اجزای SMD عناصر رادیویی تولید شده از طریق چاپ نصب سلف بر روی بردهای مدار چاپی ساده

فناوری "آهن-لیزر" برای ساخت بردهای مدار چاپی(ULT) به معنای واقعی کلمه در طی چند سال در محافل رادیویی آماتور گسترده شده است و به شما امکان می دهد تخته های مدار چاپی را کاملاً بدست آورید. کیفیت بالا. بردهای مدار چاپی دستی نیاز به زمان زیادی دارند و از خطا مصون نیستند.

الزامات ویژه ای برای دقت الگو در ساخت سلف های چاپی برای مدارهای فرکانس بالا اعمال می شود. لبه های هادی های سیم پیچ باید تا حد امکان صاف باشد، زیرا این امر بر فاکتور کیفیت آنها تأثیر می گذارد. کشیدن دستی یک سیم پیچ مارپیچ چند چرخشی بسیار مشکل ساز است و در اینجا ULT ممکن است حرف خود را بزند.

برنج. 1

برنج. 2

بنابراین، همه چیز مرتب است. راه اندازی کنیم برنامه کامپیوتری SPRINT-LAYOUT، به عنوان مثال نسخه 5.0. در تنظیمات برنامه تنظیم کنید:

مقیاس شبکه - 1.25 میلی متر؛

عرض خط - 0.8 میلی متر؛

ابعاد تخته - 42.5x42.5 میلی متر؛

قطر بیرونی "پچ" 1.5 میلی متر است.

قطر سوراخ در "پچ" 0.5 میلی متر است.

مرکز تخته را پیدا کنید و یک الگوی هادی سیم پیچ بکشید (شکل 1)در امتداد شبکه مختصات با استفاده از ابزار CONDUCTOR، سیم پیچ را به داخل بچرخانید سمت راست(برای قالبی که نیاز دارید تصویر آینه ای، اما می توان آن را بعداً هنگام چاپ به دست آورد). ما یک "پچ" را در ابتدا و انتهای سیم پیچ نصب می کنیم تا سیم پیچ را با عناصر مدار متصل کنیم.

در تنظیمات چاپ، تعداد چاپ ها را روی یک ورق، فاصله بین چاپ ها و در صورت لزوم "پیچاندن" قرقره در جهت دیگر، چاپ آینه ای طرح را تعیین می کنیم. شما باید روی کاغذ صاف یا فیلم مخصوص چاپ کنید و تنظیمات چاپگر را روی حداکثر میزان تونر در هنگام چاپ تنظیم کنید.

بعد از استاندارد ULT پیروی می کنیم. ما فایبرگلاس فویل را آماده می کنیم، سطح فویل را تمیز می کنیم و مثلاً با استون آن را چربی زدایی می کنیم. قالب را با تونر روی فویل می‌زنیم و با اتوی داغ از روی کاغذ اتو می‌کنیم تا زمانی که تونر کاملاً به فویل بچسبد.

پس از آن، کاغذ را در زیر آب لوله کشی (در دمای سرد یا اتاق) خیس کنید و با دقت آن را در "گلوله ها" بردارید و تونر را روی فویل تخته بگذارید. تخته را اچ می کنیم و سپس تونر را با یک حلال مثلا استون از روی آن جدا می کنیم. هادی شفاف سلف "چاپ شده" با کیفیت بالا روی برد باقی می ماند.

کویل های چاپ شده با چرخش مارپیچ با استفاده از ULT کیفیت کمی بدتر دارند. این به دلیل مربع شکل پیکسل های تصویر است، بنابراین لبه های هادی سیم پیچ مارپیچی ناهموار است. درست است، این بی نظمی ها بسیار کوچک هستند، و کیفیت قرقره، به طور کلی، هنوز بالاتر از عملکرد دستی است.

برنامه SPRINT-LAYOUT نسخه 5.0 را دوباره باز کنید. در جعبه ابزار، SPECIAL FORM - ابزاری برای ترسیم چند ضلعی ها و مارپیچ ها را انتخاب کنید. زبانه SPIRAL را انتخاب کنید. نصب:

شعاع شروع (START RADIUS) -2 میلی متر؛

فاصله بین چرخش (DISTANCE) - 1.5 میلی متر؛

عرض هادی (عرض TRACK) -0.8 میلی متر؛

تعداد چرخش ها (TURNS)، به عنوان مثال، 20 است.

اندازه تخته اشغال شده توسط چنین سیم پیچ 65x65 میلی متر است (شکل 2).

کویل های چاپی معمولاً در فیلترهای باند گذر (BPF) با استفاده از خازن های کوچک با هم جفت می شوند. با این حال، جفت القایی آنها نیز امکان پذیر است که درجه آن را می توان با تغییر فاصله بین صفحات سیم پیچ ها یا چرخش غیرمرکز یکی نسبت به دیگری تغییر داد. نصب ثابت سیم پیچ ها نسبت به یکدیگر را می توان به دست آورد

با استفاده از پایه های دی الکتریک بسازید.

اندوکتانس سیم پیچ ها را می توان با کوتاه کردن پیچ ها، شکستن هادی چاپ شده یا حذف جزئی آن تنظیم کرد. این باعث افزایش فرکانس تنظیم مدار می شود. کاهش فرکانس را می توان با لحیم کردن خازن های نوع SMD با ظرفیت کوچک بین پیچ ها به دست آورد.

ساخت کویل های VHF به صورت پیچ و خم، خطوط مستقیم و منحنی، فیلتر شانه ای و .... استفاده از ULT همچنین به محصول نهایی ظرافت می بخشد و به عنوان یک قاعده، ضریب کیفیت آنها را افزایش می دهد (به دلیل لبه های "صاف" هادی های چاپ شده، اما در طول تولید، باید کیفیت مواد زیرلایه (فایبرگلاس) را به خاطر بسپارید. که با افزایش فرکانس خاصیت عایق خود را از دست می دهد در مدارهای معادل، مقاومت اتلاف در دی الکتریک باید به موازات سیم پیچ های چاپ شده وصل شود و این مقاومت کمتر، فرکانس کاری بالاتر و کیفیت دی الکتریک بدتر خواهد بود. .

در عمل، فایبرگلاس فویل را می توان به طور کامل برای ساخت مدارهای رزونانس چاپی تا برد 2 متری (تا حدود 150 مگاهرتز) استفاده کرد. گریدهای فرکانس بالا ویژه فایبرگلاس را می توان در محدوده 70 سانتی متر (تا حدود 470 ... 500 مگاهرتز) استفاده کرد. در فرکانس های بالاتر باید از فلوروپلاستیک RF فویل شده (تفلون)، سرامیک یا شیشه استفاده شود.

یک سلف چاپی به دلیل کاهش ظرفیت وقفه ای که از یک طرف به دلیل ضخامت کم فویل به دست می آید و از طرف دیگر گام "سیم پیچ" سیم پیچ، ضریب کیفیت افزایش یافته است. یک قاب بسته از فویل زمین شده در اطراف سیم پیچ چاپ شده در صفحه خود به عنوان محافظ در برابر سیم پیچ ها و هادی های چاپ شده دیگر عمل می کند، اما اگر حاشیه آن تحت ولتاژ RF پایین باشد (وصل به سیم مشترک) تأثیر کمی بر پارامترهای سیم پیچ دارد. مرکز آن در زیر بالا است.

ادبیات

1. جی پاناسنکو. ساخت قرقره چاپ. - رادیو، 1366، شماره 5، ص 62.

در عصر آشفته الکترونیک ما، مزایای اصلی یک محصول الکترونیکی اندازه کوچک، قابلیت اطمینان، سهولت نصب و جداسازی (جداسازی تجهیزات)، مصرف انرژی کم و قابلیت استفاده راحت است. از انگلیسی- راحتی در استفاده). همه این مزایا به هیچ وجه بدون فناوری امکان پذیر نیست. نصب سطحی– تکنولوژی SMT ( اسقیافت متعداد تیتکنولوژیو البته بدون اجزای SMD.

اجزای SMD چیست؟

قطعات SMD کاملاً در تمام الکترونیک مدرن استفاده می شود. SMD ( اسقیافت منصب شده است Dشرارت) که از انگلیسی ترجمه شده به معنای "دستگاه نصب شده روی سطح" است. در مورد ما، سطح یک برد مدار چاپی است، بدون سوراخ برای عناصر رادیویی:

در این حالت اجزای SMD داخل سوراخ تخته ها قرار نمی گیرند. آنها روی مسیرهای تماسی لحیم می شوند که مستقیماً روی سطح برد مدار چاپی قرار دارند. عکس زیر پدهای تماس قلعی رنگ روی برد تلفن همراه را نشان می دهد که قبلاً دارای اجزای SMD بود.

مزایای اجزای SMD

بزرگترین مزیت قطعات SMD اندازه کوچک آنهاست. عکس زیر مقاومت های ساده و:

به لطف ابعاد کوچک اجزای SMD، توسعه دهندگان این فرصت را دارند که قرار دهند مقدار زیاداجزاء در واحد سطح نسبت به عناصر رادیویی خروجی ساده. در نتیجه، تراکم نصب افزایش یافته و در نتیجه ابعاد کاهش می یابد لوازم برقی. از آنجایی که وزن یک جزء SMD چند برابر وزن همان عنصر رادیویی خروجی ساده است، وزن تجهیزات رادیویی نیز چندین برابر سبک تر خواهد بود.

لحیم کاری قطعات SMD بسیار ساده تر است. برای این ما به یک سشوار نیاز داریم. نحوه لحیم کاری و لحیم کاری قطعات SMD را می توانید در مقاله نحوه صحیح لحیم کاری SMD مطالعه کنید. مهر و موم کردن آنها بسیار دشوارتر است. در کارخانه ها، ربات های مخصوص آنها را روی یک برد مدار چاپی قرار می دهند. هیچ کس در تولید آنها را به صورت دستی لحیم نمی کند، به جز آماتورهای رادیویی و تعمیرکاران تجهیزات رادیویی.

تخته های چند لایه

از آنجایی که تجهیزات با اجزای SMD دارای نصب بسیار متراکم هستند، باید آهنگ های بیشتری روی برد وجود داشته باشد. همه مسیرها روی یک سطح قرار نمی گیرند، بنابراین بردهای مدار چاپی ساخته می شوند چند لایهاگر تجهیزات پیچیده باشد و دارای اجزای SMD زیادی باشد، برد لایه های بیشتری خواهد داشت. این مانند یک کیک چند لایه است که از لایه های کوتاه درست شده است. تراک های چاپ شده اتصال اجزای SMD مستقیماً در داخل برد قرار دارند و به هیچ وجه دیده نمی شوند. نمونه ای از بردهای چندلایه، بردهای تلفن همراه، کامپیوتر یا لپ تاپ ( مادربرد، کارت گرافیک، رمو غیره).

در عکس زیر برد آبی آیفون 3g و برد سبز مادربرد کامپیوتر است.

همه تعمیرکاران تجهیزات رادیویی می دانند که اگر یک برد چند لایه بیش از حد گرم شود، با یک حباب متورم می شود. در این صورت اتصالات بین لایه ها خراب می شود و برد غیر قابل استفاده می شود. بنابراین، برگ برنده اصلی در هنگام تعویض قطعات SMD، دمای صحیح است.

برخی از بردها از دو طرف مدار چاپی استفاده می کنند و تراکم نصب، همانطور که می دانید، دو برابر می شود. این یکی دیگر از مزایای فناوری SMT است. اوه بله، همچنین ارزش در نظر گرفتن این واقعیت را دارد که مواد مورد نیاز برای تولید اجزای SMD بسیار کمتر است و هزینه آنها در طول تولید انبوه میلیون ها قطعه به معنای واقعی کلمه سکه هزینه دارد.

انواع اصلی اجزای SMD

بیایید به عناصر اصلی SMD مورد استفاده در ما نگاه کنیم دستگاه های مدرن. مقاومت ها، خازن ها، سلف های کم ارزش و سایر اجزاء شبیه مستطیل های کوچک معمولی یا بهتر بگوییم موازی پایه هستند))

در بردهای بدون مدار، نمی توان تشخیص داد که مقاومت، خازن یا حتی سیم پیچ است. چینی ها هر طور که بخواهند علامت گذاری می کنند. در عناصر SMD بزرگ، آنها همچنان یک کد یا اعداد برای تعیین هویت و ارزش خود قرار می دهند. در عکس زیر این عناصر در یک مستطیل قرمز مشخص شده اند. بدون نمودار، نمی توان گفت که آنها به چه نوع عناصر رادیویی تعلق دارند و همچنین رتبه آنها.

اندازه استاندارد اجزای SMD ممکن است متفاوت باشد. در اینجا توضیحاتی در مورد اندازه های استاندارد برای مقاومت ها و خازن ها ارائه شده است. برای مثال، در اینجا یک خازن SMD مستطیلی زرد وجود دارد. آنها همچنین تانتالیوم یا به سادگی تانتالوم نامیده می شوند:

و این چیزی است که SMD ها به نظر می رسند:

این نوع ترانزیستورهای SMD نیز وجود دارد:

که دارای ارزش بالایی هستند، در نسخه SMD به شکل زیر هستند:

و البته، چگونه می توانیم بدون ریز مدار در عصر میکروالکترونیک زندگی کنیم! بسته های تراشه انواع SMD زیادی وجود دارد، اما من آنها را عمدتا به دو گروه تقسیم می کنم:

1) ریز مدارهایی که در آنها پین ها موازی با برد مدار چاپی هستند و در دو طرف یا در امتداد محیط قرار دارند.

2) ریز مدارهایی که در آنها پین ها زیر خود ریز مدار قرار دارند.این یک کلاس ویژه از ریز مدارها به نام BGA (از انگلیسی آرایه شبکه توپ- آرایه ای از توپ ها). پایانه های چنین ریز مدارها، توپ های لحیم کاری ساده با همان اندازه هستند.

عکس زیر یک تراشه BGA و سمت عقب آن را نشان می دهد که از پین های توپ تشکیل شده است.

تراشه‌های BGA برای تولیدکنندگان راحت هستند زیرا فضای روی برد مدار چاپی را تا حد زیادی صرفه‌جویی می‌کنند، زیرا می‌تواند هزاران توپ از این قبیل در زیر هر تراشه BGA وجود داشته باشد. این امر زندگی سازندگان را بسیار آسان تر می کند، اما زندگی را برای تعمیرکاران آسان نمی کند.

خلاصه

از چه چیزی باید در طراحی های خود استفاده کنید؟ اگر دستان شما نمی لرزد و می خواهید یک اشکال کوچک رادیویی ایجاد کنید، انتخاب واضح است. اما هنوز هم در طراحی های رادیویی آماتور ابعاد نقش زیادی ندارند و لحیم کاری عناصر رادیویی عظیم بسیار راحت تر و راحت تر است. برخی از آماتورهای رادیویی از هر دو استفاده می کنند. هر روز تعداد بیشتری از ریز مدارها و قطعات SMD در حال توسعه هستند. کوچکتر، نازکتر، قابل اطمینان تر. آینده قطعاً متعلق به میکروالکترونیک است.

هدف این مقاله بحث در مورد اشتباهات متداول طراحان PCB، تشریح تاثیر این اشتباهات بر عملکرد کیفی و ارائه توصیه هایی برای حل مشکلات پیش آمده است.

ملاحظات کلی

با توجه به تفاوت های قابل توجه بین مدارهای آنالوگ و دیجیتال، قسمت آنالوگ مدار باید از بقیه جدا شود و هنگام سیم کشی باید از روش ها و قوانین خاصی پیروی کرد. اثرات ناشی از ویژگی های غیر ایده آل بردهای مدار چاپی به ویژه در مدارهای آنالوگ فرکانس بالا قابل توجه است، اما خطاها نمای کلی، که در این مقاله توضیح داده شده است، ممکن است بر ویژگی های کیفی دستگاه هایی که حتی در محدوده فرکانس صوتی کار می کنند تأثیر بگذارد.

برد مدار چاپی - جزء مدار

فقط در موارد نادری می توان برد مدار چاپی یک مدار آنالوگ را به گونه ای هدایت کرد که تأثیراتی که وارد می کند تأثیری بر عملکرد مدار نداشته باشد. در عین حال، چنین ضربه ای را می توان به حداقل رساند تا مشخصات مدارهای آنالوگ دستگاه مانند مدل و نمونه اولیه باشد.

چیدمان

توسعه دهندگان مدارهای دیجیتال می توانند خطاهای کوچک روی برد تولیدی را با اضافه کردن جامپرها به آن یا برعکس حذف هادی های غیر ضروری، ایجاد تغییرات در عملکرد تراشه های قابل برنامه ریزی و غیره تصحیح کنند و خیلی سریع به سمت توسعه بعدی حرکت کنند. این مورد برای مدار آنالوگ نیست. برخی از خطاهای رایج مورد بحث در این مقاله را نمی توان با اضافه کردن جامپرها یا حذف هادی های اضافی اصلاح کرد. آنها می توانند و می توانند کل برد مدار چاپی را از کار بیاندازند.

برای طراح مدارهای دیجیتالی که از چنین روش های اصلاحی استفاده می کند بسیار مهم است که مطالب ارائه شده در این مقاله را قبل از ارائه طرح به تولید بخواند و درک کند. کمی توجه به طراحی و بحث در مورد گزینه های احتمالی نه تنها از ضایع شدن PCB جلوگیری می کند، بلکه هزینه خطاهای فاحش را در قسمت کوچک آنالوگ مدار کاهش می دهد. پیدا کردن خطاها و رفع آنها می تواند منجر به صدها ساعت از دست دادن شود. نمونه سازی می تواند این زمان را به یک روز یا کمتر کاهش دهد. تمام مدارهای آنالوگ خود را بردبرد.

منابع نویز و تداخل

نویز و تداخل عناصر اصلی محدود کننده کیفیت مدارها هستند. تداخل می تواند توسط منابع منتشر شود یا بر روی عناصر مدار القا شود. مدارهای آنالوگ اغلب بر روی یک برد مدار چاپی همراه با قطعات دیجیتالی پرسرعت از جمله پردازنده های سیگنال دیجیتال (DSP) قرار می گیرند.

سیگنال های منطقی فرکانس بالا تداخل فرکانس رادیویی قابل توجهی (RFI) ایجاد می کنند. تعداد منابع انتشار نویز بسیار زیاد است: منابع تغذیه کلیدی سیستم های دیجیتال, تلفن های همراه، رادیو و تلویزیون ، منابع تغذیه لامپ نور روز, کامپیوترهای شخصی، تخلیه رعد و برق و غیره حتی اگر یک مدار آنالوگ در محدوده فرکانس صوتی کار کند، تداخل فرکانس رادیویی می تواند نویز قابل توجهی در سیگنال خروجی ایجاد کند.

دسته بندی تابلوهای چاپی

انتخاب طرح PCB عامل مهمی در تعیین عملکرد مکانیکی دستگاه کلی است. برای ساخت بردهای مدار چاپی از موادی با سطوح کیفی متفاوت استفاده می شود. اگر سازنده PCB در نزدیکی آن قرار داشته باشد، برای توسعه دهنده مناسب ترین و راحت تر خواهد بود. در این مورد، کنترل مقاومت و ثابت دی الکتریک - پارامترهای اصلی مواد تخته مدار چاپی آسان است. متأسفانه این کافی نیست و آگاهی از پارامترهای دیگر مانند اشتعال پذیری، پایداری در دمای بالا و ضریب رطوبت سنجی اغلب ضروری است. این پارامترها را فقط سازنده قطعات مورد استفاده در تولید بردهای مدار چاپی می تواند بداند.

مواد لایه ای با شاخص های FR (مقاوم در برابر شعله) و G مشخص می شوند. مواد با شاخص FR-1 بیشترین اشتعال پذیری و FR-5 کمترین را دارند. مواد با شاخص های G10 و G11 ویژگی های خاصی دارند. مواد برد مدار چاپی در جدول آورده شده است. 1.

از PCB دسته FR-1 استفاده نکنید. نمونه های زیادی از بردهای مدار FR-1 وجود دارد که از قطعات پرقدرت آسیب حرارتی دیده اند. بردهای مدار چاپی این دسته بیشتر شبیه مقوا هستند.

FR-4 اغلب در ساخت تجهیزات صنعتی استفاده می شود، در حالی که FR-2 در ساخت لوازم خانگی استفاده می شود. این دو دسته در صنعت استاندارد شده اند و PCBهای FR-2 و FR-4 اغلب برای اکثر کاربردها مناسب هستند. اما گاهی اوقات ویژگی های ناقص این دسته ها استفاده از مواد دیگر را مجبور می کند. به عنوان مثال، برای کاربردهای با فرکانس بسیار بالا، از فلوروپلاستیک و حتی سرامیک به عنوان مواد برد مدار چاپی استفاده می شود. با این حال، هرچه مواد PCB عجیب‌تر باشد، ممکن است قیمت آن بالاتر باشد.

هنگام انتخاب یک ماده PCB، به رطوبت سنجی آن توجه ویژه ای داشته باشید، زیرا این پارامتر می تواند تأثیر منفی قوی بر ویژگی های مورد نظر برد - مقاومت سطح، نشت، خواص عایق ولتاژ بالا (شکستگی و جرقه زدن) و مقاومت مکانیکی داشته باشد. همچنین توجه کنید دمای عملیاتی. نقاط داغ ممکن است در مکان‌های غیرمنتظره مانند مدارهای مجتمع دیجیتال بزرگی که در فرکانس‌های بالا سوئیچ می‌کنند، رخ دهد. اگر چنین مناطقی مستقیماً زیر اجزای آنالوگ قرار گیرند، افزایش دما ممکن است بر عملکرد مدار آنالوگ تأثیر بگذارد.

میز 1

	اجزاء، نظرات
	کاغذ، ترکیب فنلی: فشار دادن و مهر زنی در دمای اتاق، ضریب رطوبت بالا
	کاغذ، ترکیب فنلی: قابل استفاده برای بردهای مدار چاپی یک طرفه لوازم خانگی، ضریب رطوبت کم
	کاغذ، ترکیب اپوکسی: طرح هایی با ویژگی های مکانیکی و الکتریکی خوب
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: خواص مکانیکی و الکتریکی عالی
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: استحکام بالا در دماهای بالا، غیر قابل اشتعال
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: خواص عایق بالا، بالاترین استحکام فایبرگلاس، ضریب رطوبت سنجی پایین
	فایبرگلاس، ترکیب اپوکسی: استحکام خمشی بالا در دماهای بالا، مقاومت در برابر حلال بالا

پس از انتخاب ماده PCB، ضخامت فویل PCB باید تعیین شود. این پارامتر در درجه اول بر اساس مقدار حداکثر جریان جاری انتخاب می شود. در صورت امکان سعی کنید از فویل بسیار نازک استفاده نکنید.

تعداد لایه های تخته چاپ شده

بسته به پیچیدگی کلی مدار و الزامات کیفی، طراح باید تعداد لایه های PCB را تعیین کند.

PCB های تک لایه

مدارهای الکترونیکی بسیار ساده بر روی تخته های یک طرفه با استفاده از مواد فویل ارزان قیمت (FR-1 یا FR-2) ساخته می شوند و اغلب دارای جامپرهای زیادی هستند که شبیه تخته های دو طرفه هستند. این روش ایجاد بردهای مدار چاپی فقط برای مدارهای فرکانس پایین توصیه می شود. به دلایلی که در زیر توضیح داده خواهد شد، بردهای مدار چاپی یک طرفه بسیار مستعد تداخل هستند. طراحی یک PCB یک طرفه خوب به دلایل زیادی بسیار دشوار است. با این اوصاف تابلوهای خوباین نوع اتفاق می افتد، اما توسعه آنها نیاز به تفکر زیادی از قبل دارد.

PCB دو لایه

در سطح بعدی، بردهای مدار چاپی دو طرفه قرار دارند که در بیشتر موارد از FR-4 به عنوان ماده زیرلایه استفاده می کنند، اگرچه FR-2 نیز گاهی اوقات یافت می شود. استفاده از FR-4 ارجح تر است، زیرا در برد مدار چاپیاین ماده سوراخ ها را بیشتر می کند بهترین کیفیت. سیم کشی مدارهای روی بردهای مدار چاپی دو طرفه بسیار ساده تر است زیرا در دو لایه مسیریابی مسیرهای متقاطع آسانتر است. با این حال، برای مدارهای آنالوگ، عبور از ردیابی توصیه نمی شود. در صورت امکان، لایه پایین (پایین) باید به چند ضلعی زمین اختصاص داده شود و سیگنال های باقی مانده باید به لایه بالایی (بالا) هدایت شوند. استفاده از محل دفن زباله به عنوان اتوبوس زمینی چندین مزیت دارد:

سیم مشترک بیشترین اتصال سیم در مدار است. بنابراین، منطقی است که برای ساده کردن سیم کشی، سیم مشترک "زیادی" داشته باشیم.
استحکام مکانیکی تخته افزایش می یابد.
مقاومت تمام اتصالات به سیم مشترک کاهش می یابد که به نوبه خود باعث کاهش نویز و تداخل می شود.
ظرفیت توزیع شده برای هر مدار مدار افزایش می یابد و به سرکوب نویز تابشی کمک می کند.
چند ضلعی که یک صفحه است، تداخل ساطع شده توسط منابع واقع در کنار چند ضلعی را سرکوب می کند.

PCB های دو طرفه، علیرغم تمام مزایایی که دارند، بهترین نیستند، به خصوص برای مدارهای با سیگنال کم یا سرعت بالا. به طور کلی، ضخامت برد مدار چاپی، یعنی. فاصله بین لایه های متالیزاسیون 1.5 میلی متر است که برای درک کامل برخی از مزایای یک برد مدار چاپی دو لایه که در بالا ذکر شد بسیار زیاد است. به عنوان مثال، ظرفیت توزیع شده به دلیل چنین فاصله زمانی بسیار کم است.

PCB های چند لایه

برای طراحی مدارهای حیاتی، بردهای مدار چاپی چندلایه (MPB) مورد نیاز است. برخی از دلایل استفاده از آنها واضح است:

توزیع اتوبوس های برق به اندازه اتوبوس سیمی معمولی راحت است. اگر از چند ضلعی در یک لایه جداگانه به عنوان گذرگاه برق استفاده شود، در این صورت تامین برق برای هر عنصر مدار با استفاده از vias بسیار ساده است.
لایه های سیگنال از گذرگاه های برق آزاد می شوند که سیم کشی هادی های سیگنال را تسهیل می کند.
خازن توزیع شده بین زمین و چند ضلعی قدرت ظاهر می شود که نویز فرکانس بالا را کاهش می دهد.

علاوه بر این دلایل برای استفاده از بردهای مدار چاپی چند لایه، دلایل دیگری نیز وجود دارد که کمتر آشکار است:

سرکوب بهتر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و فرکانس رادیویی (RFI) به لطف اثر بازتابی (اثر صفحه تصویر)، شناخته شده به زمان مارکونی. هنگامی که یک هادی نزدیک به یک سطح رسانا صاف قرار می گیرد، بیشتر جریان های برگشتی فرکانس بالا در امتداد صفحه مستقیماً زیر هادی جریان می یابد. جهت این جریان ها برخلاف جهت جریان ها در هادی خواهد بود. بنابراین، انعکاس هادی در هواپیما یک خط انتقال سیگنال ایجاد می کند. از آنجایی که جریان ها در هادی و صفحه از نظر بزرگی برابر و در جهت مخالف هستند، مقداری کاهش در تداخل تابشی ایجاد می شود. افکت انعکاس فقط با چند ضلعی های جامد شکسته نشده کار می کند (اینها می توانند هم چند ضلعی زمینی و هم چند ضلعی قدرت باشند). هر گونه از دست دادن یکپارچگی منجر به کاهش تداخل خواهد شد.
کاهش هزینه کلی برای تولید در مقیاس کوچک. اگرچه ساخت PCB های چند لایه گران تر است، اما تابش بالقوه آنها کمتر از PCB های تک لایه و دو لایه است. بنابراین، در برخی موارد، فقط استفاده از تخته های چند لایه به شما این امکان را می دهد که الزامات انتشار تعیین شده در طول طراحی را بدون آزمایش و آزمایش اضافی برآورده کنید. استفاده از MPP می تواند سطح تداخل تشعشعی را تا 20 دسی بل در مقایسه با بردهای دولایه کاهش دهد.

ترتیب لایه ها

طراحان بی تجربه اغلب در مورد ترتیب بهینه لایه های PCB سردرگمی دارند. بیایید به عنوان مثال یک محفظه 4 لایه شامل دو لایه سیگنال و دو لایه چند ضلعی - یک لایه زمین و یک لایه قدرت را در نظر بگیریم. بهترین ترتیب لایه چیست؟ لایه های سیگنال بین چند ضلعی که به عنوان صفحه نمایش عمل می کنند؟ یا باید لایه های چند ضلعی را داخلی کنیم تا تداخل لایه های سیگنال کاهش یابد؟

هنگام پرداختن به این موضوع، یادآوری این نکته مهم است که اغلب مکان لایه‌ها اهمیت چندانی ندارد، زیرا به هر حال اجزا در لایه‌های بیرونی قرار دارند و اتوبوس‌هایی که سیگنال‌ها را به پین‌های آنها می‌رسانند، گاهی از همه لایه‌ها عبور می‌کنند. بنابراین، هر اثر صفحه نمایش فقط یک مصالحه است. در این مورد، بهتر است مراقب ایجاد ظرفیت توزیع شده بزرگ بین چند ضلعی های قدرت و زمین، قرار دادن آنها در لایه های داخلی باشیم.

یکی دیگر از مزایای قرار دادن لایه های سیگنال در خارج، در دسترس بودن سیگنال برای آزمایش و همچنین امکان تغییر اتصالات است. هر کسی که تا به حال اتصالات هادی های واقع در لایه های داخلی را تغییر داده است از این فرصت قدردانی خواهد کرد.

برای PCB هایی با بیش از چهار لایه، قانون کلی این است که هادی های سیگنال پرسرعت را بین زمین و چند ضلعی های قدرت قرار می دهند و هادی های سیگنال فرکانس پایین را به لایه های بیرونی هدایت می کنند.

زمین

زمین خوب یک نیاز کلی برای یک سیستم غنی و چند سطحی است. و باید از اولین گام توسعه طراحی برنامه ریزی شود.

قانون اساسی: تقسیم زمین.

تقسیم زمین به قطعات آنالوگ و دیجیتال یکی از ساده ترین و ساده ترین هاست روش های موثرحذف سر و صدا. یک یا چند لایه از برد مدار چاپی چند لایه معمولاً به لایه ای از چندضلعی های زمین اختصاص داده می شود. اگر توسعه دهنده خیلی با تجربه یا بی توجه نباشد، زمین قسمت آنالوگ مستقیماً به این چند ضلعی ها متصل می شود، یعنی. برگشت جریان آنالوگ از همان مدار جریان برگشتی دیجیتال استفاده می کند. توزیع کنندگان خودکار تقریباً به همین شکل کار می کنند و همه زمین ها را با هم متحد می کنند.

اگر یک برد مدار چاپی قبلا ساخته شده با چند ضلعی زمین منفرد که پایه های آنالوگ و دیجیتال را با هم ترکیب می کند در معرض پردازش باشد، لازم است ابتدا زمین ها را به صورت فیزیکی روی برد جدا کنید (پس از این عملیات، عملکرد برد تقریبا غیرممکن می شود). پس از این، تمام اتصالات به زمین آنالوگ اجزای مدار آنالوگ (زمین آنالوگ تشکیل می شود) و به زمین دیجیتال قطعات مدار دیجیتال (زمین دیجیتال تشکیل می شود) انجام می شود. و تنها پس از این، زمین دیجیتال و آنالوگ در منبع ترکیب می شوند.

قوانین دیگر برای تشکیل زمین:

اتوبوس های برق و زمینی باید پتانسیل یکسانی داشته باشند. جریان متناوب، که به معنای استفاده از خازن های جداکننده و ظرفیت توزیع شده است.
از همپوشانی چند ضلعی های آنالوگ و دیجیتال خودداری کنید. ریل های برق آنالوگ و چند ضلعی ها را بالای چند ضلعی زمین آنالوگ قرار دهید (شبیه به ریل های برق دیجیتال). اگر در هر مکانی بین نواحی آنالوگ و دیجیتال همپوشانی وجود داشته باشد، ظرفیت خازنی توزیع شده بین نواحی همپوشانی یک جفت AC ایجاد می کند و نویز از اجزای دیجیتال به مدار آنالوگ منتقل می شود. چنین همپوشانی هایی جداسازی محل های دفن زباله را باطل می کند.
جداسازی به معنای جداسازی الکتریکی زمین آنالوگ از زمین دیجیتال نیست. آنها باید در برخی، ترجیحاً یک گره کم امپدانس به یکدیگر متصل شوند. یک سیستم زمین صحیح فقط یک زمین دارد، که پایه زمین برای سیستم های برق متناوب یا پایه زمین مشترک برای سیستم های برق AC است. ولتاژ DC(مثلا باتری). تمام جریان های سیگنال و توان در این مدار باید در یک نقطه به این زمین برگردند که به عنوان زمین سیستم عمل می کند. چنین نقطه ای ممکن است پایانه بدنه دستگاه باشد. درک این نکته مهم است که هنگام اتصال ترمینال مشترک مدار به چندین نقطه روی شاسی، می توان حلقه های زمین را تشکیل داد. ایجاد یک نقطه مشترک واحد یکپارچه سازی زمین یکی از سخت ترین جنبه های طراحی سیستم است.
در صورت امکان، پین های اتصال جداگانه ای که برای حمل جریان های برگشتی در نظر گرفته شده اند-جریان های برگشتی فقط باید در نقطه زمین سیستم ترکیب شوند. پیری کنتاکت های رابط و همچنین قطع مکرر قطعات جفت شدن آنها منجر به افزایش مقاومت در برابر تماس می شود، بنابراین، برای عملکرد مطمئن تر، لازم است از کانکتورهایی با تعداد مشخصی پین اضافی استفاده شود. بردهای مدار چاپی دیجیتال پیچیده لایه های زیادی دارند و شامل صدها یا هزاران هادی هستند. اضافه کردن یک هادی دیگر به ندرت مشکل ایجاد می کند، اما افزودن پین های اتصال اضافی باعث ایجاد مشکل می شود. اگر نمی توان این کار را انجام داد، لازم است با رعایت احتیاطات خاص، دو هادی جریان برگشتی برای هر مسیر برق روی برد ایجاد شود.
جدا کردن لاستیک ها مهم است سیگنال های دیجیتالاز مکان هایی روی برد مدار چاپی که اجزای آنالوگ مدار در آن قرار دارند. این شامل جداسازی (محافظت) توسط چند ضلعی ها، ایجاد مسیرهای سیگنال آنالوگ کوتاه، و قرار دادن دقیق اجزای غیرفعال با گذرگاه های سیگنال آنالوگ دیجیتال پرسرعت و ماموریت حیاتی مجاور است. گذرگاه های سیگنال دیجیتال باید در اطراف مناطق دارای اجزای آنالوگ هدایت شوند و با گذرگاه ها و مناطق آنالوگ و زمین آنالوگ همپوشانی نداشته باشند. اگر این کار انجام نشود، طراحی حاوی یک عنصر ناخواسته جدید - یک آنتن است که تابش آن بر اجزای آنالوگ و هادی های امپدانس بالا تأثیر می گذارد.

تقریباً همه سیگنال‌های ساعت، سیگنال‌هایی با فرکانس بالا هستند که حتی ظرفیت‌های کوچک بین ردپاها و چند ضلعی‌ها می‌توانند کوپلینگ‌های قابل توجهی ایجاد کنند. باید به خاطر داشت که نه تنها فرکانس ساعت اساسی است که می تواند مشکل ایجاد کند، بلکه هارمونیک های بالاتر آن نیز می تواند مشکل ایجاد کند.

تنها یک مورد وجود دارد که در آن لازم است سیگنال های آنالوگ و دیجیتال در یک منطقه زمین آنالوگ ترکیب شوند. مبدل های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ در محفظه هایی با پایه های زمین آنالوگ و دیجیتال قرار می گیرند. با در نظر گرفتن بحث قبلی می توان فرض کرد که پایه زمین دیجیتال و پایه زمین آنالوگ باید به ترتیب به گذرگاه های زمین دیجیتال و آنالوگ متصل شوند. با این حال، در این مورد این درست نیست.

نام پین ها (آنالوگ یا دیجیتال) فقط به ساختار داخلی مبدل، به اتصالات داخلی آن اشاره دارد. در مدار، این پایه ها باید به گذرگاه زمین آنالوگ متصل شوند. اتصال را می توان در داخل یک مدار مجتمع نیز انجام داد، اما دستیابی به مقاومت کم چنین اتصالی به دلیل محدودیت های توپولوژیکی بسیار دشوار است. بنابراین، هنگام استفاده از مبدل ها، فرض بر این است که پایه های زمین آنالوگ و دیجیتال به صورت خارجی متصل شده اند. اگر این کار انجام نشود، پارامترهای ریز مدار به طور قابل توجهی بدتر از موارد ذکر شده در مشخصات خواهد بود.

باید در نظر داشت که عناصر دیجیتال مبدل با وارد کردن نویز دیجیتال به مدارهای برق آنالوگ و زمین آنالوگ می توانند ویژگی های کیفی مدار را کاهش دهند. هنگام طراحی مبدل ها، این تاثیر منفی در نظر گرفته می شود تا قسمت دیجیتال تا حد امکان کمترین توان را مصرف کند. در همان زمان، تداخل از سوئیچینگ عناصر منطقیدر حال کاهش هستند. اگر پین های دیجیتال مبدل به شدت بارگذاری نشده باشند، سوئیچینگ داخلی معمولاً مشکل خاصی ایجاد نمی کند. هنگام طراحی PCB حاوی ADC یا DAC، باید توجه دقیقی به جدا کردن منبع تغذیه دیجیتال مبدل از زمین آنالوگ داشت.

ویژگی های فرکانس مولفه های غیرفعال

برای عملکرد مناسبمدارهای آنالوگ بسیار مهم هستند انتخاب درستاجزای غیرفعال طراحی خود را با در نظر گرفتن دقیق ویژگی های فرکانس بالای اجزای غیرفعال و قرار دادن و چیدمان اولیه آنها بر روی طرح تخته شروع کنید.

تعداد زیادی از طراحان به طور کامل محدودیت های فرکانس اجزای غیرفعال را هنگام استفاده در مدارهای آنالوگ نادیده می گیرند. این مولفه ها دارای محدوده فرکانس محدودی هستند و عملکرد آنها در خارج از محدوده فرکانس مشخص شده می تواند منجر به نتایج غیر قابل پیش بینی شود. برخی ممکن است فکر کنند که این بحث فقط به مدارهای آنالوگ پرسرعت مربوط می شود. با این حال، این دور از واقعیت است - سیگنال‌های فرکانس بالا از طریق تشعشع یا ارتباط مستقیم از طریق هادی‌ها، تأثیر زیادی بر اجزای غیرفعال مدارهای فرکانس پایین دارند. به عنوان مثال، یک فیلتر پایین گذر ساده در یک op-amp می تواند به راحتی به یک فیلتر بالا گذر تبدیل شود که در ورودی آن در معرض فرکانس بالا قرار گیرد.

مقاومت ها

سه نوع مقاومت معمولا استفاده می شود: 1) سیم پیچی، 2) کامپوزیت کربن و 3) فیلم. درک اینکه چگونه یک مقاومت سیمی را می توان به القایی تبدیل کرد، نیاز به تخیل زیادی ندارد، زیرا سیم پیچی از سیم است که از فلز با مقاومت بالا ساخته شده است. اکثر توسعه دهندگان دستگاه های الکترونیکی هیچ ایده ای در مورد ساختار داخلی مقاومت های فیلم ندارند، که آنها نیز یک سیم پیچ هستند، البته از یک فیلم فلزی ساخته شده اند. بنابراین، مقاومت های فیلم نیز اندوکتانس کمتری نسبت به مقاومت های سیمی دارند. مقاومت های فیلم با مقاومت حداکثر 2 کیلو اهم می توانند آزادانه در مدارهای فرکانس بالا استفاده شوند. پایانه های مقاومت با یکدیگر موازی هستند، بنابراین یک جفت خازنی قابل توجه بین آنها وجود دارد. برای مقاومت های با ارزش بالا، ظرفیت ترمینال به ترمینال باعث کاهش امپدانس کل در فرکانس های بالا می شود.

خازن ها

ویژگی های فرکانس بالا خازن ها را می توان با مدار معادل نشان داده شده در شکل 6 نشان داد.

خازن ها در مدارهای آنالوگ به عنوان اجزای جداکننده و فیلتر کننده استفاده می شوند.

یک خازن الکترولیتی 10 µF دارای مقاومت 1.6 اهم در 10 کیلوهرتز و 160 میکرو اهم در 100 مگاهرتز است. آیا اینطور است؟

هنگام استفاده از خازن های الکترولیتی باید دقت شود اتصال صحیح. ترمینال مثبت باید به پتانسیل ثابت مثبت تری متصل شود. اتصال نادرست باعث می شود جریان DC از خازن الکترولیتی عبور کند که می تواند نه تنها به خود خازن، بلکه به بخشی از مدار نیز آسیب برساند.

در موارد نادر، اختلاف پتانسیل DC بین دو نقطه در مدار ممکن است علامت آن را تغییر دهد. این امر مستلزم استفاده از خازن های الکترولیتی غیر قطبی است که ساختار داخلی آنها معادل دو خازن قطبی متصل به صورت سری است.

اندوکتانس

تخته مدار چاپی

خود برد مدار چاپی دارای ویژگی های اجزای غیرفعال مورد بحث در بالا است، اگرچه چندان واضح نیست.

الگوی هادی ها روی برد مدار چاپی می تواند هم منبع و هم گیرنده تداخل باشد. سیم کشی خوب حساسیت مدار آنالوگ را به منابع تابش کاهش می دهد.

برد مدار چاپی مستعد تشعشع است زیرا رساناها و سرنخ های قطعات نوعی آنتن را تشکیل می دهند. نظریه آنتن موضوعی نسبتاً پیچیده برای مطالعه است و در این مقاله به آن پرداخته نشده است. با این حال، برخی از اصول اولیه در اینجا ارائه شده است.

کمی تئوری آنتن

بر دی سییا فرکانس های پایینجزء فعال غالب است. با افزایش فرکانس، مولفه واکنشی بیشتر و بیشتر قابل توجه می شود. در محدوده 1 کیلوهرتز تا 10 کیلوهرتز، مولفه القایی شروع به اثرگذاری می کند و هادی دیگر یک اتصال دهنده با امپدانس کم نیست، بلکه بیشتر به عنوان یک سلف عمل می کند.

به طور معمول، آثار بر روی یک برد مدار چاپی دارای مقادیری از 6 nH تا 12 nH در هر سانتی متر طول هستند. به عنوان مثال، یک هادی 10 سانتی متری دارای مقاومت 57 میلی اهم و اندوکتانس 8 nH بر سانتی متر است، در فرکانس 100 کیلوهرتز، راکتانس به 50 میلی اهم می رسد و در فرکانس های بالاتر، هادی به جای مقاومتی، یک القایی خواهد بود. .

قانون یک آنتن شلاقی این است که در حدود 1/20 طول موج با میدان شروع به تعامل می کند و حداکثر تعامل در طول میله 1/4 طول موج رخ می دهد. بنابراین، هادی 10 سانتی متری مثال در پاراگراف قبل شروع به تبدیل شدن به یک آنتن خوب در فرکانس های بالای 150 مگاهرتز می کند. باید به خاطر داشت که اگرچه ژنراتور فرکانس ساعتیک مدار دیجیتال ممکن است در فرکانس های بالاتر از 150 مگاهرتز کار نکند. اگر برد مدار چاپی حاوی قطعاتی با پین های با طول قابل توجه باشد، چنین پین هایی می توانند به عنوان آنتن نیز عمل کنند.

نوع اصلی دیگر آنتن آنتن حلقه ای است. اندوکتانس یک هادی مستقیم زمانی که خم می شود و به بخشی از یک قوس تبدیل می شود بسیار افزایش می یابد. افزایش اندوکتانس فرکانس شروع تعامل آنتن با خطوط میدان را کاهش می دهد.

تئوری بازتاب و تطبیق سیگنال به نظریه آنتن ها نزدیک است.

هنگامی که هادی PCB از طریق زاویه 90 درجه می چرخد، ممکن است انعکاس سیگنال رخ دهد. این عمدتا به دلیل تغییر در عرض مسیر فعلی است. در راس گوشه، عرض ردیابی 1.414 برابر افزایش می‌یابد که منجر به عدم تطابق در ویژگی‌های خط انتقال، به‌ویژه ظرفیت خازن توزیع‌شده و اندوکتانس خود ردیابی می‌شود. اغلب لازم است یک ردی بر روی برد مدار چاپی 90 درجه بچرخانید. بسیاری از بسته های مدرن CAD به شما این امکان را می دهند که گوشه های مسیرهای ترسیم شده را صاف کنید یا مسیرها را به شکل قوس ترسیم کنید. شکل 9 دو مرحله برای بهبود شکل گوشه را نشان می دهد. فقط آخرین مثال یک عرض مسیر را ثابت نگه می دارد و بازتاب ها را به حداقل می رساند.

نکته برای طراحان PCB با تجربه: قبل از ایجاد پین های قطره ای شکل و پر کردن چند ضلعی ها، فرآیند صاف کردن را برای آخرین مرحله کار بگذارید. در غیر این صورت، بسته CAD به دلیل محاسبات پیچیده تر، زمان بیشتری برای هموارسازی خواهد داشت.

کوپلینگ خازنی بین هادی های PCB در لایه های مختلف زمانی که آنها را قطع می کنند اتفاق می افتد. گاهی اوقات این می تواند مشکل ایجاد کند. رساناهایی که روی لایه های مجاور روی هم قرار می گیرند، یک خازن فیلم بلند ایجاد می کنند.

به عنوان مثال، یک برد مدار چاپی ممکن است پارامترهای زیر را داشته باشد:
- 4 لایه؛ لایه های سیگنال و چند ضلعی زمین مجاور هستند،
- فاصله بین لایه ها - 0.2 میلی متر،
- عرض هادی - 0.75 میلی متر،
- طول هادی - 7.5 میلی متر.

ثابت دی الکتریک ER معمولی برای FR-4 4.5 است.

مقدار ظرفیت بین این دو باس 1.1 pF است. حتی چنین ظرفیت به ظاهر کوچکی برای برخی از برنامه ها غیرقابل قبول است.

دامنه سیگنال خروجی در فرکانس های نزدیک به حد بالایی محدوده فرکانس آپ امپ دو برابر می شود. این به نوبه خود می تواند به نوسان منجر شود، به خصوص در فرکانس های کاری آنتن (بالای 180 مگاهرتز).

این تأثیر باعث ایجاد مشکلات متعددی می شود که با این حال راه های زیادی برای حل آنها وجود دارد. واضح ترین آنها کاهش طول هادی ها است. راه دیگر کاهش عرض آنها است. دلیلی برای استفاده از هادی با این عرض برای اتصال سیگنال به ورودی معکوس وجود ندارد، زیرا جریان بسیار کمی از این هادی عبور می کند. کاهش طول ردیابی به 2.5 میلی متر و عرض به 0.2 میلی متر منجر به کاهش ظرفیت خازن به 0.1 pF می شود و چنین ظرفیتی دیگر منجر به افزایش قابل توجهی در پاسخ فرکانسی نخواهد شد. راه حل دیگر حذف بخشی از چند ضلعی زیر ورودی معکوس و هادی است که به آن می رود.

عرض هادی های PCB را نمی توان به طور نامحدود کاهش داد. عرض حد تعریف شده است فرآیند تکنولوژیکی، و ضخامت فویل. اگر دو هادی از نزدیک به یکدیگر عبور کنند، یک جفت خازنی و القایی بین آنها ایجاد می شود.

هادی های سیگنال نباید به موازات یکدیگر هدایت شوند، مگر در مورد خطوط دیفرانسیل یا میکرواستریپ. فاصله بین هادی ها باید حداقل سه برابر عرض هادی ها باشد.

ظرفیت بین ردپای در مدارهای آنالوگ می تواند مشکلاتی با مقادیر مقاومت بزرگ (چند مگا اهم) ایجاد کند. کوپلینگ خازنی نسبتاً بزرگ بین ورودی های معکوس و غیر معکوس یک آپ امپ می تواند به راحتی باعث نوسان مدار شود.

برای مثال، با d=0.4 میلی متر و h=1.5 میلی متر (مقادیر نسبتاً رایج)، اندوکتانس سوراخ 1.1 nH است.

به یاد داشته باشید که اگر مقاومت های زیادی در مدار وجود داشته باشد، باید به تمیز کردن برد توجه ویژه ای داشت. در طول عملیات نهایی ساخت یک برد مدار چاپی، هرگونه شار و آلودگی باقیمانده باید حذف شود. که در اخیراهنگام نصب بردهای مدار چاپی، اغلب از شارهای محلول در آب استفاده می شود. از آنجایی که مضرات کمتری دارند، به راحتی با آب پاک می شوند. اما در عین حال، شستن تخته با آب ناکافی تمیز می تواند منجر به آلودگی اضافی شود که ویژگی های دی الکتریک را بدتر می کند. بنابراین، تمیز کردن برد مدار با امپدانس بالا با آب مقطر تازه بسیار مهم است.

ایزوله سیگنال

همانطور که قبلا ذکر شد، تداخل می تواند از طریق مدارهای منبع تغذیه به قسمت آنالوگ مدار نفوذ کند. برای کاهش چنین تداخلی، از خازن های جداکننده (مسدود کننده) برای کاهش امپدانس محلی باس های قدرت استفاده می شود.

اگر نیاز به چیدمان یک برد مدار چاپی دارید که دارای قطعات آنالوگ و دیجیتال باشد، پس باید حداقل درک کمی از آن داشته باشید. مشخصات الکتریکیعناصر منطقی

یک مرحله معمولی خروجی یک عنصر منطقی شامل دو ترانزیستور است که به صورت سری به یکدیگر و همچنین بین مدارهای قدرت و زمین متصل هستند.

این ترانزیستورها به طور ایده آل به طور دقیق در آنتی فاز کار می کنند، یعنی. هنگامی که یکی از آنها باز است، در همان لحظه در زمان، دوم بسته می شود، و یا یک منطقی یا یک سیگنال منطقی صفر در خروجی تولید می کند. در حالت منطقی حالت پایدار، توان مصرفی عنصر منطقی کم است.

هنگامی که مرحله خروجی از یک حالت منطقی به حالت دیگر تغییر می کند، وضعیت به طرز چشمگیری تغییر می کند. در این حالت، برای مدت کوتاهی، هر دو ترانزیستور می توانند به طور همزمان باز شوند و جریان تغذیه مرحله خروجی به شدت افزایش می یابد، زیرا مقاومت مسیر جریان از گذرگاه برق به گذرگاه زمین از طریق دو ترانزیستور متصل به سری. کاهش می دهد. مصرف برق به طور ناگهانی افزایش می یابد و سپس کاهش می یابد که منجر به تغییر موضعی ولتاژ تغذیه و وقوع یک تغییر شدید و کوتاه مدت در جریان می شود. این تغییرات در جریان منجر به انتشار انرژی فرکانس رادیویی می شود. حتی روی یک برد مدار چاپی نسبتاً ساده ممکن است دهها یا صدها مرحله خروجی از عناصر منطقی در نظر گرفته شود، بنابراین تأثیر کلی عملکرد همزمان آنها می تواند بسیار زیاد باشد.

پیش بینی دقیق محدوده فرکانسی که این نوسانات جریان در آن رخ می دهد غیرممکن است، زیرا فرکانس وقوع آنها به عوامل زیادی از جمله تأخیر انتشار ترانزیستورهای سوئیچینگ عنصر منطقی بستگی دارد. تأخیر، به نوبه خود، به دلایل تصادفی زیادی نیز بستگی دارد که در طول فرآیند تولید به وجود می آیند. نویز سوئیچینگ دارای توزیع پهنای باند اجزای هارمونیک در کل محدوده است. روش های مختلفی برای سرکوب نویز دیجیتال وجود دارد که کاربرد آنها به توزیع طیفی نویز بستگی دارد.

جدول 2 حداکثر فرکانس های کاری را برای انواع خازن های رایج نشان می دهد.

جدول 2

از جدول مشخص است که خازن های الکترولیتی تانتالیوم برای فرکانس های زیر 1 مگاهرتز استفاده می شود، خازن های سرامیکی باید استفاده شود. یادآوری این نکته مهم است که خازن ها رزونانس خاص خود را دارند و انتخاب نادرست آنها ممکن است نه تنها کمکی نکند، بلکه مشکل را تشدید کند. شکل 15 خود تشدید معمولی دو خازن معمولی - 10 میکروF تانتالیوم الکترولیتی و 0.01 μF سرامیک را نشان می دهد.

مشخصات واقعی ممکن است بین سازنده های مختلف و حتی از دسته ای به دسته دیگر در همان سازنده متفاوت باشد. مهم است که درک کنید که برای کار کارآمددر خازن، فرکانس هایی که سرکوب می کند باید در محدوده کمتری نسبت به فرکانس تشدید خود باشد. در غیر این صورت، ماهیت راکتانس القایی خواهد بود و خازن دیگر به طور موثر کار نخواهد کرد.

اشتباه نکنید که یک خازن 0.1 µF تمام فرکانس ها را سرکوب می کند. خازن های کوچک (10 nF یا کمتر) می توانند با کارایی بیشتری در فرکانس های بالاتر کار کنند.

جداسازی برق آی سی

جدا کردن منبع تغذیه مدارهای مجتمع برای سرکوب نویز فرکانس بالا شامل استفاده از یک یا چند خازن متصل بین پایه های برق و زمین است. مهم است که هادی های اتصال دهنده ها به خازن ها کوتاه باشند. اگر اینطور نباشد، خود القایی هادی ها نقش بسزایی دارد و مزایای استفاده از خازن های جداکننده را نفی می کند.

یک خازن جداکننده باید به هر بسته تراشه وصل شود، مهم نیست که چند عدد باشد تقویت کننده های عملیاتیدر داخل کیس واقع شده است - 1، 2 یا 4. اگر آپ امپ تغذیه شود منبع تغذیه دوقطبی، پس ناگفته نماند که خازن های جداکننده باید در هر پایه پاور قرار گیرند. مقدار خازن باید با دقت بسته به نوع نویز و تداخل موجود در مدار انتخاب شود.

در موارد به خصوص دشوار، ممکن است لازم باشد که یک سلف متصل به صورت سری به خروجی برق اضافه شود. اندوکتانس باید قبل از خازن ها باشد نه بعد از آن.

راه دیگر و ارزان تر، جایگزینی اندوکتانس با مقاومتی با مقاومت کم (10...100 اهم) است. در این حالت، همراه با خازن جداکننده، مقاومت یک فیلتر پایین گذر را تشکیل می دهد. این روش محدوده منبع تغذیه op-amp را کاهش می دهد که همچنین بیشتر به مصرف برق وابسته می شود.

به طور معمول، برای سرکوب نویز فرکانس پایین در مدارهای قدرت، استفاده از یک یا چند خازن الکترولیتی آلومینیومی یا تانتالیومی در کانکتور ورودی برق کافی است. یک خازن سرامیکی اضافی تداخل فرکانس بالا را از سایر بردها سرکوب می کند.

جداسازی سیگنال های ورودی و خروجی

بسیاری از مشکلات نویز ناشی از اتصال مستقیم پایه های ورودی و خروجی است. در نتیجه محدودیت‌های فرکانس بالا اجزای غیرفعال، پاسخ مدار هنگام قرار گرفتن در معرض نویز فرکانس بالا می‌تواند کاملاً غیرقابل پیش‌بینی باشد.

در شرایطی که محدوده فرکانس نویز القایی به طور قابل توجهی با محدوده فرکانس مدار متفاوت است، راه حل ساده و واضح است - قرار دادن یک فیلتر RC غیرفعال برای سرکوب تداخل فرکانس بالا. با این حال، هنگام استفاده از فیلتر غیرفعال، باید مراقب باشید: ویژگی های آن (به دلیل ویژگی های فرکانس غیر ایده آل اجزای غیرفعال) در فرکانس های 100 ... 1000 برابر بیشتر از فرکانس قطع (f3db) خواص خود را از دست می دهند. هنگام استفاده از فیلترهای متصل به سری که در محدوده فرکانس های مختلف تنظیم شده اند، فیلتر فرکانس بالاتر باید نزدیک به منبع تداخل باشد. از القاگرهای حلقه فریت نیز می توان برای سرکوب نویز استفاده کرد. آنها ماهیت القایی مقاومت را تا یک فرکانس مشخص حفظ می کنند و بالاتر از آن مقاومت آنها فعال می شود.

تداخل در مدار آنالوگ می تواند به قدری زیاد باشد که خلاص شدن از شر آن غیرممکن باشد (یا مطابق با حداقل، کاهش) از آنها فقط از طریق استفاده از صفحه نمایش امکان پذیر است. برای عملکرد موثر، باید به دقت طراحی شوند تا فرکانس هایی که بیشترین مشکل را ایجاد می کنند نتوانند وارد مدار شوند. این بدان معنی است که صفحه نمایش نباید دارای سوراخ یا بریدگی بزرگتر از 1/20 طول موج تابش غربال شده باشد. تخصیص فضای کافی برای سپر پیشنهادی از همان ابتدای طراحی PCB ایده خوبی است. هنگام استفاده از محافظ، می توانید به صورت اختیاری از حلقه های فریت (یا مهره ها) برای تمام اتصالات به مدار استفاده کنید.

موارد تقویت کننده عملیاتی

معمولاً یک، دو یا چهار تقویت کننده عملیاتی در یک بسته قرار می گیرند.

یک آپ امپ تک اغلب دارای ورودی های اضافی نیز می باشد، به عنوان مثال برای تنظیم ولتاژ افست. آمپلی فایرهای دوگانه و کواد آپ فقط دارای ورودی و خروجی معکوس و غیر معکوس هستند. بنابراین در صورت نیاز به تنظیمات اضافی، استفاده از تقویت کننده های تک عملیاتی ضروری است. هنگام استفاده از خروجی های اضافی، باید به یاد داشته باشید که از نظر ساختار آنها ورودی های کمکی هستند، بنابراین باید با دقت و مطابق با توصیه های سازنده کنترل شوند.

در یک آپ امپ تک، خروجی در سمت مخالف ورودی ها قرار می گیرد. این امر می تواند کارکرد تقویت کننده را در فرکانس های بالا به دلیل هادی های بلند دشوار کند بازخورد. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل، قرار دادن تقویت‌کننده و اجزای بازخورد در طرف‌های مختلف PCB است. با این حال، این منجر به حداقل دو سوراخ و برش اضافی در چند ضلعی زمین می شود. گاهی اوقات حتی اگر از تقویت کننده دوم استفاده نشود (و پایه های آن باید به درستی وصل شوند) برای حل این مشکل ارزش دارد که از یک آمپلی فایر دوگانه استفاده کنید.

آمپلی فایرهای دوگانه به ویژه در تقویت کننده های استریو رایج هستند و آمپلی فایرهای چهارگانه در مدارهای فیلتر چند مرحله ای استفاده می شوند. با این حال، یک نقطه ضعف نسبتا قابل توجهی برای این وجود دارد. حتی اگر فناوری مدرن انزوای مناسبی را بین سیگنال‌های تقویت‌کننده در همان تراشه سیلیکونی ایجاد می‌کند، هنوز هم تداخلی بین آنها وجود دارد. اگر لازم است که چنین تداخلی به مقدار بسیار کمی وجود داشته باشد، باید از تقویت کننده های تک عملیاتی استفاده کرد. Crosstalk تنها در هنگام استفاده از تقویت کننده های دوگانه یا چهارگانه رخ نمی دهد. منبع آنها می تواند نزدیکی بسیار نزدیک اجزای غیرفعال کانال های مختلف باشد.

آپ امپ دوگانه و چهارگانه، علاوه بر موارد فوق، امکان نصب متراکم تری را فراهم می کند. به نظر می رسد تقویت کننده های جداگانه نسبت به یکدیگر تصویر آینه ای هستند.
توجه به این نکته ضروری است که هادی های درایور ولتاژ نیمه تغذیه مستقیماً در زیر محفظه مدار مجتمع قرار دارند که باعث کاهش طول آنها می شود. این مثال نه آنچه باید باشد، بلکه آنچه باید انجام شود را نشان می دهد. به عنوان مثال، ولتاژ سطح متوسط می تواند برای هر چهار تقویت کننده یکسان باشد. اجزای غیرفعال می توانند بر این اساس اندازه شوند. برای مثال، اجزای مسطح با اندازه قاب 0402 با فاصله پین‌های یک بسته استاندارد SO مطابقت دارند. این اجازه می دهد تا طول هادی برای کاربردهای فرکانس بالا بسیار کوتاه نگه داشته شود.

هنگام قرار دادن آپ امپ در پکیج های DIP و قطعات غیرفعال با سیم های سربی، برای نصب آنها باید via هایی بر روی برد مدار چاپی ارائه شود. چنین قطعاتی در حال حاضر زمانی استفاده می شوند که الزامات خاصی برای ابعاد برد مدار چاپی وجود نداشته باشد. آنها معمولا ارزان تر هستند، اما هزینه برد مدار چاپی در طول فرآیند تولید به دلیل حفاری سوراخ های اضافی برای سرنخ های قطعات افزایش می یابد.

علاوه بر این، هنگام استفاده از قطعات خارجی، ابعاد برد و طول هادی ها افزایش می یابد، که اجازه نمی دهد مدار در فرکانس های بالا کار کند. Vias ها اندوکتانس خاص خود را دارند که ویژگی های دینامیکی مدار را نیز محدود می کند. بنابراین، اجزای سربار برای اجرای مدارهای فرکانس بالا یا مدارهای آنالوگ که نزدیک به مدارهای منطقی با سرعت بالا قرار دارند توصیه نمی شود.

برخی از طراحان، در تلاش برای کاهش طول هادی ها، مقاومت ها را به صورت عمودی قرار می دهند. در نگاه اول ممکن است به نظر برسد که این باعث کوتاه شدن طول مسیر می شود. با این حال، این مسیر جریان را از طریق مقاومت افزایش می دهد و خود مقاومت نشان دهنده یک حلقه (چرخش اندوکتانس) است. توانایی انتشار و دریافت چندین برابر افزایش می یابد.

نصب سطحی نیازی به سوراخ برای هر سرب جزء ندارد. با این حال، هنگام تست مدار، مشکلاتی به وجود می آید و استفاده از vias به عنوان نقاط تست، به خصوص در هنگام استفاده از قطعات کوچک ضروری است.

بخش های OP-AMP استفاده نشده

هنگام استفاده از آپ امپ دوگانه و چهارگانه در مدار، ممکن است برخی از بخش ها بلااستفاده بمانند و در این حالت باید به درستی وصل شوند. اتصالات نادرست می تواند منجر به افزایش مصرف برق، گرمای بیشتر و نویز بیشتر از آپ امپ های استفاده شده در همان پکیج شود. پین های آپ امپ بلااستفاده را می توان به این صورت متصل کرد: خروجی تقویت کننده به ورودی معکوس متصل می شود.

نتیجه

هنگام طراحی و سیم کشی مدارهای آنالوگ، نکات اساسی زیر را به خاطر بسپارید و همیشه آنها را در نظر داشته باشید.

PCB را به عنوان یک جزء در نظر بگیرید نمودار الکتریکی;
داشتن آگاهی و درک از منابع نویز و تداخل؛
مدارهای مدل و چیدمان

تخته مدار چاپی:

از بردهای مدار چاپی فقط از مواد با کیفیت استفاده کنید (به عنوان مثال FR-4).
مدارهای ساخته شده بر روی بردهای مدار چاپی چندلایه نسبت به مدارهای ساخته شده بر روی بردهای دولایه 20 دسی بل کمتر در معرض تداخل خارجی هستند.
استفاده از چند ضلعی های مجزا و بدون همپوشانی برای زمین ها و خوراک های مختلف.
چند ضلعی های زمین و قدرت را روی لایه های داخلی PCB قرار دهید.

اجزاء:

از محدودیت های فرکانس معرفی شده توسط اجزای غیرفعال و ردیابی برد آگاه باشید.
سعی کنید از قرار دادن عمودی اجزای غیرفعال در مدارهای پرسرعت خودداری کنید.
برای مدارهای فرکانس بالا، از قطعات طراحی شده برای نصب روی سطح استفاده کنید.
هادی ها باید کوتاه تر باشند، بهتر.
اگر طول هادی بزرگتر مورد نیاز است، عرض آن را کاهش دهید.
پین های استفاده نشده اجزای فعال باید به درستی متصل شوند.

سیم کشی:

مدار آنالوگ را نزدیک کانکتور برق قرار دهید.
هرگز هادی هایی را که سیگنال های منطقی را از طریق ناحیه آنالوگ برد منتقل می کنند و بالعکس هدایت نکنید.
هادی ها را برای ورودی معکوس اتصال کوتاه عملیات آمپر مناسب کنید.
اطمینان حاصل کنید که هادی های ورودی های معکوس و غیر معکوس op-amp در فاصله طولانی به موازات یکدیگر قرار نگرفته اند.
سعی کنید از استفاده از vias اضافی اجتناب کنید، زیرا ... اندوکتانس خود آنها ممکن است مشکلات اضافی ایجاد کند.
هادی ها را در زوایای قائم قرار ندهید و در صورت امکان قسمت بالای گوشه ها را صاف کنید.

تبادل:

از انواع صحیح خازن ها برای سرکوب نویز در مدارهای منبع تغذیه استفاده کنید.
برای سرکوب تداخل و نویز فرکانس پایین، از خازن های تانتالیوم در کانکتور ورودی برق استفاده کنید.
برای سرکوب تداخل و نویز فرکانس بالا، از خازن های سرامیکی در کانکتور ورودی برق استفاده کنید.
از خازن های سرامیکی در هر پایه برق ریز مدار استفاده کنید. در صورت لزوم، از چندین خازن برای متفاوت استفاده کنید محدوده های فرکانس;
اگر تحریک در مدار رخ دهد، لازم است از خازن هایی با مقدار ظرفیت کمتر و نه بزرگتر استفاده شود.
در موارد دشوار، از مقاومت های متصل به سری با مقاومت کم یا اندوکتانس در مدارهای قدرت استفاده کنید.
خازن های جداکننده برق آنالوگ فقط باید به زمین آنالوگ وصل شوند نه به زمین دیجیتال.

بازدید: 17115

PCB های چند لایه

برای طراحی مدارهای حیاتی، بردهای مدار چاپی چندلایه (MPB) مورد نیاز است. برخی از دلایل استفاده از آنها واضح است:

توزیع اتوبوس های برق به اندازه اتوبوس سیمی معمولی راحت است. اگر از چند ضلعی ها در یک لایه جداگانه به عنوان گذرگاه برق استفاده شود، تامین برق به هر عنصر مدار با استفاده از vias بسیار ساده است.
لایه های سیگنال از گذرگاه های برق آزاد می شوند که سیم کشی سیگنال را تسهیل می کند
خازن توزیع شده بین زمین و چند ضلعی قدرت ظاهر می شود که نویز فرکانس بالا را کاهش می دهد.

علاوه بر این دلایل برای استفاده از بردهای مدار چاپی چند لایه، دلایل دیگری نیز وجود دارد که کمتر آشکار است:

سرکوب الکترومغناطیسی بهتر ( EMI) و فرکانس رادیویی ( RFI) تداخل ناشی از اثر بازتاب ( افکت صفحه تصویر، شناخته شده به زمان مارکونی. هنگامی که یک هادی نزدیک به یک سطح رسانا صاف قرار می گیرد، بیشتر جریان های برگشتی فرکانس بالا در امتداد صفحه مستقیماً زیر هادی جریان می یابد. جهت این جریان ها برخلاف جهت جریان ها در هادی خواهد بود. بنابراین، انعکاس هادی در هواپیما یک خط انتقال سیگنال ایجاد می کند. از آنجایی که جریان ها در هادی و صفحه از نظر بزرگی برابر و در جهت مخالف هستند، مقداری کاهش در تداخل تابشی ایجاد می شود. افکت انعکاس فقط با چند ضلعی های جامد شکسته نشده کار می کند (اینها می توانند هم چند ضلعی زمینی و هم چند ضلعی قدرت باشند). هر گونه از دست دادن یکپارچگی منجر به کاهش تداخل خواهد شد.
کاهش هزینه کلی برای تولید در مقیاس کوچک. اگرچه ساخت PCB های چند لایه گران تر است، اما تابش بالقوه آنها کمتر از PCB های تک لایه و دو لایه است. بنابراین، در برخی موارد، فقط استفاده از تخته های چند لایه به شما این امکان را می دهد که الزامات انتشار تعیین شده در طول طراحی را بدون آزمایش و آزمایش اضافی برآورده کنید. استفاده از MPP می تواند سطح تداخل تشعشعی را تا 20 دسی بل در مقایسه با بردهای دولایه کاهش دهد.

ترتیب لایه ها

یکی دیگر از مزایای قرار دادن لایه های سیگنال در خارج، در دسترس بودن سیگنال ها برای آزمایش و همچنین امکان تغییر اتصالات است. هر کسی که تا به حال اتصالات هادی های واقع در لایه های داخلی را تغییر داده است از این فرصت قدردانی خواهد کرد.

زمین کردن

زمین خوب یک نیاز کلی برای یک سیستم غنی و چند سطحی است. و باید از اولین گام توسعه طراحی برنامه ریزی شود.

قانون اساسی: تقسیم زمین.

تقسیم زمین به قطعات آنالوگ و دیجیتال یکی از ساده ترین و موثرترین روش های کاهش نویز است. یک یا چند لایه از برد مدار چاپی چند لایه معمولاً به لایه ای از چندضلعی های زمین اختصاص داده می شود. اگر توسعه دهنده خیلی با تجربه یا بی توجه نباشد، زمین قسمت آنالوگ مستقیماً به این چند ضلعی ها متصل می شود، یعنی. برگشت جریان آنالوگ از همان مدار جریان برگشتی دیجیتال استفاده می کند. توزیع کنندگان خودکار تقریباً به همین شکل کار می کنند و همه زمین ها را با هم متحد می کنند.

قوانین دیگر برای تشکیل زمین:

تقریباً همه سیگنال‌های ساعت، سیگنال‌هایی با فرکانس بالا هستند که حتی ظرفیت‌های کوچک بین ردپاها و چند ضلعی‌ها می‌توانند کوپلینگ‌های قابل توجهی ایجاد کنند. باید به خاطر داشت که نه تنها فرکانس کلاک اساسی می تواند مشکل ایجاد کند، بلکه هارمونیک های بالاتر آن نیز می تواند مشکل ایجاد کند.

شکل 4 نشان می دهد نوع ممکنقرار دادن تمام قطعات روی برد از جمله منبع تغذیه. این از سه صفحه زمین/قدرت مجزا و ایزوله استفاده می کند: یکی برای منبع، یکی برای مدار دیجیتال و دیگری برای مدار آنالوگ. مدارهای زمین و برق قطعات آنالوگ و دیجیتال فقط در منبع تغذیه ترکیب می شوند. نویز فرکانس بالا در مدارهای برق توسط چوک ها فیلتر می شود. در این مثال سیگنال های فرکانس بالا قسمت آنالوگ و دیجیتال از یکدیگر جدا شده اند. این طرح دارای احتمال بسیار بالایی برای نتیجه مطلوب است، زیرا قرار دادن خوب قطعات و رعایت قوانین جداسازی مدار را تضمین می کند.

نام پین ها (آنالوگ یا دیجیتال) فقط به ساختار داخلی مبدل، به اتصالات داخلی آن اشاره دارد. در مدار، این پین ها باید به گذرگاه زمین آنالوگ متصل شوند. اتصال را می توان در داخل یک مدار مجتمع نیز انجام داد، اما دستیابی به مقاومت کم چنین اتصالی به دلیل محدودیت های توپولوژیکی بسیار دشوار است. بنابراین، هنگام استفاده از مبدل ها، فرض بر این است که پایه های زمین آنالوگ و دیجیتال به صورت خارجی متصل شده اند. اگر این کار انجام نشود، پارامترهای ریز مدار به طور قابل توجهی بدتر از موارد ذکر شده در مشخصات خواهد بود.

باید در نظر داشت که عناصر دیجیتال مبدل با وارد کردن نویز دیجیتال به مدارهای برق آنالوگ و زمین آنالوگ می توانند ویژگی های کیفی مدار را کاهش دهند. هنگام طراحی مبدل ها، این تاثیر منفی در نظر گرفته می شود تا قسمت دیجیتال تا حد امکان کمترین توان را مصرف کند. در عین حال، تداخل عناصر منطقی سوئیچینگ کاهش می یابد. اگر پین های دیجیتال مبدل به شدت بارگذاری نشده باشند، سوئیچینگ داخلی معمولاً مشکل خاصی ایجاد نمی کند. هنگام طراحی PCB حاوی ADC یا DAC، باید توجه دقیقی به جدا کردن منبع تغذیه دیجیتال مبدل از زمین آنالوگ داشت.

ویژگی های فرکانس اجزای غیرفعال

انتخاب صحیح اجزای غیرفعال برای عملکرد صحیح مدارهای آنالوگ ضروری است. طراحی خود را با در نظر گرفتن دقیق ویژگی های فرکانس بالای اجزای غیرفعال و قرار دادن و چیدمان اولیه آنها بر روی طرح تخته شروع کنید.

مقاومت ها

ویژگی های فرکانس بالا مقاومت ها را می توان با مدار معادل نشان داده شده در شکل 5 نشان داد.

خازن ها

ویژگی های فرکانس بالا خازن ها را می توان با مدار معادل نشان داده شده در شکل 6 نشان داد.

خازن ها در مدارهای آنالوگ به عنوان اجزای جداکننده و فیلتر کننده استفاده می شوند. برای یک خازن ایده آل، راکتانس با فرمول زیر تعیین می شود:

بنابراین، یک خازن الکترولیتی 10 µF مقاومتی برابر با 1.6 اهم در 10 کیلوهرتز و 160 میکرو اهم در 100 مگاهرتز خواهد داشت. آیا اینطور است؟

هنگام استفاده از خازن های الکترولیتی، باید مراقب اتصال صحیح باشد. ترمینال مثبت باید به پتانسیل ثابت مثبت تری متصل شود. اتصال نادرست باعث می شود جریان DC از خازن الکترولیتی عبور کند که می تواند نه تنها به خود خازن، بلکه به بخشی از مدار نیز آسیب برساند.

اندوکتانس

ویژگی های فرکانس بالا سلف ها را می توان با مدار معادل نشان داده شده در شکل 7 نشان داد.

راکتانس اندوکتانس با فرمول زیر توصیف می شود:

بنابراین، یک اندوکتانس 10 mH دارای راکتانس 628 اهم در 10 کیلوهرتز و راکتانس 6.28 مگا اهم در 100 مگاهرتز خواهد بود. درست؟

خود برد مدار چاپی دارای ویژگی های اجزای غیرفعال مورد بحث در بالا است، اگرچه چندان واضح نیست.

کمی تئوری آنتن

در جریان مستقیم یا فرکانس های پایین، جزء فعال غالب است. با افزایش فرکانس، مولفه واکنشی بیشتر و بیشتر قابل توجه می شود. در محدوده 1 کیلوهرتز تا 10 کیلوهرتز، مولفه القایی شروع به اثرگذاری می کند و هادی دیگر یک اتصال دهنده با امپدانس کم نیست، بلکه بیشتر به عنوان یک سلف عمل می کند.

فرمول محاسبه اندوکتانس هادی PCB به شرح زیر است:

قانون یک آنتن شلاقی این است که در حدود 1/20 طول موج با میدان شروع به تعامل می کند و حداکثر تعامل در طول میله 1/4 طول موج رخ می دهد. بنابراین، هادی 10 سانتی متری مثال در پاراگراف قبل شروع به تبدیل شدن به یک آنتن خوب در فرکانس های بالای 150 مگاهرتز می کند. باید به خاطر داشت که علیرغم این واقعیت که مولد ساعت یک مدار دیجیتال ممکن است در فرکانس های بالاتر از 150 مگاهرتز کار نکند، هارمونیک های بالاتر همیشه در سیگنال آن وجود دارد. اگر برد مدار چاپی حاوی قطعاتی با پین های با طول قابل توجهی باشد، چنین پین هایی می توانند به عنوان آنتن نیز عمل کنند.

طراحان PCB باتجربه با درک منطقی از تئوری آنتن حلقه نمی دانند که حلقه برای سیگنال های بحرانی طراحی نکنند. اما برخی از طراحان به این موضوع فکر نمی کنند و هادی های جریان برگشتی و سیگنال در مدارهای آنها حلقه هستند. ایجاد آنتن های حلقه به راحتی با یک مثال نشان داده می شود (شکل 8). علاوه بر این، ایجاد یک آنتن اسلات در اینجا نشان داده شده است.

بیایید سه مورد را در نظر بگیریم:

گزینه A نمونه ای از طراحی بد است. اصلاً از چند ضلعی زمین آنالوگ استفاده نمی کند. مدار حلقه توسط زمین و هادی سیگنال تشکیل می شود. با عبور جریان، یک میدان الکتریکی و یک میدان مغناطیسی عمود بر آن ایجاد می شود. این فیلدها اساس آنتن حلقه را تشکیل می دهند. قانون آنتن حلقه بیان می کند که برای بهترین بازده، طول هر هادی باید برابر با نصف طول موج تابش دریافتی باشد. با این حال، نباید فراموش کنیم که حتی در 1/20 طول موج، آنتن حلقه هنوز کاملاً مؤثر است.

گزینه B بهتر از گزینه A است، اما یک شکاف در چند ضلعی وجود دارد، احتمالاً برای ایجاد یک مکان خاص برای مسیریابی هادی های سیگنال. مسیرهای سیگنال و جریان برگشتی یک آنتن شیار را تشکیل می دهند. حلقه های دیگری در برش های اطراف تراشه ها تشکیل می شود.

گزینه B نمونه ای از طراحی بهتر است. مسیرهای سیگنال و جریان برگشتی بر هم منطبق هستند و کارایی آنتن حلقه را نفی می کنند. توجه داشته باشید که این طرح دارای برش هایی در اطراف تراشه ها نیز می باشد اما از مسیر جریان برگشتی جدا شده اند.

تئوری بازتاب و تطبیق سیگنال به نظریه آنتن ها نزدیک است.

به عنوان مثال، یک برد مدار چاپی ممکن است پارامترهای زیر را داشته باشد:

4 لایه؛ لایه های چند ضلعی سیگنال و زمین مجاور هستند
فاصله بین لایه ها - 0.2 میلی متر
عرض هادی - 0.75 میلی متر
طول هادی - 7.5 میلی متر

ثابت دی الکتریک ER معمولی برای FR-4 4.5 است.

مشاهده می شود که دامنه سیگنال خروجی در فرکانس های نزدیک به حد بالایی محدوده فرکانس op-amp دو برابر می شود. این به نوبه خود می تواند به نوسان منجر شود، به خصوص در فرکانس های کاری آنتن (بالای 180 مگاهرتز).

عرض هادی های PCB را نمی توان به طور نامحدود کاهش داد. حداکثر عرض هم توسط فرآیند تکنولوژیکی و هم ضخامت فویل تعیین می شود. اگر دو هادی از نزدیک به یکدیگر عبور کنند، آنگاه یک جفت خازنی و القایی بین آنها تشکیل می شود (شکل 12).

برای مثال، با d=0.4 میلی متر و h=1.5 میلی متر (مقادیر نسبتاً رایج)، اندوکتانس سوراخ 1.1 nH است.

به یاد داشته باشید که اگر مقاومت های زیادی در مدار وجود داشته باشد، باید به تمیز کردن برد توجه ویژه ای داشت. در طول عملیات نهایی ساخت یک برد مدار چاپی، هرگونه شار و آلودگی باقیمانده باید حذف شود. اخیراً هنگام نصب بردهای مدار چاپی، اغلب از شارهای محلول در آب استفاده می شود. از آنجایی که مضرات کمتری دارند، به راحتی با آب پاک می شوند. اما در عین حال، شستن تخته با آب ناکافی تمیز می تواند منجر به آلودگی اضافی شود که ویژگی های دی الکتریک را بدتر می کند. بنابراین، تمیز کردن برد مدار با امپدانس بالا با آب مقطر تازه بسیار مهم است.

جداسازی سیگنال

اگر نیاز به چیدمان یک برد مدار چاپی دارید که روی آن هر دو قسمت آنالوگ و دیجیتال وجود دارد، باید حداقل درک کمی از ویژگی های الکتریکی عناصر منطقی داشته باشید.

یک مرحله معمولی خروجی یک عنصر منطقی شامل دو ترانزیستور است که به صورت سری به یکدیگر و همچنین بین مدارهای قدرت و زمین متصل شده اند (شکل 14).

جدول 2 حداکثر فرکانس های کاری را برای انواع خازن های رایج نشان می دهد.

جدول 2

مشخصات واقعی ممکن است بین سازنده های مختلف و حتی از دسته ای به دسته دیگر در همان سازنده متفاوت باشد. درک این نکته مهم است که برای اینکه یک خازن به طور مؤثر کار کند، فرکانس هایی که سرکوب می کند باید در محدوده کمتری نسبت به فرکانس تشدید خود باشد. در غیر این صورت، ماهیت راکتانس القایی خواهد بود و خازن دیگر به طور موثر کار نخواهد کرد.

جداسازی برق آی سی

یک خازن جداکننده باید به هر بسته تراشه متصل شود، صرف نظر از اینکه 1، 2 یا 4 آپ امپ در داخل بسته وجود دارد، اگر آپمپ دوگانه باشد، ناگفته نماند که خازن های جداسازی باید در محل قرار گیرند. هر پایه پاور مقدار خازن باید با دقت بسته به نوع نویز و تداخل موجود در مدار انتخاب شود.

جداسازی سیگنال های ورودی و خروجی

در شرایطی که محدوده فرکانس نویز القایی به طور قابل توجهی با محدوده فرکانس مدار متفاوت است، راه حل ساده و واضح است - قرار دادن یک فیلتر RC غیرفعال برای سرکوب تداخل فرکانس بالا. با این حال، هنگام استفاده از فیلتر غیرفعال، باید مراقب باشید: ویژگی های آن (به دلیل ویژگی های فرکانس غیر ایده آل اجزای غیرفعال) در فرکانس های 100 ... 1000 برابر بیشتر از فرکانس قطع (f 3db) خواص خود را از دست می دهند. هنگام استفاده از فیلترهای متصل به سری که در محدوده فرکانس های مختلف تنظیم شده اند، فیلتر فرکانس بالاتر باید نزدیک به منبع تداخل باشد. از القاگرهای حلقه فریت نیز می توان برای سرکوب نویز استفاده کرد. آنها ماهیت القایی مقاومت را تا یک فرکانس مشخص حفظ می کنند و بالاتر از آن مقاومت آنها فعال می شود.

تداخل در مدار آنالوگ می تواند آنقدر زیاد باشد که تنها با استفاده از صفحه نمایش می توان از شر آن خلاص شد (یا حداقل آن را کاهش داد). برای عملکرد موثر، باید به دقت طراحی شوند تا فرکانس هایی که بیشترین مشکل را ایجاد می کنند نتوانند وارد مدار شوند. این بدان معنی است که صفحه نمایش نباید دارای سوراخ یا بریدگی بزرگتر از 1/20 طول موج تابش غربال شده باشد. تخصیص فضای کافی برای سپر پیشنهادی از همان ابتدای طراحی PCB ایده خوبی است. هنگام استفاده از محافظ، می توانید به صورت اختیاری از حلقه های فریت (یا مهره ها) برای تمام اتصالات به مدار استفاده کنید.

محفظه های تقویت کننده عملیات

یک، دو یا چهار تقویت کننده عملیاتی معمولاً در یک بسته قرار می گیرند (شکل 16).

در یک آپ امپ تک، خروجی در سمت مخالف ورودی ها قرار می گیرد. این می تواند کارکرد تقویت کننده در فرکانس های بالا را به دلیل خطوط بازخورد طولانی دشوار کند. یکی از راه‌های غلبه بر این مشکل، قرار دادن تقویت‌کننده و اجزای بازخورد در طرف‌های مختلف PCB است. با این حال، این منجر به حداقل دو سوراخ و برش اضافی در چند ضلعی زمین می شود. گاهی اوقات حتی اگر از تقویت کننده دوم استفاده نشود (و پایه های آن باید به درستی وصل شوند) برای حل این مشکل ارزش دارد که از یک آمپلی فایر دوگانه استفاده کنید. شکل 17 کاهش طول هادی های مدار بازخورد را برای اتصال معکوس نشان می دهد.

آپ امپ دوگانه و چهارگانه، علاوه بر موارد فوق، امکان نصب متراکم تری را فراهم می کند. به نظر می رسد تقویت کننده های جداگانه نسبت به یکدیگر تصویر آینه ای هستند (شکل 18).

شکل‌های 17 و 18 همه اتصالات مورد نیاز برای عملکرد عادی را نشان نمی‌دهند، مانند درایور سطح متوسط که منبع تغذیه تک قطبی. شکل 19 نمودار چنین شکل دهنده ای را هنگام استفاده از تقویت کننده چهارگانه نشان می دهد.

نمودار تمام اتصالات لازم برای اجرای سه مرحله وارونگی مستقل را نشان می دهد. توجه به این نکته ضروری است که هادی های درایور ولتاژ نیمه تغذیه مستقیماً در زیر محفظه مدار مجتمع قرار دارند که باعث کاهش طول آنها می شود. این مثال نه آنچه باید باشد، بلکه آنچه باید انجام شود را نشان می دهد. به عنوان مثال، ولتاژ سطح متوسط می تواند برای هر چهار تقویت کننده یکسان باشد. اجزای غیرفعال می توانند بر این اساس اندازه شوند. برای مثال، اجزای مسطح با اندازه قاب 0402 با فاصله پین‌های یک بسته استاندارد SO مطابقت دارند. این اجازه می دهد تا طول هادی برای کاربردهای فرکانس بالا بسیار کوتاه نگه داشته شود.

بخش های استفاده نشده

هنگام استفاده از آپ امپ دوگانه و چهارگانه در مدار، ممکن است برخی از بخش ها بلااستفاده بمانند و در این حالت باید به درستی وصل شوند. اتصالات نادرست می تواند منجر به افزایش مصرف برق، گرمای بیشتر و نویز بیشتر از آپ امپ های استفاده شده در همان پکیج شود. پایه های تقویت کننده های عملیاتی استفاده نشده را می توان همانطور که در شکل نشان داده شده است وصل کرد. ساعت 20 اتصال پین ها با اجزای اضافی (شکل 20b) استفاده از این آپ امپ را در طول راه اندازی آسان می کند.

نتیجه

هنگام طراحی و سیم کشی مدارهای آنالوگ، نکات اساسی زیر را به خاطر بسپارید و همیشه آنها را در نظر داشته باشید.

معمول هستند:

PCB را به عنوان یک جزء مدار الکتریکی در نظر بگیرید
از منابع نویز و تداخل آگاهی و درک داشته باشند
مدارهای مدل و چیدمان

تخته مدار چاپی:

از PCB ها فقط از مواد با کیفیت استفاده کنید (به عنوان مثال FR-4)
مدارهای ساخته شده بر روی بردهای مدار چاپی چند لایه نسبت به مدارهای ساخته شده بر روی بردهای دو لایه 20 دسی بل کمتر در معرض تداخل خارجی هستند.
از چند ضلعی های جدا شده و بدون همپوشانی برای زمین ها و خوراک های مختلف استفاده کنید
چند ضلعی های زمین و قدرت را روی لایه های داخلی PCB قرار دهید.

اجزاء:

از محدودیت های فرکانس معرفی شده توسط اجزای غیرفعال و ردیابی برد آگاه باشید
سعی کنید از قرار دادن عمودی اجزای غیرفعال در مدارهای پرسرعت اجتناب کنید
برای مدارهای فرکانس بالا، از قطعات نصب سطحی استفاده کنید
هادی ها باید کوتاه تر باشند، بهتر است
اگر طول هادی بیشتر مورد نیاز است، عرض آن را کاهش دهید
پین های استفاده نشده اجزای فعال باید به درستی متصل شوند

سیم کشی:

مدار آنالوگ را نزدیک کانکتور برق قرار دهید
هرگز سیم های حامل سیگنال های منطقی را از طریق ناحیه آنالوگ برد هدایت نکنید و بالعکس
هادی ها را برای ورودی معکوس آپ امپ کوتاه مناسب کنید
اطمینان حاصل کنید که هادی های ورودی معکوس و غیر معکوس op-amp در فاصله طولانی با یکدیگر موازی نیستند.
سعی کنید از استفاده از vias اضافی اجتناب کنید، زیرا ... اندوکتانس خود آنها می تواند مشکلات اضافی ایجاد کند
هادی ها را در زوایای قائم قرار ندهید و در صورت امکان گوشه ها را صاف کنید

تبادل:

از انواع صحیح خازن ها برای سرکوب نویز در مدارهای قدرت استفاده کنید
برای سرکوب تداخل و نویز فرکانس پایین، از خازن های تانتالیوم در کانکتور ورودی برق استفاده کنید.
برای سرکوب تداخل و نویز فرکانس بالا، از خازن های سرامیکی در کانکتور ورودی برق استفاده کنید.
از خازن های سرامیکی در هر پایه برق ریز مدار استفاده کنید. در صورت لزوم از چندین خازن برای محدوده فرکانس های مختلف استفاده کنید
اگر تحریک در مدار اتفاق بیفتد، باید از خازن هایی با مقدار ظرفیت کمتر و نه بزرگتر استفاده کرد.
در موارد دشوار، از مقاومت های متصل به سری با مقاومت کم یا اندوکتانس در مدارهای قدرت استفاده کنید
خازن های جداکننده برق آنالوگ فقط باید به زمین آنالوگ وصل شوند نه به زمین دیجیتال

بروس کارتر
Op Amps برای همه، فصل 17
تکنیک های چیدمان برد مدار
مرجع طراحی، تگزاس اینسترومنتز، 2002