке 9 показаны два шага улучшения формы угла. Только последний пример поддерживает постоянной ширину трассы и минимизирует отражения.
Совет для опытных разводчиков печатных плат: оставляйте процедуру сглаживания на последний этап работ перед созданием каплеобразных выводов и заливкой полигонов. Иначе, CAD-пакет будет производить сглаживание дольше из-за более сложных вычислений.
Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор. Емкость такого конденсатора расчитывается по формуле, приведенной на рисунке 10.
Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:
- 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли - смежные,
- межслойный интервал - 0,2 мм,
- ширина проводника - 0,75 мм,
- длина проводника - 7,5 мм.
Типовое значение диэлектрической постоянной ER для FR-4 равняется 4.5.
Подставив все значения в формулу, получим значение емкости между этими двумя шинами, равное 1,1 пФ. Даже такая, казалось бы, небольшая емкость для некоторых приложений является недопустимой. Рисунок 11 иллюстрирует эффект от емкости в 1 пФ, возникающий при подключении ее к инвертирующему входу высокочастотного операционного усилителя.
Видно, что происходит удвоение амплитуды выходного сигнала на частотах, близких к верхнему пределу частотного диапазона ОУ. Это, в свою очередь, может привести к генерации, особенно на рабочих частотах антенны (выше 180 МГц).
Этот эффект порождает многочисленные проблемы, для решения которых, тем не менее, существует много способов. Самый очевидный из них - уменьшение длины проводников. Другой способ - уменьшение их ширины. Нет причины применения проводника такой ширины для подводки сигнала к инвертирующему входу, т.к. по этому проводнику протекает очень небольшой ток. Уменьшение длины трассы до 2,5 мм, а ширины до 0,2 мм приведет к уменьшению емкости до 0,1 пФ, а такая емкость уже не приведет к столь значительному подъему частотной характеристики. Еще один способ решения - удаление части полигона под инвертирующим входом и проводником, подходящим к нему.
Ширину проводников печатной платы невозможно бесконечно уменьшить. Предельная ширина определяется как технологическим процессом, так и толщиной фольги. Если два проводника проходят близко друг к другу, то между ними образуется емкостная и индуктивная связь (рис. 12).
Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, исключая случаи разводки дифференциальных или микрополосковых линий. Зазор между проводниками должен быть минимум в три раза больше ширины проводников.
Емкость между трассами в аналоговых схемах может создать затруднения при больших сопротивлениях резисторов (несколько МОм). Относительно большая емкостная связь между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя легко может привести к самовозбуждению схемы.
Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нГн.
Помните, что, если в схеме присутствуют большие сопротивления, то особое внимание следует уделить очистке платы. На заключительных операциях изготовления печатной платы должны удаляться остатки флюса и загрязнений. В последнее время при монтаже печатных плат достаточно часто применяются водорастворимые флюсы. Являясь менее вредными, они легко удаляются водой. Но при этом отмывка платы недостаточно чистой водой может привести к дополнительным загрязнениям, которые ухудшают диэлектрические характеристики. Следовательно, очень важно производить отмывку печатной платы с высокоимпедансной схемой свежей дистиллированой водой.
РАЗВЯЗКА СИГНАЛОВ
Как уже отмечалось, помехи могут проникать в аналоговую часть схемы через цепи питания. Для уменьшения таких помех применяются развязывающие (блокировочные) конденсаторы, уменьшающие локальный импеданс шин питания.
Если необходимо развести печатную плату, на которой имеются и аналоговая, и цифровая части, то необходимо иметь хотя бы небольшое представление об электрических характеристиках логических элементов.
Типовой выходной каскад логического элемента содержит два транзистора, последовательно соединенные между собой, а также между цепями питания и земли (рис. 14).
Эти транзисторы в идеальном случае работают строго в противофазе, т.е. когда один из них открыт, то в этот же момент времени второй закрыт, формируя на выходе либо сигнал логической единицы, либо логического нуля. В установившемся логическом состоянии потребляемая мощность логического элемента невелика.
Ситуация кардинально меняется, когда выходной каскад переключается из одного логического состояния в другое. В этом случае в течение короткого промежутка времени оба транзистора могут быть открыты одновременно, а ток питания выходного каскада сильно увеличивается, поскольку уменьшается сопротивление участка пути тока от шины питания до шины земли через два последовательно соединенных транзистора. Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем также убывает, что приводит к локальному изменению напряжения питания и возникновению резкого, кратковременного изменения тока. Такие изменения тока приводят к излучению радиочастотной энергии. Даже на сравнительно простой печатной плате может быть десятки или сотни рассмотренных выходных каскадов логических элементов, поэтому суммарный эффект от их одновременной работы может быть очень большим.
Невозможно точно предсказать диапазон частот, в котором будут находиться эти выбросы тока, поскольку частота их возникновения зависит от множества причин, в том числе и от задержки распространения переключений транзисторов логического элемента. Задержка, в свою очередь, также зависит от множества случайных причин, возникающих в процессе производства. Шум от переключений имеет широкополосное распределение гармонических составляющих во всем диапазоне. Для подавления цифрового шума существует несколько способов, применение которых зависит от спектрального распределения шума.
В таблице 2 представлены максимальные рабочие частоты для распространенных типов конденсаторов.
Таблица 2
Из таблицы очевидно, что танталовые электролитические конденсаторы применяются для частот ниже 1 МГц, на более высоких частотах должны применяться керамические конденсаторы. Необходимо не забывать, что конденсаторы имеют собственный резонанс и их неправильный выбор может не только не помочь, но и усугубить проблему. На рисунке 15 показаны типовые собственные резонансы двух конденсаторов общего применения - 10 мкФ танталового электролитического и 0,01 мкФ керамического.
Реальные характеристики могут отличаться у различных производителей и даже от партии к партии у одного производителя. Важно понимать, что для эффективной работы конденсатора подавляемые им частоты должны находиться в более низком диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным, а конденсатор перестанет эффективно работать.
Не стоит заблуждаться относительно того, что один 0,1 мкФ конденсатор будет подавлять все частоты. Небольшие конденсаторы (10 нФ и менее) могут работать более эффективно на более высоких частотах.
Развязка питания ИС
Развязка питания интегральных схем с целью подавления высокочастотного шума состоит в применении одного или нескольких конденсаторов, подключенных между выводами питания и земли. Важно, чтобы проводники, соединяющие выводы с конденсаторами, были короткими. Если это не так, то собственная индуктивность проводников будет играть заметную роль и сводить на нет выгоды от применения развязывающих конденсаторов.
Развязывающий конденсатор должен быть подключен к каждому корпусу микросхемы, независимо от того, сколько операционных усилителей находится внутри корпуса - 1, 2 или 4. Если ОУ питается двухполярным питанием, то, само собой разумеется, что развязывающие конденсаторы должны располагаться у каждого вывода питания. Значение емкости должно быть тщательно выбрано в зависимости от типа шума и помех, присутствующих в схеме.
В особо сложных случаях может появиться необходимость добавления индуктивности, включенной последовательно с выводом питания. Индуктивность должна располагаться до, а не после конденсаторов.
Другим, более дешевым способом является замена индуктивности резистором с малым сопротивлением (10...100 Ом). При этом вместе с развязывающим конденсатором резистор образует низкочастотный фильтр. Этот способ уменьшает диапазон питания операционного усилителя, который к тому же становится более зависимым от потребляемой мощности.
Обычно для подавления низкочастотных помех в цепях питания бывает достаточно применить один или несколько алюминиевых или танталовых электролитических конденсаторов у входного разъема питания. Дополнительный керамический конденсатор будет подавлять высокочастотные помехи от других плат.
РАЗВЯЗКА ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ
Множество шумовых проблем является результатом непосредственного соединения входных и выходных выводов. В результате высокочастотных ограничений пассивных компонентов реакция схемы на воздействие высокочастотного шума может быть достаточно непредсказуемой.
В ситуациии, когда частотный диапазон наведенного шума в значительной степени отличается от частотного диапазона работы схемы, решение просто и очевидно - размещение пассивного RC-фильтра для подавления высокочастотных помех. Однако, при применении пассивного фильтра надо быть осторожным: его характеристики (из-за неидеальности частотных характеристик пассивных компонентов) утрачивают свои свойства на частотах, в 100...1000 раз превышающих частоту среза (f 3db). При использовании последовательно соединенных фильтров, настроенных на разные частотные диапазоны, более высокочастотный фильтр должен быть ближайшим к источнику помех. Индуктивности на ферритовых кольцах также могут применяться для подавления шума; они сохраняют индуктивный характер сопротивления до некоторой определенной частоты, а выше их сопротивление становится активным.
Наводки на аналоговую схему могут быть настолько большими, что избавиться (или, по крайней мере, уменьшить) от них возможно только с помощью применения экранов. Для эффективной работы они должны быть тщательно спроектированы так, чтобы частоты, создающие наибольшие проблемы, не смогли попасть в схему. Это означает, что экран не должен иметь отверстия или вырезы с размерами, большими, чем 1/20 длины волны экранируемого излучения. Хорошая идея отводить достаточное место под предполагаемый экран с самого начала проектирования печатной платы. При использовании экрана можно дополнительно использовать ферритовые кольца (или бусинки) для всех подключений к схеме.
КОРПУСА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
В одном корпусе обычно размещаются один, два или четыре операционных усилителя (рис. 16).
Одиночный ОУ часто также имеет дополнительные входы, например, для регулировки напряжения смещения. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют лишь инвертирующий и неинвертирующий входы и выход. Поэтому при необходимости иметь дополнительные регулировки надо применять одиночные операционные усилители. При использовании дополнительных выводов необходимо помнить, что по своей структуре они являются вспомогательными входами, поэтому управление ими должно осущуствляться аккуратно и в соответствии с рекомендациями производителя.
В одиночном ОУ выход располагается на противоположной стороне от входов. Это может создать затруднение при работе усилителя на высоких частотах из-за протяженных проводников обратной связи. Один из путей преодоления этого состоит в размещении усилителя и компонентов обратной связи на разных сторонах печатной платы. Это, однако, приводит к как минимум двум дополнительным отверстиям и вырезам в полигоне земли. Иногда стоит использовать сдвоенный ОУ для разрешения данной проблемы, даже если второй усилитель не используется (при этом его выводы должны быть подключены должным образом). Рисунок 17 иллюстрирует уменьшение длины проводников цепи обратной связи для инвертирующего включения.
Сдвоенные ОУ особенно часто используются в стереофонических усилителях, а счетверенные - в схемах многокаскадных фильтров. Однако, в этом есть довольно значительный минус. Несмотря на то, что современная технология обеспечивает приличную изоляцию между сигналами усилителей, расположенных на одном кремниевом кристалле, между ними все же существуют некоторые перекрестные помехи. Если необхомимо иметь очень малую величину таких помех, то необходимо использовать одиночные операционные усилители. Перекрестные помехи возникают не только при использовании сдвоенных или счетверенных усилителей. Их источником может служить очень близкое расположение пассивных компонентов разных каналов.
Сдвоенные и счетверенные ОУ, кроме вышесказанного, позволяют осуществить более плотный монтаж. Отдельные усилители как бы зеркально расположены друг относительно друга (рис. 18).
На рисунках 17 и 18 показаны не все подключения, требуемые для нормальной работы, например, формирователь среднего уровня при однополярном питании. На рисунке 19 приведена схема такого формирователя при использовании счетверенного усилителя.
На схеме показаны все необходимые подключения для реализации трех независимых инвертирующих каскадов. Необходимо обратить внимание на то, что проводники формирователя половины напряжения питания располагаются непосредственно под корпусом интегральной схемы, что позволяет уменьшить их длину. Этот пример иллюстрирует не то, как должно быть, а то, что должно быть сделано. Напряжение среднего уровня, например, могло бы быть единым для всех четырех усилителей. Пассивные компоненты могут быть соответствующего размера. Например, планарные компоненты типоразмера 0402 соответствуют расстоянию между выводами стандартного корпуса SO. Это позволяет сделать длину проводников очень короткой для высокочастотных приложений.
ОБЪЕМНЫЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОНТАЖ
При размещении операционных усилителей в корпусах типа DIP и пассивных компонентов с проволочными выводами требуется наличие на печатной плате переходных отверстий для их монтажа. Такие компоненты в настоящее время используются, когда нет особых требований к размерам печатной платы; обычно они стоят дешевле, но стоимость печатной платы в процессе изготовления возрастает из-за сверловки дополнительных отверстий под выводы компонентов.
Кроме того, при использовании навесных компонентов увеличиваются размеры платы и длины проводников, что не позволяет работать схеме на высоких частотах. Переходные отверстия обладают собственной индуктивностью, что также накладывает ограничения на динамические характеристики схемы. Поэтому навесные компоненты не рекомендуется применять для реализации высокочастотных схем или для аналоговых схем, размещенных поблизости с высокоскоростными логическими схемами.
Некоторые разработчики, пытаясь уменьшить длину проводников, размещают резисторы вертикально. С первого взгляда может показаться что, это сокращает длину трассы. Однако при этом увеличивается путь прохождения тока по резистору, а сам резистор представляет собой петлю (виток индуктивности). Излучающая и принимающая способность возрастает многократно.
При поверхностном монтаже не требуется размещения отверстия под каждый вывод компонента. Однако возникают проблемы при тестирования схемы, и приходится использовать переходные отверстия в качестве контрольных точек, особенно при применении компонентов малого типоразмера.
НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СЕКЦИИ ОУ
При использовании сдвоенных и счетверенных операционных усилителей в схеме некоторые их секции могут остаться незадействованными и должны быть в этом случае корректно подключены. Ошибочное подключение может привести к увеличению потребляемой мощности, большему нагреву и большему шуму используемых в этом же корпусе ОУ. Выводы неиспользумых операционных усилителей могут быть подключены так, как изображено на рис. 20а. Подключение выводов с дополнительными компонентами (рис. 20б) позволит легко использовать этот ОУ при наладке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Помните следующие основные моменты и постоянно соблюдайте их при проектировании и разводке аналоговых схем.
Общие:
Печатная плата:
Компоненты:
Разводка:
Развязка:
Прибыль в области потребительской электроники невысока, и производители стараются поддерживать невысокую стоимость изделий для сохранения конкурентоспособности. По этой причине они требуют от разработчиков использования недорогих печатных плат (ПП) и компонентов при сохранении желаемого функционала устройств. Производители считают, что обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) при разработке ПП и применение компонентов с высоким уровнем ЭМС - это роскошь, которую они не могут себе позволить.
Многие полагают, что проблемы с ЭМС могут быть решены в конце цикла разработки за счет дополнительных компонентов, подавляющих электромагнитные помехи. Не всегда очевидно, что стоимость подобных исправлений на завершающих стадиях разработки будет во много раз превышать затраты на обеспечение электромагнитной совместимости на начальных этапах проектирования при создании ПП. Таким образом, стремление сократить затраты на материалы и компоненты фактически приведет к значительному увеличению стоимости изделия.
Чтобы разработать печатную плату с малым уровнем шумов и минимальной чувствительностью к помехам, необходимо, во-первых, правильно организовать цепь земли, и во-вторых - грамотно скомпоновать печатную плату. Для любой ПП желательно иметь минимальный импеданс земли, чтобы обеспечить эффективное протекание токов при возникновении помех. С другой стороны, именно грамотная компоновка является обязательным условием создания хорошей печатной платы. Правильная трассировка не только уменьшает импеданс проводников, но также позволяет избежать общей импедансной связи.
Цифровые интегральные микросхемы (ИС), содержащие логические вентили, являются источником импульсных помех из-за задержек при выключении транзисторов. Каждый раз, когда логический вентиль меняет состояние, короткий импульс сквозного тока протекает через комплементарные транзисторы выходного каскада. Индуктивность земляных дорожек не позволяет току меняться скачком, что приводит к возникновению выброса напряжения.
Чтобы уменьшить влияние таких помех, все цифровые схемы должны иметь минимальный импеданс земли. Кроме того, рядом с каждой логической микросхемой должен быть установлен развязывающий компонент, который гарантирует, что контур протекания импульсного тока не будет распространяться до источника питания Vcc.
Импеданс земли можно уменьшить несколькими способами: снижая индуктивность проводящей дорожки, сокращая площадь токовых петель и уменьшая длину дорожек, по которым протекает ток. Частично это можно сделать за счет развязывающих компонентов, расположенных вблизи каждой логической микросхемы.
Индуктивность проводника прямо пропорциональна его длине. Поэтому следует уменьшать длину дорожек, по которым протекают импульсные токи. Дополнительное снижение индуктивности возможно и за счет увеличения ширины дорожек питания. К сожалению, индуктивность обратно пропорциональна ширине дорожки, и такой подход оказывается не очень эффективным. В итоге именно длина дорожки является самым важным фактором с точки зрения обеспечения минимальной индуктивности.
Если пренебречь взаимной индуктивностью, то эквивалентная индуктивность двух одинаковых параллельных дорожек будет в два раза меньше. В случае четырех параллельных дорожек эквивалентная индуктивность окажется меньше в четыре раза. Однако существует предел при использовании такого подхода. Дело в том, что если дорожки находятся близко друг к другу, то взаимная индуктивность приближается к собственной индуктивности, и эквивалентная индуктивность не снижается. Впрочем, если дорожки располагаются на расстоянии в два раза больше их ширины, то может быть достигнуто снижение индуктивности на 25%.
Таким образом, в высокочастотной схеме следует обеспечить как можно больше альтернативных параллельных путей для протекания земляных токов. Если число проводников увеличивать бесконечно, то мы в итоге придем к слою сплошной земли. Использование отдельного слоя земли в многослойных платах позволяет разом решить огромное количество проблем.
Если речь идет о двухслойной плате, то приемлемый результат может быть достигнут за счет реализации земли в виде сетки (рис. 1). При этом самым лучшим будет вариант, когда дорожка земли проходит под каждой микросхемой по всей ее длине. Допускается использование вертикального шага сетки, равного длине ИС. Вертикальные и горизонтальные дорожки могут находиться на противоположных сторонах платы, но должны соединяться в узлах сетки с помощью переходных отверстии.
Рис. 1. Земля выполнена в виде сетки
Оказалось, что если в обычной двухсторонней печатной плате с 15 микросхемами земля выполнена в виде сетки, то земляной шум уменьшается в десять раз. Следовательно, все двухслойные печатные платы с цифровыми микросхемами должны использовать такое решение.
Другим методом уменьшения индуктивности является сокращение площади контуров протекания токов. Печатная плата с большим разомкнутым контуром (рисунок 2 а), является эффективным генератором помех. Кроме того, сама схема также будет чувствительна к внешним магнитным полям.
Рассмотрим контур питания, состоящий из двух одинаковых параллельных дорожек - дорожки питания Vcc и дорожки земли GND, - в которых токи протекают в противоположных направлениях. Их полная индуктивность (Lt) рассчитывается по формуле 1:
Lt = 2 (L - M) (1)
где L - индуктивность каждой дорожки, а M - взаимная индуктивность.
Если располагать дорожки Vcc и земли близко друг к другу, взаимная индуктивность будет максимальной, а эффективная индуктивность снизится почти вдвое. В идеале на печатной плате дорожка Vcc должна идти параллельно дорожке земли. Это уменьшает площадь контура тока и помогает решить проблемы, связанные с генерацией шумов и чувствительностью к помехам.
На рис. 2 а показана неудачная компоновка печатной платы, а на рис. 2 б представлен улучшенный вариант. В нем за счет уменьшения площади контура удалось сократить длину дорожки и увеличить взаимную индуктивность, что позволило добиться снижения выбросов и восприимчивости к помехам.
На рис. 3 а дорожки питания Vcc и земли расположены близко друг к другу. Тем не менее, путь импульсного тока, начинаясь и заканчиваясь на источнике питания, образует большой контур (зеленая область на рисунке), который может генерировать электромагнитные помехи. Если рядом с каждой ИС поместить развязывающий керамический конденсатор Cc, подключенный между цепями Vcc и земли, то он, выступая в качестве буферного элемента, обеспечит питание микросхемы в течение времени переключения, тем самым уменьшив контур протекания тока.
Рис. 3. Развязывающий конденсатор
В идеале емкость развязывающего конденсатора должна составлять около 1 нФ. Следует использовать керамические конденсаторы, поскольку они способны отдавать заряд с очень большой скоростью. Высокий ток разряда и малая самоиндукция делают их идеальным выбором для развязки по питанию.
На рис. 4 показан пример импедансной связи при использовании общих шин питания и земли. В данной схеме аналоговый усилитель делит шины питания и земли с логическим вентилем. Импедансы дорожек показаны в виде сосредоточенных элементов (Zg и Zs). На повышенных частотах импедансы дорожек многократно возрастают. Это происходит не только из-за увеличения индуктивной составляющей, но и из-за роста сопротивления, вызванного скин-эффектом.
Рис. 4. Общая импедансная связь
Как мы видели ранее, выброс напряжения возникает всякий раз, когда переключается логический вентиль. Часть импеданса земли (Zg3) является общей как для усилителя, так и для логического вентиля, поэтому усилитель будет видеть этот импульс напряжения как шум в цепи питания. Этот шум может быть передан в схему усилителя либо непосредственно через вход питания, либо через общий импеданс Zg3. В результате шум появится непосредственно на входе усилителя. Для уменьшения общей импедансной связи следует либо уменьшить величину общего импеданса, либо полностью от него избавиться.
Общий импеданс можно устранить, используя соединение цепей питания разных схем в одной точке («звездой»), как показано на рисунке 5. Для этого необходимо сгруппировать схемы в зависимости от уровня их собственного шума и восприимчивости к помехам. Внутри каждой группы могут использоваться общие шины, но линии питания отдельных групп соединяются в одной точке. Такое соединение называется гибридным. Второй подход заключается в использовании отдельных источников питания для каждой группы схем, что дополнительно улучшает изоляцию между цепями.
Рис. 5. Соединение в одной точке
Как было отмечено чуть выше, цепи бывают разными: цифровая часть; аналоговая часть; силовая часть; интерфейсная часть. Все эти части цепи необходимо, по возможности, пространственно . В противном случае могут происходить «чудеса». Так, например, если в вашем устройстве есть сенсорная панель (ёмкость рисуется медной подложкой на плате), и рядом с ним вы разместите импульсный преобразователь источника питания, то наводки будут приводить к ложным срабатываниям. Другой пример: размещение силовой части, например, реле, возле цифровой или аналоговой части может в худшем случае повредить внутренности микроконтроллера, создав на ножке потенциал выше 5 вольт, и давать ложные срабатывания (в цифровой части) или неверные показания (в аналоговой части), однако если разрешение АЦП не превышает 10 бит, то земли можно не разделять, так как влияние, как правило, оказывается минимальным).
Делая земли «разными», вы уменьшаете воздействие оных друг на друга. Чем же руководствоваться при разведении земли?
При максимизации площади земли на печатной плате минимизируется её индуктивность, что в свою очередь ведет к уменьшению излучения. Плюс ко всему, увеличивая площадь повышается помехозащищённость печатной платы. Нарастить площадь можно двумя способами: полностью залить плату или сделать её в виде сетки.
Полная заливка позволяет получить наименьший импеданс - это «идеальная» земляная система (сетка чуть хуже).
Однако на платах большой площади сплошная заливка земляным полигоном может . Полигон необходимо размещать с обеих сторон платы равномерно, насколько это возможно. Используя сетку, необходимо проконтролировать её шаг: .
Полигоны на многослойных платах необходимо соединять в нескольких местах, ниже приведена «клетка Фарадея» в исполнении печатной платы. Такой прием используется на гигагерцовых частотах.
Если земля разводится как простая дорожка, то линию питания рекомендуется разводить на противоположной стороне платы. В случае многослойной платы линию земли и питания также располагают на разных слоях.
Сопротивление проводников зависит еще и от частоты (см. ). Чем выше частота, тем выше сопротивление дорожки/земли. Так, например, если при 100 Гц сопротивление земли составляет 574 мкОм, а сигнальной дорожки (ширина 1 мм, длина 10 мм, толщина 35 мкм) 5,74 мОм, то при частоте в 1 Гц они примут значения 11,6 мОм и 43,7 Ом. Как видно, разница колоссальная. Кроме того, сама плата начинает излучать, особенно в местах, где провода подсоединяются к плате.
Мы рассмотрели «землю» с общей точки зрения, однако уходя в конкретику, нужно обговорить так называемую «сигнальную» землю, где :
А) одноточечное соединение (single-point) - нежелательная топология с точки зрения шумов. Из-за последовательного соединения увеличивается импеданс земли, что приводит к проблемам на высоких частотах. Допустимый диапазон для такой топологии - от 1 Гц до 10 МГц, при условии, что самая длинная дорожка земли не превышает 1/20 длины волны.
Б) многоточечное соединение обладает значительно меньшим импедансом - рекомендуется в цифровых цепях и при высоких частотах. Соединения должны быть как можно короче для минимизации сопротивления. В цепях с низкими частотами данная топология не лучший выбор. Если на плате имеются НЧ и ВЧ часть, то ВЧ следует размещать ближе к земле, а НЧ - ближе к линии питания.
В) гибридное соединение - рекомендуется использовать, если на одной печатной плате имеются разные составляющие: цифровая часть, аналоговая или силовая. Они работают на разных частотах и не должны перемешиваться для большей точности и устойчивости работы устройства.
Пример разделения земель:
В нашем случае (грубо говоря) имеется всего одна часть - цифровая. На плате будут располагаться коннекторы, однако проходящие через них токи незначительны (программатор, UART-вывод для Wi-Fi модуля) и не должны повлиять на работу устройства. Несмотря на то, что тактовая частота микроконтроллера - 24 МГц, вся периферия, с которой он связан, будет работать на частотах значительно меньше 10 МГц (за исключением Wi-Fi модуля, частота которого 2,4 ГГц). Другими словами, в нашем устройстве можно использовать и одноточечное соединение, однако и многоточечная система подойдет. Полигон также рекомендуется помещать под всеми неизлучающими высокочастотными схемами (как наш микроконтроллер, но о нём мы поговорим позже).
Используя полную заливку для полигона земли, стоит убрать медь под Wi-Fi модулем - это позволит избежать экранирования его излучения.
Все изолированные медные участки (англ. dead copper) должны быть удалены, т. к. при ВЧ они начинают излучать и создавать помехи для сигнальных линий. Потенциал на таких участках отличен от земли и нежелателен.
Кроме земли/полигона на плате присутствуют и другие дорожки - сигнальные. По ним может идти тактовый сигнал (например, линия SCK микросхемы MAX7219) или передаваться данные (UART-дорожки RX и TX от Wi-Fi модуля). Их разводка не менее ответственное занятие - нужно знать несколько правил. Во-первых, для минимизации наводок от одного проводника на другой следует выдерживать расстояние между ними.
Для тактовых сигналов, а также аудио- и видеолиний и линии сброса рекомендуется оставлять по сторонам не менее двух ширин дорожки. В особо критических случаях стараются избегать пересечения с дорожками на противоположной стороне платы.
Наверняка вы уже видели печатные платы различных устройств - и подметили, что преимущественно на них отсутствуют прямые углы.
На высоких частотах они будут работать как антенны, поэтому при повороте прибегают к углам в 45 градусов.
Раньше печатные платы рисовали от руки, а значит углы были произвольные (не строго 45 градусов). С точки зрения ЭМС такая разводка лучше, но не позволяет привести плату в более понятный вид. На данный момент все современные САПР преимущественно поддерживают .
Помимо прочего, при повороте в 90 градусов , а значит, в мощных цепях с большими токами это может привести к перегреву и выгоранию участка. В низкочастотных цепях использование Т-образных соединений не возбраняется, на высоких же это будет приводить к проблемам.
С другой стороны, следует избегать острых углов - это плохо с технологической точки зрения. В таких местах образуется «застой» химических реактивов, и при травлении часть проводника просто вытравится.
Кроме всего прочего, ширина проводника должна быть константой, т. к. при ее изменении дорожка начинает вести себя как антенна. Переходные отверстия не рекомендуется располагать на контактной площадке или в непосредственной близости от элемента (без разделения их паяльной маской), т. к. это может привести к перетеканию припоя и, как следствие, вызовет дефекты при сборке. Лучше всего переходные отверстия закрыть паяльной маской.
Элементы, которые соединяются с полигоном, необходимо отделять термобарьером, который позволяет предотвратить неравномерный прогрев площадки при пайке.
Микроконтроллер
Мы рассмотрели основные вопросы по разводке печатной платы, пора перейти к конкретным вещам, в частности, рассмотреть лучшие практики по разводке линий питания и земли микроконтроллера.
Блокировочные конденсаторы необходимо размещать как можно ближе к выводам микроконтроллера таким образом, чтобы они располагались по «ходу» тока. Иначе в них попросту нет смысла.
Для односторонней печати шаблон выглядит следующим образом:
В случае двухсторонней платы конденсаторы удобно располагать под микроконтроллером, однако при большой партии и автоматическом монтаже это вызовет технические сложности. Обычно компоненты стараются располагать на одной стороне.
Кварцевый резонатор, источник тактирования, также следует располагать как можно ближе к ножкам. Односторонняя плата:
Все перемычки между ножками SMD-микросхем должны находиться вне места пайки:
И напоследок, несколько полезных советов.
