SMD komponente. Radioelementi proizvedeni štampanjem.Ugradnja induktora na jednostavne štampane ploče

“Iron-laser” tehnologija za proizvodnju štampanih ploča(ULT) bukvalno za nekoliko godina postao je raširen u radioamaterskim krugovima i omogućava vam da dobijete prilično štampane ploče Visoka kvaliteta. Ručno nacrtane štampane ploče zahtijevaju puno vremena i nisu imune na greške.

Posebni zahtjevi za preciznost uzorka postavljaju se u proizvodnji tiskanih induktora za visokofrekventna kola. Rubovi provodnika zavojnice trebaju biti što glatkiji, jer to utječe na njihov faktor kvalitete. Ručno crtanje spiralne zavojnice s više okreta je vrlo problematično, a ovdje bi ULT mogao reći svoje.

Rice. 1

Rice. 2

Dakle, sve je u redu. Hajdemo kompjuterski program SPRINT-LAYOUT , na primjer verzija 5.0. Postavite u postavkama programa:

Mrežna skala - 1,25 mm;

Širina linije - 0,8 mm;

Dimenzije ploče - 42,5x42,5 mm;

Spoljni prečnik „zakrpe“ je 1,5 mm;

Prečnik rupe u „zakrpu“ je 0,5 mm.

Pronađite centar ploče i nacrtajte šablon provodnika zavojnice (slika 1)duž koordinatne mreže pomoću alata CONDUCTOR, uvijajući zavojnicu u desnu stranu(za šablon koji vam je potreban zrcalnu sliku, ali se može dobiti kasnije, prilikom štampanja). Na početak i kraj zavojnice ugrađujemo "zakrpu" da povežemo zavojnicu s elementima kola.

U postavkama štampe postavljamo broj otisaka na listu, razmak između otisaka i, ako je potrebno „zakrenuti“ kalem u drugom smjeru, zrcalni otisak dizajna. Trebalo bi da štampate na glatkom papiru ili specijalnom filmu, postavljajući postavke štampača na maksimalnu količinu tonera prilikom štampanja.

Zatim slijedimo standardni ULT. Pripremimo foliju od stakloplastike, očistimo površinu folije i odmastimo je, na primjer, acetonom. Šablon s tonerom nanosimo na foliju i peglamo ga vrućom peglom kroz list papira dok toner čvrsto ne prianja na foliju.

Nakon toga potopite papir pod tekuću vodu iz slavine (hladne ili sobne temperature) i pažljivo ga uklonite u „pelete“, ostavljajući toner na foliji ploče. Ploču nagrizamo, a zatim s nje uklonimo toner otapalom, na primjer, acetonom. Na ploči ostaje prozirni provodnik visokokvalitetnog "štampanog" induktora.

Odštampani zavojnici sa spiralnim zavojima koristeći ULT su nešto lošijeg kvaliteta. To je zbog kvadratnog oblika piksela slike, tako da su rubovi spiralnog provodnika namotaja nazubljeni. Istina, ove nepravilnosti su prilično male, a kvaliteta rola, općenito, i dalje je veća nego kod ručnog rada.

Ponovo otvorite program SPRINT-LAYOUT verzija 5.0. U kompletu alata odaberite SPECIJALNI FORM - alat za crtanje poligona i spirala. Odaberite karticu SPIRAL. Instaliraj:

Početni radijus (START RADIUS) -2 mm;

Udaljenost između zavoja (DISTANCE) - 1,5 mm;

Širina provodnika (ŠIRINA TRAKE) -0,8 mm;

Broj okreta (TURNS), na primjer, je 20.

Veličina ploče koju zauzima takav kalem je 65x65 mm (slika 2).

Štampani namotaji se obično spajaju zajedno u propusne filtere (BPF) koristeći male kondenzatore. Međutim, moguće je i njihovo induktivno spajanje, čiji se stepen može mijenjati promjenom razmaka između ravnina zavojnica ili ekscentričnim rotiranjem jedne u odnosu na drugu. Može se postići fiksna montaža kalemova jedan u odnosu na drugi

Izgradite koristeći dielektrične podupirače.

Induktivnost zavojnica se može podesiti kratkim spojem navojaka, lomljenjem štampanog provodnika ili njegovim djelimičnim uklanjanjem. Ovo će povećati frekvenciju podešavanja kruga. Smanjenje frekvencije može se postići lemljenjem SMD kondenzatora malog kapaciteta između zavoja.

Izrada VHF namotaja u obliku meandra, ravnih i krivih linija, češljastih filtera itd. upotreba ULT-a takođe dodaje eleganciju finalnom proizvodu i po pravilu povećava njihov faktor kvaliteta (zbog „glatkih“ ivica štampanih provodnika).Međutim, prilikom proizvodnje treba voditi računa o kvalitetu materijala podloge (fiberglasa), koji sa povećanjem frekvencije gubi izolaciona svojstva.U ekvivalentnim kolima otpor gubitaka u dielektriku treba spojiti paralelno sa štampanim namotajima, a taj otpor će biti manji što je veća radna frekvencija i lošiji kvalitet dielektrika.

U praksi, folijska stakloplastika se može u potpunosti koristiti za proizvodnju štampanih rezonantnih kola do raspona od 2 metra uključujući (do približno 150 MHz). Specijalne visokofrekventne klase fiberglasa mogu se koristiti u opsegu od 70 cm (do približno 470...500 MHz). Na višim frekvencijama treba koristiti RF fluoroplast (teflon), keramiku ili staklo obložen folijom.

Tiskana induktorica ima povećan faktor kvalitete zbog smanjenja međunamotaja, dobivenog, s jedne strane, zbog male debljine folije, as druge strane, koraka "namotaja" zavojnice. Zatvoreni okvir od uzemljene folije oko štampane zavojnice u njenoj ravni služi kao štit od drugih zavojnica i štampanih provodnika, ali ima mali uticaj na parametre zavojnice ako je njegova periferija pod niskim RF naponom (povezan na zajedničku žicu) i njegov centar je pod visokom.

Književnost

1. G. Panasenko. Proizvodnja kolutova za štampu. - Radio, 1987, br. 5, str. 62.

U našem turbulentnom dobu elektronike, glavne prednosti elektronskog proizvoda su mala veličina, pouzdanost, jednostavnost ugradnje i demontaže (oprema za rastavljanje), niska potrošnja energije i zgodna upotrebljivost ( sa engleskog- Jednostavnost upotrebe). Sve ove prednosti nikako nisu moguće bez tehnologije. površinska montaža– SMT tehnologija ( S urface M ount T echnology), i naravno, bez SMD komponenti.

Šta su SMD komponente?

SMD komponente se koriste u apsolutno svakoj modernoj elektronici. SMD ( S urface M montiran D evice), što u prijevodu s engleskog znači „uređaj koji se postavlja na površinu“. U našem slučaju površina je štampana ploča, bez rupa za radio elemente:

U ovom slučaju, SMD komponente se ne ubacuju u rupe na pločama. Zalemljeni su na kontaktne staze, koje se nalaze direktno na površini štampane ploče. Fotografija ispod prikazuje kontaktne pločice u boji kalaja na ploči mobilnog telefona koja je ranije imala SMD komponente.

Prednosti SMD komponenti

Najveća prednost SMD komponenti je njihova mala veličina. Fotografija ispod prikazuje jednostavne otpornike i:

Zahvaljujući malim dimenzijama SMD komponenti, programeri imaju priliku postaviti velika količina komponente po jedinici površine od prostih izlaznih radioelemenata. Posljedično se povećava gustina ugradnje i, kao rezultat, smanjuju se dimenzije elektronskih uređaja. Budući da je težina SMD komponente mnogo puta manja od težine istog jednostavnog izlaznog radio elementa, težina radio opreme će također biti mnogo puta manja.

SMD komponente je mnogo lakše odlemiti. Za ovo nam je potreban fen za kosu. Kako odlemiti i lemiti SMD komponente možete pročitati u članku o tome kako pravilno lemiti SMD-ove. Mnogo ih je teže zapečatiti. U fabrikama ih specijalni roboti postavljaju na štampanu ploču. Niko ih u proizvodnji ne lemi ručno, osim radio amatera i servisera radio opreme.

Višeslojne ploče

Budući da oprema sa SMD komponentama ima vrlo gustu instalaciju, na ploči bi trebalo biti više staza. Ne stanu sve staze na jednu površinu, pa se prave štampane ploče višeslojni. Ako je oprema složena i ima puno SMD komponenti, tada će ploča imati više slojeva. To je kao višeslojna torta napravljena od kratkih slojeva. Odštampane trake koje povezuju SMD komponente nalaze se direktno unutar ploče i ne mogu se vidjeti ni na koji način. Primjer višeslojnih ploča su ploče za mobilne telefone, računare ili laptopove ( matična ploča, video kartica, RAM itd).

Na slici ispod, plava ploča je Iphone 3g, zelena ploča je matična ploča računara.

Svi serviseri radio opreme znaju da ako se višeslojna ploča pregrije, ona će nabubriti s mjehurićem. U tom slučaju dolazi do prekida međuslojnih veza i ploča postaje neupotrebljiva. Stoga je glavni adut pri zamjeni SMD komponenti ispravna temperatura.

Neke ploče koriste obje strane tiskane ploče, a gustina montaže, kao što razumijete, udvostručuje se. Ovo je još jedna prednost SMT tehnologije. O da, također vrijedi uzeti u obzir činjenicu da je materijal potreban za proizvodnju SMD komponenti mnogo manji, a njihova cijena tijekom masovne proizvodnje milijuna komada doslovno košta peni.

Glavne vrste SMD komponenti

Pogledajmo glavne SMD elemente koji se koriste u našoj savremenih uređaja. Otpornici, kondenzatori, induktori niske vrijednosti i druge komponente izgledaju kao obični mali pravokutnici, ili bolje rečeno, paralelepipedi))

Na pločama bez kola, nemoguće je znati da li je otpornik, kondenzator ili čak zavojnica. Kinezi markiraju kako hoće. Na velike SMD elemente i dalje stavljaju šifru ili brojeve kako bi odredili njihov identitet i vrijednost. Na slici ispod ovi elementi su označeni crvenim pravougaonikom. Bez dijagrama je nemoguće reći kojoj vrsti radio elemenata pripadaju, kao ni njihov rejting.

Standardne veličine SMD komponenti mogu biti različite. Ovdje je opis standardnih veličina za otpornike i kondenzatore. Evo, na primjer, žuti pravokutni SMD kondenzator. Nazivaju se i tantal ili jednostavno tantal:

A ovako izgledaju SMD-ovi:

Postoje i ove vrste SMD tranzistora:

Koje imaju visoku denominaciju, u SMD verziji izgledaju ovako:

I naravno, kako da živimo bez mikrokola u našem dobu mikroelektronike! Postoji mnogo SMD tipova paketa čipova, ali ih uglavnom dijelim u dvije grupe:

1) Mikrokrugovi u kojima su pinovi paralelni sa štampanom pločom i nalaze se sa obe strane ili duž perimetra.

2) Mikrokrugovi u kojima se pinovi nalaze ispod samog mikrokola. Ovo je posebna klasa mikrokola nazvana BGA (od engleskog Niz kuglične mreže- niz loptica). Terminali takvih mikro krugova su jednostavne kuglice za lemljenje iste veličine.

Fotografija ispod prikazuje BGA čip i njegovu poleđinu, koja se sastoji od kugličnih igala.

BGA čipovi su pogodni za proizvođače jer uvelike štede prostor na štampanoj ploči, jer ispod svakog BGA čipa može biti na hiljade takvih kuglica. Ovo znatno olakšava život proizvođačima, ali ne olakšava život serviserima.

Sažetak

Šta biste trebali koristiti u svojim dizajnima? Ako vam se ruke ne tresu i želite da napravite malu radio grešku, onda je izbor očigledan. Ali ipak, u dizajnu radija amatera, dimenzije ne igraju veliku ulogu, a lemljenje masivnih radio elemenata je mnogo lakše i praktičnije. Neki radio-amateri koriste i jedno i drugo. Svakim danom se razvija sve više novih mikro krugova i SMD komponenti. Manji, tanji, pouzdaniji. Budućnost definitivno pripada mikroelektronici.

Namjera ovog članka je raspraviti uobičajene greške dizajnera PCB-a, opisati utjecaj ovih grešaka na kvalitetne performanse i dati preporuke za rješavanje problema koji se pojavljuju.

OPĆA RAZMATRANJA

Zbog značajnih razlika između analognog i digitalnog sklopa, analogni dio kola mora biti odvojen od ostatka, a pri ožičenju se moraju poštovati posebne metode i pravila. Efekti koji proizlaze iz neidealnih karakteristika štampanih ploča postaju posebno uočljivi u visokofrekventnim analognim kolima, ali greške opšti pogled, opisan u ovom članku, može uticati na karakteristike kvaliteta uređaja koji rade čak iu opsegu audio frekvencija.

Štampana ploča - komponenta kola

Samo u rijetkim slučajevima PCB analognog kola može se usmjeriti tako da utjecaji koje unosi nemaju nikakav utjecaj na rad kola. U isto vrijeme, svaki takav utjecaj može se minimizirati tako da karakteristike analognog kola uređaja budu iste kao kod modela i prototipa.

Layout

Programeri digitalnih kola mogu ispraviti male greške na proizvedenoj ploči dodavanjem kratkospojnika ili, obrnuto, uklanjanjem nepotrebnih vodiča, unošenjem promjena u rad programabilnih čipova, itd., Prelazeći vrlo brzo na sljedeći razvoj. Ovo nije slučaj za analogno kolo. Neke od uobičajenih grešaka o kojima se govori u ovom članku ne mogu se ispraviti dodavanjem kratkospojnika ili uklanjanjem viška vodiča. Oni mogu i hoće da učine celu štampanu ploču nefunkcionalnom.

Za dizajnera digitalnih kola koji koristi takve metode korekcije vrlo je važno da pročita i razumije materijal predstavljen u ovom članku mnogo prije podnošenja dizajna u proizvodnju. Malo pažnje dizajna i diskusija o mogućim opcijama ne samo da će spriječiti da PCB postane otpad, već će i smanjiti cijenu velikih grešaka u malom analognom dijelu kola. Pronalaženje grešaka i njihovo popravljanje može rezultirati stotinama izgubljenih sati. Izrada prototipa može smanjiti ovo vrijeme na jedan dan ili manje. Izrada svih vaših analognih kola.

Izvori buke i smetnji

Šum i smetnje su glavni elementi koji ograničavaju kvalitet kola. Smetnje mogu biti emitirane od izvora ili inducirane na elementima kola. Analogna kola se često nalaze na štampanoj ploči zajedno sa digitalnim komponentama velike brzine, uključujući procesore digitalnih signala (DSP).

Logički signali visoke frekvencije stvaraju značajne radiofrekventne smetnje (RFI). Broj izvora emisije buke je ogroman: ključna napajanja digitalni sistemi, Mobiteli, radio i TV, napajanje za lampe dnevno svjetlo, personalni računari, pražnjenja groma itd. Čak i ako analogno kolo radi u opsegu audio frekvencija, smetnje radio frekvencije mogu stvoriti primjetan šum u izlaznom signalu.

KATEGORIJE ŠTAMPANIH TABLA

Izbor dizajna PCB-a je važan faktor u određivanju mehaničkih performansi cjelokupnog uređaja. Za proizvodnju štampanih ploča koriste se materijali različitog kvaliteta. Za programera će biti najprikladnije i najpogodnije ako se proizvođač PCB-a nalazi u blizini. U ovom slučaju, lako je kontrolirati otpornost i dielektričnu konstantu - glavne parametre materijala tiskane ploče. Nažalost, to nije dovoljno i često je potrebno poznavanje drugih parametara kao što su zapaljivost, visokotemperaturna stabilnost i koeficijent higroskopnosti. Ove parametre može znati samo proizvođač komponenti koje se koriste u proizvodnji štampanih ploča.

Slojeviti materijali su označeni indeksima FR (otporan na plamen) i G. Materijal sa indeksom FR-1 ima najveću zapaljivost, a FR-5 najmanju. Materijali sa indeksima G10 i G11 imaju posebne karakteristike. Materijali štampanih ploča dati su u tabeli. 1.

Nemojte koristiti PCB kategorije FR-1. Postoji mnogo primjera FR-1 PCB-a koji su pretrpjeli termičko oštećenje od komponenti velike snage. Štampane ploče u ovoj kategoriji su sličnije kartonu.

FR-4 se često koristi u proizvodnji industrijske opreme, dok se FR-2 koristi u proizvodnji kućanskih aparata. Ove dvije kategorije su standardizirane u industriji, a FR-2 i FR-4 PCB-i su često prikladni za većinu aplikacija. Ali ponekad nesavršene karakteristike ovih kategorija prisiljavaju upotrebu drugih materijala. Na primjer, za primjene vrlo visokih frekvencija, fluoroplastika, pa čak i keramika, koriste se kao materijali za tiskane ploče. Međutim, što je PCB materijal egzotičniji, cijena može biti viša.

Prilikom odabira PCB materijala obratite posebnu pažnju na njegovu higroskopnost, jer ovaj parametar može imati snažan negativan utjecaj na željene karakteristike ploče - površinsku otpornost, curenje, visokonaponska izolacijska svojstva (lom i varničenje) i mehaničku čvrstoću. Takođe obratite pažnju na Radna temperatura. Vruće tačke se mogu pojaviti na neočekivanim mjestima, kao što su u blizini velikih digitalnih integriranih kola koja se prebacuju na visokim frekvencijama. Ako se takve oblasti nalaze direktno ispod analognih komponenti, povišene temperature mogu uticati na performanse analognog kola.

Tabela 1

	Komponente, komentari
	papir, fenolni sastav: prešanje i štancanje na sobnoj temperaturi, visok koeficijent higroskopnosti
	papir, fenolni sastav: primjenjiv za jednostrane tiskane ploče kućanskih aparata, nizak koeficijent higroskopnosti
	papir, epoksidni sastav: dizajn sa dobrim mehaničkim i električnim svojstvima
	fiberglas, epoksidni sastav: odlična mehanička i električna svojstva
	fiberglas, epoksidni sastav: visoka čvrstoća na povišenim temperaturama, nezapaljiv
	fiberglas, epoksidni sastav: visoka izolacijska svojstva, najveća čvrstoća stakloplastike, nizak koeficijent higroskopnosti
	fiberglas, epoksidni sastav: visoka čvrstoća na savijanje na povišenim temperaturama, visoka otpornost na rastvarače

Kada je PCB materijal odabran, potrebno je odrediti debljinu PCB folije. Ovaj parametar se prvenstveno bira na osnovu maksimalne vrijednosti struje koja teče. Ako je moguće, pokušajte izbjeći korištenje vrlo tanke folije.

BROJ ŠTAMPANIH SLOJEVA PLOČE

U zavisnosti od ukupne složenosti kola i zahtjeva za kvalitetom, projektant mora odrediti broj slojeva PCB-a.

Jednoslojni PCB

Vrlo jednostavna elektronska kola izrađuju se na jednostranim pločama koristeći jeftine folijske materijale (FR-1 ili FR-2) i često imaju mnogo kratkospojnika, nalik na dvostrane ploče. Ova metoda izrade štampanih ploča preporučuje se samo za niskofrekventna kola. Iz razloga koji će biti opisani u nastavku, jednostrane štampane ploče su vrlo osjetljive na smetnje. Dobar jednostrani PCB je prilično teško dizajnirati iz više razloga. Ipak dobre table Ova vrsta se javlja, ali njihov razvoj zahtijeva puno razmišljanja unaprijed.

Dvoslojni PCB

Na sledećem nivou su dvostrane štampane ploče, koje u većini slučajeva koriste FR-4 kao materijal podloge, mada se ponekad nalazi i FR-2. Upotreba FR-4 je poželjnija, jer u štampane ploče Ovaj materijal čini rupe više najbolji kvalitet. Krugove na obostranim štampanim pločama je mnogo lakše ožičiti jer U dva sloja je lakše rutirati rute koje se ukrštaju. Međutim, za analogna kola, ukrštanje tragova se ne preporučuje. Gdje je moguće, donji sloj (donji) treba dodijeliti prizemnom poligonu, a preostale signale treba usmjeriti na gornji sloj (gore). Korištenje deponije kao zemljanog autobusa pruža nekoliko prednosti:

obična žica je najčešće spojena žica u kolu; stoga je razumno imati "puno" uobičajenih žica kako bi se pojednostavilo ožičenje.
mehanička čvrstoća ploče se povećava.
smanjuje se otpor svih priključaka na zajedničku žicu, što zauzvrat smanjuje buku i smetnje.
Distribuirani kapacitet za svaki krug kola se povećava, pomažući u suzbijanju zračenja buke.
poligon, koji je ekran, potiskuje smetnje koje emituju izvori koji se nalaze sa strane poligona.

Dvostrani PCB-i, unatoč svim svojim prednostima, nisu najbolji, posebno za kola slabog signala ili velike brzine. Generalno, debljina štampane ploče, tj. razmak između slojeva metalizacije je 1,5 mm, što je previše da bi se u potpunosti realizovale neke od prednosti dvoslojne štampane ploče date gore. Distribuirani kapacitet je, na primjer, premali zbog tako velikog intervala.

Višeslojni PCB

Za kritični dizajn kola, potrebne su višeslojne štampane ploče (MPB). Neki razlozi za njihovu upotrebu su očigledni:

Distribucija električnih sabirnica je jednako zgodna kao i za obične sabirnice; ako se poligoni na zasebnom sloju koriste kao sabirnice napajanja, tada je prilično jednostavno napajati svaki element kruga pomoću vias;
signalni slojevi su oslobođeni sabirnica napajanja, što olakšava ožičenje signalnih provodnika;
Distribuirani kapacitet se pojavljuje između tla i poligona snage, što smanjuje visokofrekventnu buku.

Osim ovih razloga za korištenje višeslojnih tiskanih ploča, postoje i drugi, manje očigledni:

bolje suzbijanje elektromagnetnih (EMI) i radio frekvencijskih (RFI) smetnji zahvaljujući efektu refleksije (efekat ravni slike), poznatom još iz Marconijevog vremena. Kada je provodnik postavljen blizu ravne provodne površine, većina povratnih struja visoke frekvencije će teći duž ravni direktno ispod vodiča. Smjer ovih struja bit će suprotan smjeru struja u provodniku. Dakle, refleksija provodnika u ravnini stvara liniju za prijenos signala. Budući da su struje u provodniku i u ravni jednake po veličini i suprotne po smjeru, stvara se određeno smanjenje zračenja interferencije. Efekat refleksije efikasno funkcioniše samo sa neprekinutim čvrstim poligonima (to mogu biti i prizemni poligoni i poligoni snage). Svaki gubitak integriteta će rezultirati smanjenim potiskivanjem smetnji.
smanjenje ukupnih troškova za malu proizvodnju. Iako su višeslojni PCB-i skuplji za proizvodnju, njihovo potencijalno zračenje je niže nego kod jednoslojnih i dvoslojnih PCB-a. Stoga, u nekim slučajevima, korištenje samo višeslojnih ploča će vam omogućiti da ispunite zahtjeve za emisiju postavljene tokom dizajna, bez dodatnog testiranja i testiranja. Upotreba MPP-a može smanjiti nivo zračenja za 20 dB u poređenju sa dvoslojnim pločama.

Redoslijed slojeva

Neiskusni dizajneri često imaju neku zabunu oko optimalnog redosleda PCB slojeva. Uzmimo za primjer 4-slojnu komoru koja sadrži dva signalna sloja i dva poligona sloja - sloj zemlje i sloj energije. Koji je najbolji redoslijed slojeva? Signalni slojevi između poligona koji će služiti kao ekrani? Ili bismo trebali učiniti poligonske slojeve internim da bismo smanjili interferenciju signalnih slojeva?

Kada se bavimo ovim problemom, važno je zapamtiti da često lokacija slojeva nije bitna, jer se komponente ionako nalaze na vanjskim slojevima, a magistrale koje dovode signale do svojih pinova ponekad prolaze kroz sve slojeve. Stoga su svi efekti na ekranu samo kompromis. U ovom slučaju, bolje je voditi računa o stvaranju velikog distribuiranog kapaciteta između poligona snage i tla, postavljajući ih u unutrašnje slojeve.

Još jedna prednost postavljanja signalnih slojeva spolja je dostupnost signala za testiranje, kao i mogućnost modifikacije veza. Svako ko je ikada promijenio veze provodnika koji se nalaze u unutrašnjim slojevima cijenit će ovu priliku.

Za PCB sa više od četiri sloja, opšte pravilo je da se provodnici signala velike brzine postavljaju između uzemljenja i poligona napajanja, i da se niskofrekventni signalni provodnici usmeravaju u vanjske slojeve.

GROUNDING

Dobro uzemljenje je opšti uslov za bogat sistem na više nivoa. I to treba planirati od prvog koraka razvoja dizajna.

Osnovno pravilo: podjela zemljišta.

Podjela zemlje na analogne i digitalne dijelove jedna je od najjednostavnijih i najjednostavnijih efikasne metode suzbijanje buke. Jedan ili više slojeva višeslojne štampane ploče obično su posvećeni sloju uzemljenih poligona. Ako programer nije previše iskusan ili nepažljiv, tada će tlo analognog dijela biti direktno povezano sa ovim poligonima, tj. analogni povrat struje će koristiti isti krug kao i digitalni povratni struj. Auto-distributeri rade na skoro isti način i ujedinjuju sve zemlje zajedno.

Ako je prethodno razvijena štampana ploča sa jednim poligonom uzemljenja koji kombinuje analogno i digitalno uzemljenje podložna obradi, tada je potrebno prvo fizički odvojiti uzemljenje na ploči (nakon ove operacije rad ploče postaje gotovo nemoguć). Nakon toga se vrše sve veze na analogno uzemljenje komponenti analognog kola (formira se analogno uzemljenje) i na digitalno uzemljenje komponenti digitalnog kola (formira se digitalno uzemljenje). I tek nakon toga, digitalno i analogno uzemljenje se kombiniraju na izvoru.

Ostala pravila za formiranje zemljišta:

Električna i zemaljska sabirnica moraju imati isti potencijal naizmjenična struja, što podrazumijeva korištenje razdvojenih kondenzatora i distribuiranog kapaciteta.
Izbjegavajte preklapanje analognih i digitalnih poligona. Postavite analogne šine za napajanje i poligone iznad analognog uzemljenog poligona (slično digitalnim šinama za napajanje). Ako postoji preklapanje između analognih i digitalnih područja na bilo kojoj lokaciji, distribuirani kapacitet između područja koja se preklapaju stvorit će AC spojnicu, a šum digitalnih komponenti će se prenijeti u analogno kolo. Takva preklapanja poništavaju izolaciju deponija.
Odvajanje ne znači električno izolovanje analognog uzemljenja od digitalnog. Moraju biti povezani zajedno u neki, po mogućnosti jedan čvor niske impedancije. Ispravan sistem uzemljenja ima samo jedno uzemljenje, a to je pin za uzemljenje za sisteme napajane naizmeničnom strujom ili zajednički pin za uzemljenje za sisteme napajane naizmeničnom strujom. DC napon(na primjer, baterija). Svi signalni i strujni signali u ovom kolu moraju se vratiti na ovu masu u jednoj tački, koja će služiti kao uzemljenje sistema. Takva tačka može biti terminal tijela uređaja. Važno je razumjeti da se pri povezivanju zajedničkog terminala kruga na nekoliko točaka na šasiji mogu formirati petlje uzemljenja. Stvaranje jedinstvene zajedničke tačke komasacije je jedan od najtežih aspekata projektovanja sistema.
Kad god je moguće, odvojene pinove konektora namijenjene za nošenje povratnih struja—povratne struje treba kombinovati samo na tački uzemljenja sistema. Starenje kontakata konektora, kao i često odvajanje njihovih spojnih dijelova, dovodi do povećanja otpora kontakta, stoga je za pouzdaniji rad potrebno koristiti konektore s određenim brojem dodatnih pinova. Složene digitalne štampane ploče imaju mnogo slojeva i sadrže stotine ili hiljade provodnika. Dodavanje drugog vodiča rijetko stvara problem, ali dodavanje dodatnih pinova konektora stvara. Ako se to ne može učiniti, potrebno je napraviti dva vodiča povratne struje za svaki put napajanja na ploči, poduzimajući posebne mjere opreza.
Važno je odvojiti gume digitalni signali sa mesta na štampanoj ploči gde se nalaze analogne komponente kola. Ovo uključuje izolaciju (zaštitu) poligonima, stvaranje kratkih putanja analognog signala i pažljivo postavljanje pasivnih komponenti sa susjednim brzim digitalnim i kritičnim analognim signalnim magistralama. Digitalne signalne linije treba da se usmeravaju oko područja sa analognim komponentama i da se ne preklapaju sa analognim uzemljenim i analognim energetskim sabirnicama i područjima. Ako se to ne učini, tada će dizajn sadržavati novi neželjeni element - antenu, čije će zračenje utjecati na analogne komponente i vodiče visoke impedancije.

Gotovo svi taktni signali su signali dovoljno visoke frekvencije da čak i mali kapaciteti između tragova i poligona mogu stvoriti značajne sprege. Mora se imati na umu da nije samo osnovna frekvencija sata ta koja može uzrokovati problem, već i njeni viši harmonici.

Postoji samo jedan slučaj kada je potrebno kombinovati analogne i digitalne signale preko analognog zemaljskog područja. Analogno-digitalni i digitalno-analogni pretvarači su smješteni u kućištima s analognim i digitalnim uzemljenim pinama. Uzimajući u obzir prethodnu diskusiju, može se pretpostaviti da digitalni pin uzemljenja i analogni pin uzemljenja treba da budu povezani na digitalnu i analognu sabirnicu uzemljenja, respektivno. Međutim, u ovom slučaju to nije tačno.

Nazivi pinova (analogni ili digitalni) odnose se samo na unutrašnju strukturu pretvarača, na njegove unutrašnje veze. U kolu, ovi pinovi moraju biti povezani na analognu sabirnicu uzemljenja. Veza se može izvesti i unutar integriranog kola, ali postizanje niskog otpora takve veze je prilično teško zbog topoloških ograničenja. Stoga, kada se koriste pretvarači, pretpostavlja se da su analogni i digitalni kontakti uzemljenja povezani eksterno. Ako se to ne učini, tada će parametri mikrokola biti znatno gori od onih navedenih u specifikaciji.

Mora se uzeti u obzir da digitalni elementi pretvarača mogu degradirati kvalitetne karakteristike kola unošenjem digitalnog šuma u analogna uzemljiva i analogna strujna kola. Prilikom projektovanja pretvarača ovaj negativan uticaj se uzima u obzir kako bi digitalni deo trošio što manje energije. U isto vrijeme, smetnje od prebacivanja logičkih elemenata se smanjuju. Ako digitalni pinovi pretvarača nisu jako opterećeni, tada unutarnje prebacivanje obično ne uzrokuje posebne probleme. Prilikom projektovanja PCB-a koji sadrži ADC ili DAC, mora se pažljivo razmotriti razdvajanje digitalnog napajanja pretvarača na analogno uzemljenje.

FREKVENCIJSKE KARAKTERISTIKE PASIVNIH KOMPONENTI

Za pravilan rad analogna kola su veoma važna pravi izbor pasivne komponente. Započnite svoj dizajn tako što ćete pažljivo razmotriti visokofrekventne karakteristike pasivnih komponenti i preliminarnog postavljanja i rasporeda na skici ploče.

Veliki broj dizajnera potpuno zanemaruje frekventna ograničenja pasivnih komponenti kada se koriste u analognim kolima. Ove komponente imaju ograničene frekvencijske opsege i njihovo korištenje izvan specificiranog frekvencijskog opsega može dovesti do nepredvidivih rezultata. Neki mogu pomisliti da se ova rasprava tiče samo analognih kola velike brzine. Međutim, ovo je daleko od istine - visokofrekventni signali imaju snažan utjecaj na pasivne komponente niskofrekventnih kola kroz zračenje ili direktnu komunikaciju kroz vodiče. Na primjer, jednostavan niskopropusni filter na op-amp može lako postati visokopropusni filter kada je izložen visokoj frekvenciji na svom ulazu.

Otpornici

Postoje tri tipa otpornika koji se obično koriste: 1) žičani, 2) karbonski kompozitni i 3) filmski. Nije potrebno mnogo mašte da bi se shvatilo kako se žičani otpornik može pretvoriti u induktivitet, budući da je to zavojnica žice napravljena od metala visokog otpora. Većina programera elektronskih uređaja nema pojma o unutrašnjoj strukturi filmskih otpornika, koji su također zavojnica, iako napravljena od metalne folije. Stoga filmski otpornici također imaju induktivnost koja je manja od induktivnosti žičanih otpornika. Filmski otpornici s otporom ne većim od 2 kOhm mogu se slobodno koristiti u visokofrekventnim krugovima. Priključci otpornika su paralelni jedan s drugim, tako da je između njih primjetna kapacitivna sprega. Za otpornike visoke vrijednosti, kapacitivnost između terminala i terminala će smanjiti ukupnu impedanciju na visokim frekvencijama.

Kondenzatori

Visokofrekventne karakteristike kondenzatora mogu se predstaviti ekvivalentnim krugom prikazanim na slici 6.

Kondenzatori u analognim kolima se koriste kao komponente za razdvajanje i filtriranje.

Elektrolitički kondenzator od 10 µF ima otpor od 1,6 oma na 10 kHz i 160 µoma na 100 MHz. je li tako?

Kada koristite elektrolitičke kondenzatore, morate biti oprezni ispravnu vezu. Pozitivni terminal mora biti spojen na pozitivniji konstantni potencijal. Neispravna veza uzrokuje da jednosmjerna struja teče kroz elektrolitički kondenzator, što može oštetiti ne samo sam kondenzator, već i dio kola.

U rijetkim slučajevima, DC razlika potencijala između dvije tačke u kolu može promijeniti svoj predznak. To zahtijeva upotrebu nepolarnih elektrolitskih kondenzatora, čija je unutrašnja struktura ekvivalentna dva polarna kondenzatora spojena u seriju.

Induktivnost

Štampana ploča

Sama štampana ploča ima karakteristike pasivnih komponenti o kojima smo gore govorili, iako ne tako očigledne.

Uzorak provodnika na štampanoj ploči može biti i izvor i prijemnik smetnji. Dobro ožičenje smanjuje osjetljivost analognog kola na izvore zračenja.

Štampana ploča je podložna zračenju jer provodnici i vodovi komponenti čine neku vrstu antene. Teorija antena je prilično složena tema za proučavanje i nije obrađena u ovom članku. Međutim, ovdje su navedene neke osnove.

Malo teorije antene

On DC ili niske frekvencije aktivna komponenta prevladava. Kako frekvencija raste, reaktivna komponenta postaje sve značajnija. U rasponu od 1 kHz do 10 kHz, induktivna komponenta počinje djelovati i provodnik više nije konektor niske impedancije, već djeluje kao induktor.

Tipično, tragovi na štampanoj ploči imaju vrijednosti od 6 nH do 12 nH po centimetru dužine. Na primjer, provodnik od 10 cm ima otpor od 57 mOhm i induktivnost od 8 nH po cm. Na frekvenciji od 100 kHz, reaktancija postaje 50 mOhm, a na višim frekvencijama provodnik će biti induktivni, a ne otporni. .

Pravilo za bičastu antenu je da počinje primjetno da stupa u interakciju s poljem na oko 1/20 valne dužine, a maksimalna interakcija se javlja na dužini štapa od 1/4 valne dužine. Stoga će provodnik od 10 cm iz primjera u prethodnom pasusu početi da postaje prilično dobra antena na frekvencijama iznad 150 MHz. Mora se imati na umu da iako generator frekvencija sata Digitalno kolo možda neće raditi na frekvencijama iznad 150 MHz; njegov signal uvijek sadrži više harmonike. Ako štampana ploča sadrži komponente sa iglicama znatne dužine, onda takve igle mogu poslužiti i kao antene.

Drugi glavni tip antene je okvirna antena. Induktivnost pravog vodiča se jako povećava kada se savije i postane dio luka. Povećanje induktivnosti smanjuje frekvenciju na kojoj antena počinje da stupa u interakciju sa linijama polja.

Teorija refleksije i usklađivanja signala bliska je teoriji antena.

Kada se PCB provodnik zakrene za ugao od 90°, može doći do refleksije signala. To je uglavnom zbog promjena u širini tekućeg puta. Na vrhu ugla širina traga se povećava za 1.414 puta, što dovodi do neusklađenosti karakteristika dalekovoda, posebno distribuiranog kapaciteta i vlastite induktivnosti traga. Često je potrebno rotirati trag na štampanoj ploči za 90°. Mnogi moderni CAD paketi vam omogućavaju da izgladite uglove nacrtanih ruta ili nacrtate rute u obliku luka. Slika 9 prikazuje dva koraka za poboljšanje oblika ugla. Samo posljednji primjer održava konstantnu širinu putanje i minimizira refleksije.

Savjet za iskusne dizajnere PCB-a: ostavite proces zaglađivanja za posljednju fazu rada prije nego kreirate igle u obliku suze i popunite poligone. U suprotnom, CAD paketu će biti potrebno više vremena da se izgladi zbog složenijih proračuna.

Kapacitivno spajanje nastaje između PCB provodnika na različitim slojevima kada se ukrštaju. Ponekad ovo može stvoriti problem. Provodnici postavljeni jedan iznad drugog na susjednim slojevima stvaraju kondenzator dugog filma.

Na primjer, štampana ploča može imati sljedeće parametre:
- 4 sloja; signalni i zemaljski poligonalni slojevi su susjedni,
- međuslojni razmak - 0,2 mm,
- širina provodnika - 0,75 mm,
- dužina provodnika - 7,5 mm.

Tipična ER dielektrična konstanta za FR-4 je 4,5.

Vrijednost kapacitivnosti između ove dvije magistrale je 1,1 pF. Čak i tako naizgled mali kapacitet je neprihvatljiv za neke aplikacije.

Amplituda izlaznog signala se udvostručuje na frekvencijama blizu gornje granice frekvencijskog opsega op-pojačala. To, pak, može dovesti do oscilacija, posebno na radnim frekvencijama antene (iznad 180 MHz).

Ovaj efekat dovodi do brojnih problema, za koje, međutim, postoji mnogo načina za njihovo rješavanje. Najočigledniji od njih je smanjenje dužine provodnika. Drugi način je smanjenje njihove širine. Nema razloga da se koristi provodnik ove širine za povezivanje signala na invertujući ulaz, jer Kroz ovaj provodnik teče vrlo mala struja. Smanjenje dužine traga na 2,5 mm i širine na 0,2 mm dovest će do smanjenja kapacitivnosti na 0,1 pF, a takav kapacitet više neće dovesti do tako značajnog povećanja frekvencijskog odziva. Drugo rješenje je uklanjanje dijela poligona ispod invertnog ulaza i provodnika koji ide do njega.

Širina provodnika PCB-a ne može se beskonačno smanjivati. Granična širina je definirana kao tehnološki proces, i debljina folije. Ako dva vodiča prolaze blizu jedan drugom, između njih se formira kapacitivna i induktivna sprega.

Signalni provodnici ne bi trebali biti paralelni jedan s drugim, osim u slučaju diferencijalnih ili mikrotrakastih vodova. Razmak između provodnika treba da bude najmanje tri puta veći od širine provodnika.

Kapacitet između tragova u analognim kolima može stvoriti probleme s velikim vrijednostima otpornika (nekoliko megoma). Relativno velika kapacitivna sprega između invertirajućih i neinvertirajućih ulaza op-pojačala može lako uzrokovati osciliranje kola.

Na primjer, sa d=0,4 mm i h=1,5 mm (prilično uobičajene vrijednosti), induktivnost rupe je 1,1 nH.

Zapamtite da ako u krugu postoje veliki otpori, posebnu pažnju treba posvetiti čišćenju ploče. Tokom završnih operacija proizvodnje štampane ploče, svi preostali fluks i zagađivači moraju biti uklonjeni. IN U poslednje vreme Prilikom ugradnje štampanih ploča često se koriste vodotopivi tokovi. Pošto su manje štetni, lako se uklanjaju vodom. Ali u isto vrijeme, pranje ploče nedovoljno čistom vodom može dovesti do dodatne kontaminacije koja pogoršava dielektrične karakteristike. Stoga je vrlo važno čistiti ploču s visokom impedancijom svježom destilovanom vodom.

SIGNALNA IZOLACIJA

Kao što je već napomenuto, smetnje mogu prodrijeti u analogni dio kola kroz strujne krugove. Da bi se smanjile takve smetnje, koriste se kondenzatori za razdvajanje (blokiranje) za smanjenje lokalne impedancije energetskih sabirnica.

Ako trebate postaviti tiskanu ploču koja ima i analogne i digitalne dijelove, onda morate imati barem malo razumijevanje električne karakteristike logičkih elemenata.

Tipičan izlazni stupanj logičkog elementa sadrži dva tranzistora povezana u seriju jedan s drugim, kao i između strujnih i uzemljenih krugova.

Ovi tranzistori idealno rade striktno u antifazi, tj. kada je jedan od njih otvoren, tada se u istom trenutku zatvara drugi, generirajući ili logičku jedinicu ili logičku nulu na izlazu. U stabilnom logičkom stanju, potrošnja energije logičkog elementa je mala.

Situacija se dramatično mijenja kada se izlazni stupanj prebaci iz jednog logičkog stanja u drugo. U tom slučaju u kratkom vremenskom periodu oba tranzistora mogu biti otvorena istovremeno, a struja napajanja izlaznog stepena se jako povećava, jer otpor strujnog puta od sabirnice napajanja do sabirnice uzemljenja kroz dva serijski spojena tranzistora smanjuje se. Potrošnja energije se naglo povećava, a zatim i smanjuje, što dovodi do lokalne promjene napona napajanja i pojave nagle, kratkotrajne promjene struje. Ove promjene struje rezultiraju emisijom energije radio frekvencije. Čak i na relativno jednostavnoj štampanoj ploči može postojati desetine ili stotine razmatranih izlaznih stupnjeva logičkih elemenata, tako da ukupan učinak njihovog istovremenog rada može biti vrlo velik.

Nemoguće je precizno predvidjeti frekventni opseg u kojem će se ti strujni udari pojaviti, jer frekvencija njihovog pojavljivanja ovisi o mnogim faktorima, uključujući kašnjenje propagacije komutacijskih tranzistora logičkog elementa. Kašnjenje, pak, također ovisi o mnogim slučajnim razlozima koji se javljaju tokom procesa proizvodnje. Šum preklapanja ima širokopojasnu distribuciju harmonijskih komponenti u cijelom opsegu. Postoji nekoliko metoda za suzbijanje digitalnog šuma, čija primjena ovisi o spektralnoj distribuciji šuma.

Tabela 2 prikazuje maksimalne radne frekvencije za uobičajene tipove kondenzatora.

tabela 2

Iz tabele je vidljivo da se tantalski elektrolitski kondenzatori koriste za frekvencije ispod 1 MHz, a na višim frekvencijama treba koristiti keramičke kondenzatore. Mora se imati na umu da kondenzatori imaju vlastitu rezonancu i njihov pogrešan izbor ne samo da ne može pomoći, već i pogoršati problem. Slika 15 prikazuje tipične samorezonancije dva uobičajena kondenzatora - 10 μF tantal elektrolitičkog i 0,01 μF keramičkog.

Stvarne specifikacije mogu varirati između različitih proizvođača, pa čak i od serije do serije unutar istog proizvođača. Važno je to shvatiti za efikasan rad kondenzator, frekvencije koje potiskuje moraju biti u nižem opsegu od frekvencije njegove vlastite rezonancije. U suprotnom, priroda reaktancije će biti induktivna, a kondenzator više neće raditi efikasno.

Nemojte se varati da će jedan kondenzator od 0,1 µF potisnuti sve frekvencije. Mali kondenzatori (10 nF ili manje) mogu raditi efikasnije na višim frekvencijama.

IC odvajanje snage

Razdvajanje napajanja integriranih kola za suzbijanje visokofrekventne buke sastoji se od korištenja jednog ili više kondenzatora povezanih između pinova napajanja i uzemljenja. Važno je da su provodnici koji povezuju vodove sa kondenzatorima kratki. Ako to nije slučaj, tada će samoinduktivnost vodiča igrati značajnu ulogu i negirati prednosti korištenja kondenzatora za razdvajanje.

Kondenzator za razdvajanje mora biti povezan na svaki paket čipova, bez obzira na to koliko ih ima operacionih pojačivača nalazi se unutar kućišta - 1, 2 ili 4. Ako je op-pojačalo napajano bipolarno napajanje, onda je samo po sebi razumljivo da kondenzatori za razdvajanje moraju biti locirani na svakom pinu napajanja. Vrijednost kapacitivnosti mora biti pažljivo odabrana ovisno o vrsti šuma i smetnji prisutnih u kolu.

U posebno teškim slučajevima može biti potrebno dodati induktivitet povezanu serijski sa izlaznom snagom. Induktivnost treba biti locirana prije, a ne poslije kondenzatora.

Drugi, jeftiniji način je zamjena induktivnosti otpornikom niskog otpora (10...100 Ohma). U ovom slučaju, zajedno sa kondenzatorom za razdvajanje, otpornik čini niskopropusni filter. Ova metoda smanjuje opseg napajanja op-ampa, koji također postaje više ovisan o potrošnji energije.

Tipično, za suzbijanje niskofrekventne buke u strujnim krugovima, dovoljno je koristiti jedan ili više aluminijskih ili tantalskih elektrolitičkih kondenzatora na ulaznom konektoru napajanja. Dodatni keramički kondenzator će potisnuti visokofrekventne smetnje od drugih ploča.

IZOLACIJA ULAZNIH I IZLAZNIH SIGNALA

Mnogi problemi sa šumom su rezultat direktnog povezivanja ulaznih i izlaznih pinova. Kao rezultat visokofrekventnih ograničenja pasivnih komponenti, odgovor kola kada je izložen visokofrekventnom šumu može biti prilično nepredvidljiv.

U situaciji kada se frekvencijski opseg induciranog šuma značajno razlikuje od frekvencijskog opsega kola, rješenje je jednostavno i očigledno - postavljanje pasivnog RC filtera za suzbijanje visokofrekventnih smetnji. Međutim, kada koristite pasivni filter, morate biti oprezni: njegove karakteristike (zbog neidealnih frekvencijskih karakteristika pasivnih komponenti) gube svoja svojstva na frekvencijama 100...1000 puta većim od granične frekvencije (f3db). Kada se koriste serijski povezani filteri podešeni na različite frekventne opsege, filter više frekvencije bi trebao biti najbliži izvoru smetnji. Induktori s feritnim prstenom se također mogu koristiti za suzbijanje buke; oni zadržavaju induktivnu prirodu otpora do određene frekvencije, a iznad njihov otpor postaje aktivan.

Smetnje na analognom kolu mogu biti toliko velike da ih je nemoguće riješiti (ili, prema najmanje, smanjiti) od njih je moguće samo korištenjem ekrana. Da bi efikasno radili, moraju biti pažljivo dizajnirani tako da frekvencije koje izazivaju najviše problema ne mogu ući u kolo. To znači da ekran ne bi trebao imati rupe ili izreze veće od 1/20 valne dužine zračenja koje se ekranizira. Dobra je ideja izdvojiti dovoljno prostora za predloženi štit od samog početka dizajna PCB-a. Kada koristite štit, opciono možete koristiti feritne prstenove (ili perle) za sve priključke na strujno kolo.

KUĆIŠTA ZA OPERATIVNO POJAČALO

Jedno, dva ili četiri operaciona pojačala obično se stavljaju u jedan paket.

Jedno operacijsko pojačalo često ima i dodatne ulaze, na primjer za podešavanje offset napona. Dvostruka i četverostruka operacijska pojačala imaju samo invertirajuće i neinvertirajuće ulaze i izlaze. Stoga, ako je potrebno izvršiti dodatna podešavanja, potrebno je koristiti pojedinačna operaciona pojačala. Kada koristite dodatne izlaze, morate imati na umu da su oni po svojoj strukturi pomoćni ulazi, pa se moraju pažljivo kontrolirati iu skladu s preporukama proizvođača.

U jednom operativnom pojačalu, izlaz se nalazi na suprotnoj strani od ulaza. Ovo može otežati rad pojačala na visokim frekvencijama zbog dugih vodiča povratne informacije. Jedan od načina da se ovo prevaziđe je postavljanje pojačala i komponenti povratne sprege na različite strane PCB-a. Ovo, međutim, dovodi do najmanje dvije dodatne rupe i rezova u prizemnom poligonu. Ponekad je vrijedno koristiti dvostruko operacijsko pojačalo za rješavanje ovog problema, čak i ako se drugo pojačalo ne koristi (i njegovi pinovi moraju biti pravilno povezani).

Dvostruka operacijska pojačala su posebno uobičajena u stereo pojačalima, a četverostruka op pojačala se koriste u višestepenim filterskim krugovima. Međutim, ovo ima prilično značajan nedostatak. Iako moderna tehnologija pruža pristojnu izolaciju između signala pojačala na istom silikonskom čipu, još uvijek postoji preslušavanje između njih. Ako je potrebno imati vrlo malu količinu takvih smetnji, onda je potrebno koristiti pojedinačna operaciona pojačala. Preslušavanje se ne javlja samo kada se koriste dvostruka ili četverostruka pojačala. Njihov izvor može biti vrlo bliska blizina pasivnih komponenti različitih kanala.

Dvostruka i četverostruka op-pojačala, pored navedenih, omogućavaju gušću instalaciju. Pojedinačna pojačala izgledaju kao zrcalna slika u odnosu jedno na drugo.
Potrebno je obratiti pažnju na činjenicu da se provodnici pogona napona pola napajanja nalaze direktno ispod kućišta integriranog kola, što omogućava smanjenje njihove dužine. Ovaj primjer ilustruje ne ono što bi trebalo biti, već ono što bi trebalo učiniti. Prosječni napon nivoa, na primjer, mogao bi biti isti za sva četiri pojačala. Pasivne komponente se mogu dimenzionirati u skladu s tim. Na primjer, planarne komponente veličine okvira 0402 odgovaraju razmaku pinova standardnog SO paketa. Ovo omogućava da dužina provodnika bude veoma kratka za aplikacije visoke frekvencije.

Prilikom postavljanja operacionih pojačala u DIP pakete i pasivne komponente sa vodećim žicama, na štampanoj ploči moraju biti obezbeđeni spojevi za njihovo montiranje. Takve komponente se trenutno koriste kada ne postoje posebni zahtjevi za dimenzije štampane ploče; Obično su jeftiniji, ali se cijena štampane ploče povećava tokom procesa proizvodnje zbog bušenja dodatnih rupa za kablove komponenti.

Osim toga, kada se koriste vanjske komponente, povećavaju se dimenzije ploče i duljina vodiča, što ne dozvoljava krugu da radi na visokim frekvencijama. Prelazni spojevi imaju vlastitu induktivnost, koja također ograničava dinamičke karakteristike kola. Stoga se nadzemne komponente ne preporučuju za implementaciju visokofrekventnih kola ili za analogna kola koja se nalaze blizu brzih logičkih kola.

Neki dizajneri, pokušavajući smanjiti dužinu vodiča, postavljaju otpornike okomito. Na prvi pogled može izgledati da se time skraćuje dužina rute. Međutim, to povećava putanju struje kroz otpornik, a sam otpornik predstavlja petlju (okret induktivnosti). Sposobnost emitovanja i prijema se višestruko povećava.

Površinska montaža ne zahtijeva rupu za svaki kabel komponente. Međutim, problemi nastaju prilikom testiranja kruga, te je potrebno koristiti vias kao ispitne točke, posebno kada se koriste male komponente.

NEKORIŠĆENI ODJELCI OP-AMP

Kada koristite dvostruka i četverostruka op-pojačala u kolu, neke sekcije mogu ostati neiskorištene i u tom slučaju moraju biti ispravno spojene. Neispravna konekcija može dovesti do povećane potrošnje energije, više topline i više buke od operativnih pojačala koja se koriste u istom paketu. Pinovi neiskorištenih op-pojačala mogu se spojiti na sljedeći način: izlaz pojačala je spojen na invertirajući ulaz.

ZAKLJUČAK

Zapamtite sljedeće osnovne točke i imajte ih na umu u svakom trenutku kada dizajnirate i spajate analogna kola.

zamislite PCB kao komponentu električni dijagram;
imati svijest i razumijevanje izvora buke i smetnji;
model i raspored kola.

Štampana ploča:

koristite štampane ploče samo od visokokvalitetnog materijala (na primjer, FR-4);
kola napravljena na višeslojnim štampanim pločama su 20 dB manje podložna spoljnim smetnjama od kola napravljenih na dvoslojnim pločama;
koristiti odvojene poligone koji se ne preklapaju za različita zemljišta i izvore;
Postavite uzemljenje i poligone napajanja na unutrašnje slojeve PCB-a.

Komponente:

Budite svjesni ograničenja frekvencije koje uvode pasivne komponente i tragovi ploče;
pokušajte izbjeći vertikalno postavljanje pasivnih komponenti u kola velike brzine;
Za visokofrekventna kola koristite komponente dizajnirane za površinsku montažu;
provodnici bi trebali biti kraći, to bolje;
ako je potrebna veća dužina vodiča, smanjite njegovu širinu;
Neiskorišteni pinovi aktivnih komponenti moraju biti ispravno povezani.

Ožičenje:

postavite analogno kolo blizu konektora za napajanje;
nikada ne usmjeravajte vodiče koji prenose logičke signale kroz analogno područje ploče, i obrnuto;
učiniti provodnike prikladnim za invertni ulaz op-ampa kratkim;
pobrinite se da provodnici invertirajućih i neinvertirajućih ulaza op-amp ne budu paralelni jedan s drugim na velikoj udaljenosti;
pokušajte izbjeći korištenje dodatnih vias, jer... njihova vlastita induktivnost može uzrokovati dodatne probleme;
ne postavljajte provodnike pod pravim uglom i zagladite vrhove uglova ako je moguće.

Razmjena:

koristite ispravne tipove kondenzatora za suzbijanje buke u strujnim krugovima;
za suzbijanje niskofrekventnih smetnji i šuma koristite tantalske kondenzatore na ulaznom konektoru za napajanje;
Da biste suzbili visokofrekventne smetnje i šum, koristite keramičke kondenzatore na konektoru za napajanje;
koristite keramičke kondenzatore na svakom pinu za napajanje mikrokola; ako je potrebno, koristite više kondenzatora za različite frekventni opsezi;
ako se u krugu pojavi pobuda, tada je potrebno koristiti kondenzatore s nižom vrijednošću kapacitivnosti, a ne većom;
u teškim slučajevima koristite serijski spojene otpornike niskog otpora ili induktivnosti u strujnim krugovima;
Analogni kondenzatori za razdvajanje snage bi trebali biti povezani samo na analogno uzemljenje, a ne na digitalno uzemljenje.

Pregledi: 17115

Višeslojni PCB

Za kritični dizajn kola, potrebne su višeslojne štampane ploče (MPB). Neki razlozi za njihovu upotrebu su očigledni:

Distribucija električnih sabirnica je jednako zgodna kao i za obične sabirnice; ako se poligoni na zasebnom sloju koriste kao sabirnice napajanja, onda je prilično jednostavno napajati svaki element strujnog kruga pomoću vias
signalni slojevi su oslobođeni sabirnica napajanja, što olakšava ožičenje signala
distribuirani kapacitet se pojavljuje između tla i poligona snage, što smanjuje visokofrekventnu buku

Osim ovih razloga za korištenje višeslojnih tiskanih ploča, postoje i drugi, manje očigledni:

bolja elektromagnetna supresija ( EMI) i radio frekvenciju ( RFI) smetnje zbog efekta refleksije ( efekat ravni slike), poznat još u vrijeme Markonija. Kada je provodnik postavljen blizu ravne provodne površine, većina povratnih struja visoke frekvencije će teći duž ravni direktno ispod vodiča. Smjer ovih struja bit će suprotan smjeru struja u provodniku. Dakle, refleksija provodnika u ravnini stvara liniju za prijenos signala. Budući da su struje u provodniku i u ravni jednake po veličini i suprotne po smjeru, stvara se određeno smanjenje zračenja interferencije. Efekat refleksije efikasno funkcioniše samo sa neprekinutim čvrstim poligonima (to mogu biti i prizemni poligoni i poligoni snage). Svaki gubitak integriteta će rezultirati smanjenim potiskivanjem smetnji.
smanjenje ukupnih troškova za malu proizvodnju. Iako su višeslojni PCB-i skuplji za proizvodnju, njihovo potencijalno zračenje je niže nego kod jednoslojnih i dvoslojnih PCB-a. Stoga, u nekim slučajevima, korištenje samo višeslojnih ploča će vam omogućiti da ispunite zahtjeve za emisiju postavljene tokom dizajna, bez dodatnog testiranja i testiranja. Upotreba MPP-a može smanjiti nivo zračenja za 20 dB u poređenju sa dvoslojnim pločama.

Redoslijed slojeva

Uzemljenje

Dobro uzemljenje je opšti uslov za bogat sistem na više nivoa. I to treba planirati od prvog koraka razvoja dizajna.

Osnovno pravilo: podjela zemljišta.

Podjela tla na analogne i digitalne dijelove jedna je od najjednostavnijih i najefikasnijih metoda smanjenja šuma. Jedan ili više slojeva višeslojne štampane ploče obično su posvećeni sloju uzemljenih poligona. Ako programer nije previše iskusan ili nepažljiv, tada će tlo analognog dijela biti direktno povezano sa ovim poligonima, tj. analogni povrat struje će koristiti isti krug kao i digitalni povratni struj. Auto-distributeri rade na skoro isti način i ujedinjuju sve zemlje zajedno.

Ostala pravila za formiranje zemljišta:

Slika 4 pokazuje moguća varijanta postavljanje svih komponenti na ploču, uključujući i napajanje. Ovo koristi tri odvojene i izolirane ravni uzemljenja/snage: jednu za izvor, jednu za digitalno kolo i jednu za analogno kolo. Uzemljenje i strujni krugovi analognog i digitalnog dijela kombiniraju se samo u napajanju. Visokofrekventni šum se filtrira u strujnim krugovima pomoću prigušnica. U ovom primjeru, visokofrekventni signali analognog i digitalnog dijela su odvojeni jedan od drugog. Ovaj dizajn ima vrlo veliku vjerovatnoću za povoljan ishod, jer osigurava dobro postavljanje komponenti i poštovanje pravila razdvajanja kola.

Mora se uzeti u obzir da digitalni elementi pretvarača mogu degradirati kvalitetne karakteristike kola unošenjem digitalnog šuma u analogna uzemljiva i analogna strujna kola. Prilikom projektovanja pretvarača ovaj negativan uticaj se uzima u obzir kako bi digitalni deo trošio što manje energije. U isto vrijeme, smetnje od komutacijskih logičkih elemenata su smanjene. Ako digitalni pinovi pretvarača nisu jako opterećeni, tada unutarnje prebacivanje obično ne uzrokuje posebne probleme. Prilikom projektovanja PCB-a koji sadrži ADC ili DAC, mora se pažljivo razmotriti razdvajanje digitalnog napajanja pretvarača na analogno uzemljenje.

Frekventne karakteristike pasivnih komponenti

Ispravan odabir pasivnih komponenti je bitan za pravilan rad analognih kola. Započnite svoj dizajn tako što ćete pažljivo razmotriti visokofrekventne karakteristike pasivnih komponenti i preliminarnog postavljanja i rasporeda na skici ploče.

Otpornici

Visokofrekventne karakteristike otpornika mogu se predstaviti ekvivalentnim krugom prikazanim na slici 5.

Kondenzatori

Visokofrekventne karakteristike kondenzatora mogu se predstaviti ekvivalentnim krugom prikazanim na slici 6.

Kondenzatori u analognim kolima se koriste kao komponente za razdvajanje i filtriranje. Za idealan kondenzator, reaktancija se određuje sljedećom formulom:

Stoga će elektrolitički kondenzator od 10 µF imati otpor od 1,6 oma na 10 kHz i 160 µoma na 100 MHz. je li tako?

Kada koristite elektrolitičke kondenzatore, morate paziti da se osigura ispravan spoj. Pozitivni terminal mora biti spojen na pozitivniji konstantni potencijal. Neispravna veza uzrokuje da jednosmjerna struja teče kroz elektrolitički kondenzator, što može oštetiti ne samo sam kondenzator, već i dio kola.

Induktivnost

Visokofrekventne karakteristike induktiviteta mogu se predstaviti ekvivalentnim krugom prikazanim na slici 7.

Reaktancija induktivnosti je opisana sljedećom formulom:

Stoga će induktivnost od 10 mH imati reaktanciju od 628 oma na 10 kHz i reaktanciju od 6,28 megoma na 100 MHz. zar ne?

Sama štampana ploča ima karakteristike pasivnih komponenti o kojima smo gore govorili, iako ne tako očigledne.

Uzorak provodnika na štampanoj ploči može biti i izvor i prijemnik smetnji. Dobro ožičenje smanjuje osjetljivost analognog kola na izvore zračenja.

Malo teorije antene

Pri istosmjernoj struji ili niskim frekvencijama prevladava aktivna komponenta. Kako frekvencija raste, reaktivna komponenta postaje sve značajnija. U rasponu od 1 kHz do 10 kHz, induktivna komponenta počinje djelovati i provodnik više nije konektor niske impedancije, već djeluje kao induktor.

Formula za izračunavanje induktivnosti PCB vodiča je sljedeća:

Pravilo za bičastu antenu je da počinje primjetno da stupa u interakciju s poljem na oko 1/20 valne dužine, a maksimalna interakcija se javlja na dužini štapa od 1/4 valne dužine. Stoga će provodnik od 10 cm iz primjera u prethodnom pasusu početi da postaje prilično dobra antena na frekvencijama iznad 150 MHz. Mora se imati na umu da uprkos činjenici da generator takta digitalnog kola možda ne radi na frekvencijama iznad 150 MHz, viši harmonici su uvijek prisutni u njegovom signalu. Ako štampana ploča sadrži komponente sa iglicama znatne dužine, onda takve igle mogu poslužiti i kao antene.

Iskusni dizajneri PCB-a sa razumnim razumijevanjem teorije kružnih antena znaju da ne dizajniraju petlje za kritične signale. Neki dizajneri, međutim, ne razmišljaju o tome, a povratni i signalni strujni vodiči u njihovim krugovima su petlje. Stvaranje okvirnih antena je lako demonstrirati na primjeru (slika 8). Osim toga, ovdje je prikazano kreiranje slot antene.

Razmotrimo tri slučaja:

Opcija A je primjer lošeg dizajna. Uopće ne koristi analogni zemaljski poligon. Krug petlje formiran je od uzemljenja i signalnih provodnika. Kada struja prođe, nastaje električno polje i magnetsko polje okomito na nju. Ova polja čine osnovu okvirne antene. Pravilo kružne antene kaže da za najbolju efikasnost, dužina svakog provodnika treba da bude jednaka polovini talasne dužine primljenog zračenja. Međutim, ne treba zaboraviti da je petljasta antena i na 1/20 talasne dužine i dalje prilično efikasna.

Opcija B je bolja od opcije A, ali postoji praznina u poligonu, vjerovatno da bi se stvorilo specifično mjesto za usmjeravanje signalnih provodnika. Putevi signala i povratne struje formiraju proreznu antenu. Ostale petlje se formiraju u izrezima oko čipova.

Opcija B je primjer boljeg dizajna. Putanja signala i povratne struje se poklapaju, negirajući efikasnost okvirne antene. Imajte na umu da ovaj dizajn također ima izreze oko čipova, ali su oni odvojeni od putanje povratne struje.

Teorija refleksije i usklađivanja signala bliska je teoriji antena.

Na primjer, štampana ploča može imati sljedeće parametre:

4 sloja; signalni i zemaljski poligonski slojevi su susjedni
međuslojni razmak - 0,2 mm
širina provodnika - 0,75 mm
dužina provodnika - 7,5 mm

Tipična ER dielektrična konstanta za FR-4 je 4,5.

Može se vidjeti da se amplituda izlaznog signala udvostručuje na frekvencijama blizu gornje granice frekvencijskog opsega op-amp. To, pak, može dovesti do oscilacija, posebno na radnim frekvencijama antene (iznad 180 MHz).

Širina provodnika PCB-a ne može se beskonačno smanjivati. Maksimalna širina je određena i tehnološkim postupkom i debljinom folije. Ako dva vodiča prolaze blizu jedan drugom, tada se između njih formira kapacitivna i induktivna sprega (slika 12).

Na primjer, sa d=0,4 mm i h=1,5 mm (prilično uobičajene vrijednosti), induktivnost rupe je 1,1 nH.

Zapamtite da ako u krugu postoje veliki otpori, posebnu pažnju treba posvetiti čišćenju ploče. Tokom završnih operacija proizvodnje štampane ploče, svi preostali fluks i zagađivači moraju biti uklonjeni. U posljednje vrijeme, prilikom ugradnje štampanih ploča, često se koriste vodotopivi tokovi. Pošto su manje štetni, lako se uklanjaju vodom. Ali u isto vrijeme, pranje ploče nedovoljno čistom vodom može dovesti do dodatne kontaminacije koja pogoršava dielektrične karakteristike. Stoga je vrlo važno čistiti ploču s visokom impedancijom svježom destilovanom vodom.

Izolacija signala

Ako trebate postaviti tiskanu ploču koja ima i analogne i digitalne dijelove, tada morate imati barem malo razumijevanje električnih karakteristika logičkih elemenata.

Tipičan izlazni stepen logičkog elementa sadrži dva tranzistora povezana serijski jedan s drugim, kao i između strujnog i uzemljenja (slika 14).

Tabela 2 prikazuje maksimalne radne frekvencije za uobičajene tipove kondenzatora.

tabela 2

Stvarne specifikacije mogu varirati između različitih proizvođača, pa čak i od serije do serije unutar istog proizvođača. Važno je shvatiti da za efikasan rad kondenzatora, frekvencije koje potiskuje moraju biti u nižem rasponu od njegove vlastite rezonantne frekvencije. U suprotnom, priroda reaktancije će biti induktivna, a kondenzator više neće raditi efikasno.

Nemojte se varati da će jedan kondenzator od 0,1 µF potisnuti sve frekvencije. Mali kondenzatori (10 nF ili manje) mogu raditi efikasnije na višim frekvencijama.

IC odvajanje snage

Kondenzator za razdvajanje mora biti spojen na svaki paket čipa, bez obzira da li se unutar paketa nalaze 1, 2 ili 4 op-pojačala.Ako je operacijsko pojačalo dvostruko napajano, onda je samo po sebi razumljivo da bi kondenzatori za razdvajanje trebali biti smješteni na svaki pin za napajanje. Vrijednost kapacitivnosti mora biti pažljivo odabrana ovisno o vrsti šuma i smetnji prisutnih u kolu.

U posebno teškim slučajevima može biti potrebno dodati induktivitet povezanu serijski sa izlaznom snagom. Induktivnost treba biti locirana prije, a ne poslije kondenzatora.

Izolacija ulaznih i izlaznih signala

U situaciji kada se frekvencijski opseg induciranog šuma značajno razlikuje od frekvencijskog opsega kola, rješenje je jednostavno i očigledno - postavljanje pasivnog RC filtera za suzbijanje visokofrekventnih smetnji. Međutim, kada koristite pasivni filter, morate biti oprezni: njegove karakteristike (zbog neidealnih frekvencijskih karakteristika pasivnih komponenti) gube svoja svojstva na frekvencijama 100...1000 puta većim od granične frekvencije (f 3db). Kada se koriste serijski povezani filteri podešeni na različite frekventne opsege, filter više frekvencije bi trebao biti najbliži izvoru smetnji. Induktori s feritnim prstenom se također mogu koristiti za suzbijanje buke; oni zadržavaju induktivnu prirodu otpora do određene frekvencije, a iznad njihov otpor postaje aktivan.

Smetnje na analognom kolu mogu biti toliko velike da ih se jedino moguće riješiti (ili barem smanjiti) korištenjem ekrana. Da bi efikasno radili, moraju biti pažljivo dizajnirani tako da frekvencije koje izazivaju najviše problema ne mogu ući u kolo. To znači da ekran ne bi trebao imati rupe ili izreze veće od 1/20 valne dužine zračenja koje se ekranizira. Dobra je ideja izdvojiti dovoljno prostora za predloženi štit od samog početka dizajna PCB-a. Kada koristite štit, opciono možete koristiti feritne prstenove (ili perle) za sve priključke na strujno kolo.

Kućišta operativnih pojačala

Jedno, dva ili četiri operaciona pojačala se obično stavljaju u jedan paket (slika 16).

U jednom operativnom pojačalu, izlaz se nalazi na suprotnoj strani od ulaza. Ovo može otežati rad pojačala na visokim frekvencijama zbog dugih linija povratne sprege. Jedan od načina da se ovo prevaziđe je postavljanje pojačala i komponenti povratne sprege na različite strane PCB-a. Ovo, međutim, dovodi do najmanje dvije dodatne rupe i rezova u prizemnom poligonu. Ponekad je vrijedno koristiti dvostruko operacijsko pojačalo za rješavanje ovog problema, čak i ako se drugo pojačalo ne koristi (i njegovi pinovi moraju biti pravilno povezani). Slika 17 ilustruje smanjenje dužine provodnika kola povratne sprege za invertnu vezu.

Dvostruka i četverostruka op-pojačala, pored navedenih, omogućavaju gušću instalaciju. Pojedinačna pojačala izgledaju kao zrcalna slika u odnosu jedno na drugo (slika 18).

Slike 17 i 18 ne prikazuju sve veze potrebne za normalan rad, kao što je drajver srednjeg nivoa kada unipolarno napajanje. Na slici 19 prikazan je dijagram takvog oblikovača kada se koristi četverostruko pojačalo.

Dijagram prikazuje sve potrebne veze za implementaciju tri nezavisna invertirajuća stupnja. Potrebno je obratiti pažnju na činjenicu da se provodnici pogona napona pola napajanja nalaze direktno ispod kućišta integriranog kola, što omogućava smanjenje njihove dužine. Ovaj primjer ilustruje ne ono što bi trebalo biti, već ono što bi trebalo učiniti. Prosječni napon nivoa, na primjer, mogao bi biti isti za sva četiri pojačala. Pasivne komponente se mogu dimenzionirati u skladu s tim. Na primjer, planarne komponente veličine okvira 0402 odgovaraju razmaku pinova standardnog SO paketa. Ovo omogućava da dužina provodnika bude veoma kratka za aplikacije visoke frekvencije.

Neiskorištene sekcije

Kada koristite dvostruka i četverostruka op-pojačala u kolu, neke sekcije mogu ostati neiskorištene i u tom slučaju moraju biti ispravno spojene. Neispravna konekcija može dovesti do povećane potrošnje energije, više topline i više buke od operativnih pojačala koja se koriste u istom paketu. Pinovi neiskorištenih operacionih pojačala mogu se povezati kao što je prikazano na sl. 20a. Povezivanje pinova sa dodatnim komponentama (slika 20b) će olakšati korišćenje ovog op-pojačala tokom podešavanja.

Zaključak

Zapamtite sljedeće osnovne točke i imajte ih na umu u svakom trenutku kada dizajnirate i spajate analogna kola.

Uobičajeni su:

zamislite PCB kao komponentu električnog kola
imati svijest i razumijevanje izvora buke i smetnji
model i raspored kola

Štampana ploča:

koristite PCB samo od kvalitetnog materijala (na primjer, FR-4)
kola napravljena na višeslojnim štampanim pločama su 20 dB manje podložna spoljnim smetnjama od kola napravljenih na dvoslojnim pločama
koristiti odvojene poligone koji se ne preklapaju za različita zemljišta i izvore
Postavite uzemljenje i poligone napajanja na unutrašnje slojeve PCB-a.

Komponente:

Budite svjesni ograničenja frekvencije koje uvode pasivne komponente i tragovi ploče
pokušajte izbjeći vertikalno postavljanje pasivnih komponenti u kola velike brzine
Za visokofrekventna kola koristite komponente za površinsku montažu
provodnici bi trebali biti kraći, to bolje
ako je potrebna veća dužina vodiča, smanjite njegovu širinu
Neiskorišteni pinovi aktivnih komponenti moraju biti ispravno povezani

Ožičenje:

Postavite analogno kolo blizu konektora za napajanje
nikada ne usmjeravajte žice koje prenose logičke signale kroz analogno područje ploče, i obrnuto
učinite provodnike prikladnim za invertni ulaz op-amp kratkih
pobrinite se da provodnici invertujućeg i neinvertirajućeg ulaza op-ampa nisu paralelni jedan s drugim na velikoj udaljenosti
pokušajte izbjeći korištenje dodatnih vias, jer... njihova vlastita induktivnost može uzrokovati dodatne probleme
ne postavljajte provodnike pod pravim uglom i zagladite uglove ako je moguće

Razmjena:

koristite ispravne tipove kondenzatora za suzbijanje buke u strujnim krugovima
Da biste suzbili niskofrekventne smetnje i šum, koristite tantalske kondenzatore na konektoru za napajanje
Da biste suzbili visokofrekventne smetnje i šum, koristite keramičke kondenzatore na konektoru za napajanje
koristite keramičke kondenzatore na svakom pinu za napajanje mikrokola; ako je potrebno, koristite više kondenzatora za različite frekvencijske opsege
ako dođe do pobuđivanja u krugu, tada je potrebno koristiti kondenzatore s nižom vrijednošću kapacitivnosti, a ne većom
u teškim slučajevima koristite serijski spojene otpornike niskog otpora ili induktivnosti u strujnim krugovima
Analogni kondenzatori za razdvajanje snage trebaju biti povezani samo na analogno uzemljenje, a ne na digitalno uzemljenje

Bruce Carter
Operativna pojačala za sve, 17. poglavlje
Tehnike rasporeda ploča
Referenca za dizajn, Texas Instruments, 2002