SMD komponenter. Radioelement framställda genom tryckning Installation av induktorer på enkla kretskort

"Järn-laser"-teknik för tillverkning av tryckta kretskort(ULT) har bokstavligen på ett par år blivit utbredd i amatörradiokretsar och låter dig få kretskort ganska Hög kvalitet. Handritade kretskort kräver mycket tid och är inte immuna mot fel.

Särskilda krav på mönsternoggrannhet ställs vid tillverkning av tryckta induktorer för högfrekvenskretsar. Kanterna på spolledarna bör vara så jämna som möjligt, eftersom detta påverkar deras kvalitetsfaktor. Att manuellt rita en flervarvs spiralspole är mycket problematiskt, och här kan ULT mycket väl säga sitt.

Ris. 1

Ris. 2

Så allt är i sin ordning. Låt oss starta datorprogram SPRINT-LAYOUT , till exempel version 5.0. Ställ in i programinställningarna:

Grid skala - 1,25 mm;

Linjebredd - 0,8 mm;

Styrelsens mått - 42,5x42,5 mm;

Den yttre diametern på "plåstret" är 1,5 mm;

Diametern på hålet i "lappen" är 0,5 mm.

Hitta mitten av brädet och rita en spolledarmall (Fig. 1)längs koordinatnätet med hjälp av CONDUCTOR-verktyget, vrid spolen in i den rätta sidan(för mallen du behöver spegelbild, men det kan erhållas senare, vid utskrift). Vi installerar en "patch" i början och slutet av spolen för att ansluta spolen med kretselementen.

I utskriftsinställningarna ställer vi in antalet utskrifter på ett ark, avståndet mellan utskrifter och, om det är nödvändigt att "vrida" spolen åt andra hållet, spegelutskrift av designen. Du bör skriva ut på slätt papper eller specialfilm och ställa in skrivarinställningarna på maximal toner vid utskrift.

Därefter följer vi standard ULT. Vi förbereder folieglasfiber, rengör foliens yta och avfettar den till exempel med aceton. Vi applicerar mallen med toner på folien och stryker den med ett varmt strykjärn genom ett pappersark tills tonern fäster säkert på folien.

Blötlägg sedan papperet i rinnande kranvatten (kallt eller rumstemperatur) och ta försiktigt bort det i "pellets" och lämna kvar tonern på skivans folie. Vi etsar brädan och tar sedan bort tonern från den med ett lösningsmedel, till exempel aceton. En tydlig ledare av en högkvalitativ "tryckt" induktor finns kvar på kortet.

Tryckta spolar med spiralvarv med ULT är av något sämre kvalitet. Detta beror på bildpixlarnas kvadratiska form, så kanterna på spiralspolens ledare är taggiga. Det är sant att dessa oegentligheter är ganska små, och kvaliteten på rullen i allmänhet är fortfarande högre än med manuell drift.

Öppna programmet SPRINT-LAYOUT version 5.0 igen. I verktygslådan väljer du SPECIALFORM – ett verktyg för att rita polygoner och spiraler. Välj fliken SPIRAL. Installera:

Startradie (STARTRADIUS) -2 mm;

Avstånd mellan varven (DISTANCE) - 1,5 mm;

Ledarbredd (TRACK WIDTH) -0,8 mm;

Antalet varv (TURNS) är till exempel 20.

Storleken på brädet som upptas av en sådan spole är 65x65 mm (Fig. 2).

Tryckta spolar kopplas vanligtvis ihop i bandpassfilter (BPF) med hjälp av små kondensatorer. Men deras induktiva koppling är också möjlig, vars grad kan ändras genom att ändra avståndet mellan spolarnas plan eller excentrisk rotation av den ena i förhållande till den andra. Fast montering av spolarna i förhållande till varandra kan uppnås

Bygg med dielektriska stöttor.

Spolarnas induktans kan justeras genom att kortsluta varven, bryta den tryckta ledaren eller delvis ta bort den. Detta kommer att öka kretsavstämningsfrekvensen. En minskning av frekvensen kan uppnås genom att löda kondensatorer av SMD-typ med liten kapacitet mellan varven.

Tillverkning av VHF-spolar i form av meander, raka och böjda linjer, kamfilter m.m. att använda ULT ger också elegans till slutprodukten och ökar som regel deras kvalitetsfaktor (på grund av de "släta" kanterna på de tryckta ledarna). Under produktionen bör man dock komma ihåg kvaliteten på substratmaterialet (glasfiber) , som förlorar sina isolatoregenskaper med ökande frekvens.I ekvivalenta kretsar bör förlustresistansen i dielektrikumet kopplas parallellt med de tryckta spolarna, och denna resistans blir lägre ju högre driftfrekvens och ju sämre kvalitet på dielektrikumet .

I praktiken kan folieglasfiber användas fullt ut för tillverkning av tryckta resonanskretsar upp till 2-metersområdet inklusive (upp till cirka 150 MHz). Särskilda högfrekvenskvaliteter av glasfiber kan användas i intervallet 70 cm (upp till cirka 470...500 MHz). Vid högre frekvenser bör foliebelagd RF-fluoroplast (Teflon), keramik eller glas användas.

En tryckt induktor har en ökad kvalitetsfaktor på grund av en minskning av interturn-kapacitansen, erhållen å ena sidan på grund av den lilla tjockleken på folien och å andra sidan spolens "lindnings" stigning. En sluten ram av jordad folie runt den tryckta spolen i dess plan fungerar som en skärm från andra spolar och tryckta ledare, men har liten effekt på spolens parametrar om dess periferi är under låg RF-spänning (ansluten till en gemensam tråd) och dess centrum är under hög.

Litteratur

1. G. Panasenko. Tillverkning av tryckrullar. - Radio, 1987, nr 5, s. 62.

I vår turbulenta tid av elektronik är de främsta fördelarna med en elektronisk produkt liten storlek, tillförlitlighet, enkel installation och demontering (demontering av utrustning), låg energiförbrukning och bekväm användbarhet ( från engelska- Enkel användning). Alla dessa fördelar är inte på något sätt möjliga utan teknik. ytmontering– SMT-teknik ( S ditt ansikte M count T eknologi), och naturligtvis utan SMD-komponenter.

Vad är SMD-komponenter

SMD-komponenter används i absolut all modern elektronik. SMD ( S ditt ansikte M monterad D evice), som översatt från engelska betyder "ytmonterad enhet." I vårt fall är ytan ett tryckt kretskort, utan genomgående hål för radioelement:

I detta fall sätts inte SMD-komponenter in i hålen på korten. De är fastlödda på kontaktspår, som är placerade direkt på ytan av kretskortet. Bilden nedan visar tennfärgade kontaktkuddar på ett mobiltelefonkort som tidigare hade SMD-komponenter.

Fördelar med SMD-komponenter

Den största fördelen med SMD-komponenter är deras lilla storlek. Bilden nedan visar enkla motstånd och:

Tack vare de små dimensionerna på SMD-komponenter har utvecklarna möjlighet att placera stor kvantitet komponenter per ytenhet än enkla utgående radioelement. Följaktligen ökar installationstätheten och som ett resultat minskar dimensionerna elektroniska apparater. Eftersom vikten av en SMD-komponent är många gånger lättare än vikten av samma enkla utgångsradioelement, kommer även radioutrustningens vikt att vara många gånger lättare.

SMD-komponenter är mycket lättare att avlöda. För detta behöver vi en hårtork. Du kan läsa hur man avlöder och löder SMD-komponenter i artikeln om hur man löder SMDs korrekt. Det är mycket svårare att försegla dem. I fabriker placerar speciella robotar dem på ett kretskort. Ingen löder dem manuellt i produktionen, förutom radioamatörer och radioutrustningsreparatörer.

Flerskiktsbrädor

Eftersom utrustning med SMD-komponenter har en mycket tät installation bör det finnas fler spår på kortet. Alla spår passar inte på en yta, så kretskort tillverkas flerskikt. Om utrustningen är komplex och har många SMD-komponenter, kommer kortet att ha fler lager. Det är som en tårta i flera lager gjord av korta lager. De tryckta spåren som ansluter SMD-komponenter är placerade direkt inuti kortet och kan inte ses på något sätt. Ett exempel på flerskiktskort är mobiltelefonkort, dator- eller laptopkort ( moderkort, grafikkort, Bagge etc).

På bilden nedan är det blå kortet Iphone 3g, det gröna kortet är datorns moderkort.

Alla radioutrustningsreparatörer vet att om ett flerskiktskort är överhettat kommer det att svälla med en bubbla. I det här fallet bryts mellanskiktsanslutningarna och kortet blir oanvändbart. Därför är huvudtrumfkortet vid byte av SMD-komponenter rätt temperatur.

Vissa kort använder båda sidor av det tryckta kretskortet, och monteringstätheten, som du förstår, fördubblas. Detta är en annan fördel med SMT-teknik. Åh ja, det är också värt att ta hänsyn till det faktum att materialet som krävs för tillverkning av SMD-komponenter är mycket mindre, och deras kostnad under massproduktion av miljontals bitar kostar bokstavligen ören.

Huvudtyper av SMD-komponenter

Låt oss titta på de viktigaste SMD-elementen som används i vår moderna apparater. Motstånd, kondensatorer, lågvärdesinduktorer och andra komponenter ser ut som vanliga små rektanglar, eller snarare parallellepipeder))

På kort utan krets är det omöjligt att veta om det är ett motstånd, en kondensator eller till och med en spole. Kineserna markerar som de vill. På stora SMD-element sätter de fortfarande en kod eller siffror för att bestämma deras identitet och värde. På bilden nedan är dessa element markerade i en röd rektangel. Utan ett diagram är det omöjligt att säga vilken typ av radioelement de tillhör, liksom deras betyg.

Standardstorlekarna på SMD-komponenter kan vara olika. Här är en beskrivning av standardstorlekarna för motstånd och kondensatorer. Här finns till exempel en gul rektangulär SMD-kondensator. De kallas också tantal eller helt enkelt tantal:

Och så här ser SMD:er ut:

Det finns också dessa typer av SMD-transistorer:

Som har en hög valör, i SMD-version ser de ut så här:

Och naturligtvis, hur kan vi leva utan mikrokretsar i vår tidsålder av mikroelektronik! Det finns många SMD-typer av chippaket, men jag delar upp dem huvudsakligen i två grupper:

1) Mikrokretsar där stiften är parallella med kretskortet och är placerade på båda sidor eller längs omkretsen.

2) Mikrokretsar där stiften är placerade under själva mikrokretsen. Detta är en speciell klass av mikrokretsar som kallas BGA (från engelska Ball rutnät array- en rad bollar). Terminalerna på sådana mikrokretsar är enkla lödkulor av samma storlek.

Bilden nedan visar ett BGA-chip och dess baksida, bestående av kulstift.

BGA-chips är bekväma för tillverkare eftersom de i hög grad sparar utrymme på det tryckta kretskortet, eftersom det kan finnas tusentals sådana bollar under vilket BGA-chip som helst. Detta gör livet mycket lättare för tillverkarna, men gör inte livet lättare för reparatörerna.

Sammanfattning

Vad ska du använda i din design? Om dina händer inte skakar och du vill göra en liten radiobugg, så är valet självklart. Men ändå, i amatörradiodesigner spelar inte dimensioner någon stor roll, och att löda massiva radioelement är mycket lättare och bekvämare. Vissa radioamatörer använder båda. Varje dag utvecklas fler och fler nya mikrokretsar och SMD-komponenter. Mindre, tunnare, mer pålitlig. Framtiden tillhör definitivt mikroelektroniken.

Avsikten med den här artikeln är att diskutera vanliga misstag som görs av PCB-designers, beskriva effekten av dessa misstag på kvalitetsprestanda och ge rekommendationer för att lösa problem som uppstår.

ALLMÄNNA ÖVERVÄGANDEN

På grund av de betydande skillnaderna mellan analoga och digitala kretsar måste den analoga delen av kretsen separeras från resten, och speciella metoder och regler måste följas när den kopplas. Effekter som härrör från icke-idealiska egenskaper hos kretskort blir särskilt märkbara i högfrekventa analoga kretsar, men fel allmän syn, som beskrivs i den här artikeln, kan påverka kvalitetsegenskaperna hos enheter som fungerar även inom ljudfrekvensområdet.

Tryckt kretskort - kretskomponent

Endast i sällsynta fall kan en analog krets kretskort dirigeras så att de influenser som den inför inte har någon effekt på kretsens funktion. Samtidigt kan varje sådan påverkan minimeras så att egenskaperna hos enhetens analoga kretsar är desamma som för modellen och prototypen.

Layout

Utvecklare av digitala kretsar kan korrigera små fel på det tillverkade kortet genom att lägga till byglar till det eller, omvänt, ta bort onödiga ledare, göra ändringar i driften av programmerbara chips, etc., gå mycket snabbt till nästa utveckling. Detta är inte fallet för en analog krets. Vissa av de vanliga felen som diskuteras i den här artikeln kan inte korrigeras genom att lägga till byglar eller ta bort överflödiga ledare. De kan och kommer att göra hela kretskortet ur funktion.

Det är mycket viktigt för en digital kretsdesigner som använder sådana korrigeringsmetoder att läsa och förstå materialet som presenteras i denna artikel i god tid innan designen skickas till produktion. Lite designuppmärksamhet och diskussion om möjliga alternativ kommer inte bara att förhindra att PCB blir skrot, utan också minska kostnaden för grova fel i en liten analog del av kretsen. Att hitta fel och åtgärda dem kan resultera i hundratals förlorade timmar. Prototyper kan minska denna tid till en dag eller mindre. Breadboard alla dina analoga kretsar.

Källor till buller och störningar

Brus och störningar är huvudelementen som begränsar kvaliteten på kretsar. Störningar kan antingen sändas ut av källor eller induceras på kretselement. Analoga kretsar är ofta placerade på ett tryckt kretskort tillsammans med höghastighets digitala komponenter, inklusive digitala signalprocessorer (DSP).

Högfrekventa logiska signaler genererar betydande radiofrekvensstörningar (RFI). Antalet bulleremissionskällor är enormt: viktiga strömförsörjningar digitala system, Mobiltelefoner, radio och tv, strömförsörjning för lampor dagsljus, personliga datorer, blixtarladdningar osv. Även om en analog krets fungerar i ljudfrekvensområdet, kan radiofrekvensstörningar skapa märkbart brus i utsignalen.

KATEGORIER AV TRYCKTA TAVEL

Valet av PCB-design är en viktig faktor för att bestämma den mekaniska prestandan hos den övergripande enheten. För tillverkning av tryckta kretskort används material av varierande kvalitetsnivåer. Det kommer att vara mest lämpligt och bekvämt för utvecklaren om PCB-tillverkaren finns i närheten. I det här fallet är det lätt att kontrollera resistiviteten och dielektricitetskonstanten - huvudparametrarna för kretskortsmaterialet. Tyvärr räcker inte detta och kunskap om andra parametrar som brandfarlighet, högtemperaturstabilitet och hygroskopicitetskoefficient är ofta nödvändig. Dessa parametrar kan endast vara kända av tillverkaren av de komponenter som används vid tillverkning av kretskort.

Skiktade material betecknas med indexen FR (flamresistent) och G. Material med indexet FR-1 har högst brandfarlighet och FR-5 minst. Material med index G10 och G11 har speciella egenskaper. Materialen för kretskort anges i tabell. 1.

Använd inte PCB av kategori FR-1. Det finns många exempel på FR-1 PCB som har fått termiska skador från komponenter med hög effekt. Tryckta kretskort i denna kategori liknar mer kartong.

FR-4 används ofta vid tillverkning av industriell utrustning, medan FR-2 används vid tillverkning av hushållsapparater. Dessa två kategorier är standardiserade inom industrin, och FR-2 och FR-4 PCB är ofta lämpliga för de flesta applikationer. Men ibland tvingar de ofullkomliga egenskaperna hos dessa kategorier användningen av andra material. Till exempel, för mycket högfrekventa tillämpningar, används fluorplast och till och med keramik som material för tryckta kretskort. Men ju mer exotiskt PCB-materialet är, desto högre kan priset bli.

När du väljer ett PCB-material, var särskilt uppmärksam på dess hygroskopicitet, eftersom denna parameter kan ha en stark negativ effekt på kortets önskade egenskaper - ytmotstånd, läckage, högspänningsisoleringsegenskaper (nedbrytning och gnistbildning) och mekanisk styrka. Var också uppmärksam på driftstemperatur. Hot spots kan uppstå på oväntade platser, till exempel nära stora digitala integrerade kretsar som växlar vid höga frekvenser. Om sådana områden är placerade direkt under analoga komponenter kan ökade temperaturer påverka den analoga kretsens prestanda.

bord 1

	Komponenter, kommentarer
	papper, fenolsammansättning: pressning och stansning vid rumstemperatur, hög hygroskopicitetskoefficient
	papper, fenolsammansättning: användbar för enkelsidiga tryckta kretskort för hushållsapparater, låg hygroskopicitetskoefficient
	papper, epoxisammansättning: mönster med goda mekaniska och elektriska egenskaper
	glasfiber, epoxisammansättning: utmärkta mekaniska och elektriska egenskaper
	glasfiber, epoxisammansättning: hög hållfasthet vid förhöjda temperaturer, ej brandfarlig
	glasfiber, epoxisammansättning: höga isoleringsegenskaper, högsta hållfasthet hos glasfiber, låg hygroskopicitetskoefficient
	glasfiber, epoxisammansättning: hög böjhållfasthet vid förhöjda temperaturer, hög lösningsmedelsbeständighet

När PCB-materialet har valts måste tjockleken på PCB-folien bestämmas. Denna parameter väljs i första hand baserat på det maximala värdet för den flytande strömmen. Om möjligt, försök att undvika att använda mycket tunn folie.

ANTAL TRYCKTA LAGER

Beroende på den övergripande kretsens komplexitet och kvalitetskrav måste konstruktören bestämma antalet lager av PCB:n.

Enkellagers PCB

Mycket enkla elektroniska kretsar är gjorda på enkelsidiga kort med hjälp av billiga foliematerial (FR-1 eller FR-2) och har ofta många byglar, som liknar dubbelsidiga kort. Denna metod för att skapa kretskort rekommenderas endast för lågfrekventa kretsar. Av skäl som kommer att beskrivas nedan är enkelsidiga kretskort mycket känsliga för störningar. Ett bra enkelsidigt PCB är ganska svårt att designa av många anledningar. Ändå bra brädor Denna typ förekommer, men deras utveckling kräver mycket eftertanke i förväg.

Dubbellagers PCB

På nästa nivå finns dubbelsidiga kretskort, som i de flesta fall använder FR-4 som substratmaterial, även om FR-2 också ibland finns. Användningen av FR-4 är mer att föredra, eftersom i tryckta kretskort Detta material gör hål fler bästa kvalitet. Kretsar på dubbelsidiga kretskort är mycket lättare att koppla eftersom I två lager är det lättare att dirigera korsande vägar. Men för analoga kretsar rekommenderas inte korsning av spår. Där det är möjligt bör det undre lagret (botten) allokeras till markpolygonen, och de återstående signalerna bör dirigeras till det översta lagret (överst). Att använda en deponi som jordbuss ger flera fördelar:

den gemensamma ledningen är den mest anslutna ledningen i kretsen; därför är det rimligt att ha "mycket" gemensam tråd för att förenkla kabeldragningen.
skivans mekaniska styrka ökar.
motståndet för alla anslutningar till den gemensamma ledningen minskar, vilket i sin tur minskar brus och störningar.
Den fördelade kapacitansen för varje kretskrets ökas, vilket hjälper till att undertrycka utstrålat brus.
polygonen, som är en skärm, undertrycker interferens som emitteras av källor som är placerade på sidan av polygonen.

Dubbelsidiga PCB, trots alla sina fördelar, är inte de bästa, speciellt för lågsignal- eller höghastighetskretsar. I allmänhet är tjockleken på det tryckta kretskortet, dvs. avståndet mellan metalliseringsskikten är 1,5 mm, vilket är för mycket för att till fullo inse några av fördelarna med ett tvålagers tryckt kretskort som anges ovan. Den fördelade kapaciteten är till exempel för liten på grund av ett så stort intervall.

Flerlagers PCB

För kritisk kretsdesign krävs multilayer printed circuit boards (MPBs). Några anledningar till deras användning är uppenbara:

Fördelningen av kraftbussar är lika bekväm som för den vanliga trådbussen; om polygoner på ett separat lager används som kraftbussar, är det ganska enkelt att förse varje kretselement med ström med hjälp av vias;
signallager befrias från kraftbussar, vilket underlättar kabeldragningen av signalledare;
Distribuerad kapacitans uppträder mellan jord- och effektpolygonerna, vilket minskar högfrekvent brus.

Utöver dessa skäl för att använda flerskiktiga kretskort finns det andra, mindre uppenbara:

bättre dämpning av elektromagnetisk (EMI) och radiofrekvens (RFI) störning tack vare reflektionseffekten (bildplanseffekt), känd tillbaka till Marconis tid. När en ledare placeras nära en plan ledande yta kommer de flesta av de högfrekventa returströmmarna att flyta längs planet direkt under ledaren. Riktningen för dessa strömmar kommer att vara motsatt riktningen för strömmarna i ledaren. Således skapar reflektionen av ledaren i planet en signalöverföringsledning. Eftersom strömmarna i ledaren och i planet är lika stora och motsatta i riktning, skapas en viss minskning av utstrålad interferens. Reflexionseffekten fungerar endast effektivt med obrutna solida polygoner (dessa kan vara både jordade polygoner och potenspolygoner). Förlust av integritet kommer att resultera i minskad störningsdämpning.
minskning av totalkostnaden för småskalig produktion. Även om flerskikts-PCB är dyrare att tillverka, är deras potentiella strålning lägre än för enkel- och dubbelskikts-PCB. Därför, i vissa fall, kommer användningen av enbart flerskiktstavlor att göra det möjligt för dig att uppfylla de utsläppskrav som ställdes under designen, utan ytterligare testning och testning. Användningen av MPP kan minska nivån av utstrålad störning med 20 dB jämfört med dubbla lagerkort.

Lagerordning

Oerfarna designers har ofta viss förvirring om den optimala ordningen på PCB-lager. Låt oss ta till exempel en 4-lagers kammare som innehåller två signallager och två polygonlager - ett jordlager och ett kraftlager. Vilken är den bästa lagerordningen? Signallager mellan polygoner som kommer att fungera som skärmar? Eller ska vi göra polygonskikten interna för att minska störningen av signalskikten?

När man tar itu med denna fråga är det viktigt att komma ihåg att ofta spelarens placering inte spelar så stor roll, eftersom komponenterna ändå är placerade på de yttre lagren, och bussarna som levererar signaler till deras stift ibland passerar genom alla lager. Därför är alla skärmeffekter bara en kompromiss. I det här fallet är det bättre att ta hand om att skapa en stor fördelad kapacitet mellan kraft- och jordpolygonerna, placera dem i de inre lagren.

En annan fördel med att placera signallagren utanför är tillgången på signaler för testning, samt möjligheten att modifiera anslutningar. Alla som någonsin har ändrat anslutningarna av ledare som finns i de inre lagren kommer att uppskatta denna möjlighet.

För kretskort med fler än fyra skikt är den allmänna regeln att placera höghastighetssignalledare mellan jord- och effektpolygonerna och dirigera lågfrekventa signalledare till de yttre skikten.

GRUNDSTÖTNING

God jordning är ett allmänt krav för ett rikt system med flera nivåer. Och det bör planeras från det första steget i designutvecklingen.

Grundregel: delning av mark.

Att dela upp jorden i analoga och digitala delar är en av de enklaste och mest effektiva metoder ljuddämpning. Ett eller flera lager av ett flerlagers tryckt kretskort är vanligtvis dedikerade till ett lager av jordade polygoner. Om utvecklaren inte är särskilt erfaren eller ouppmärksam, kommer den analoga delens jord att vara direkt kopplad till dessa polygoner, dvs. analog strömretur kommer att använda samma krets som digital returström. Bildistributörer arbetar på ungefär samma sätt och förenar alla länder tillsammans.

Om ett tidigare utvecklat kretskort med en enda jordpolygon som kombinerar analog och digital jord är föremål för bearbetning, är det nödvändigt att först fysiskt separera jordarna på kortet (efter denna operation blir kortets funktion nästan omöjlig). Efter detta görs alla anslutningar till de analoga kretskomponenternas analoga jord (analog jord bildas) och till den digitala jordningen av de digitala kretskomponenterna (digital jord bildas). Och först efter detta kombineras digital och analog jord vid källan.

Andra regler för landbildning:

Kraft- och markbussarna måste ha samma potential växelström, vilket innebär användning av frånkopplingskondensatorer och distribuerad kapacitans.
Undvik överlappning av analoga och digitala polygoner. Placera de analoga strömskenorna och polygonerna ovanför den analoga jordpolygonen (liknande de digitala strömskenorna). Om det finns en överlappning mellan analoga och digitala områden på någon plats, kommer den fördelade kapacitansen mellan de överlappande områdena att skapa en AC-koppling, och brus från de digitala komponenterna kommer att föras in i den analoga kretsen. Sådana överlappningar ogiltigförklarar isoleringen av deponierna.
Separation betyder inte att elektriskt isolera den analoga jordningen från den digitala jorden. De måste kopplas samman i någon, helst en, lågimpedansnod. Ett korrekt jordningssystem har bara en jord, vilket är jordstiftet för växelströmsdrivna system eller det gemensamma jordstiftet för växelströmsdrivna system. DC spänning(till exempel ett batteri). Alla signal- och effektströmmar i denna krets måste återgå till denna jord vid en punkt, som kommer att fungera som systemjord. En sådan punkt kan vara terminalen på anordningskroppen. Det är viktigt att förstå att när man ansluter kretsens gemensamma terminal till flera punkter på chassit, kan jordslingor bildas. Att skapa en enda gemensam punkt för markkonsolidering är en av de svåraste aspekterna av systemdesign.
När det är möjligt, separata anslutningsstift avsedda att bära returströmmar – returströmmar bör endast kombineras vid systemets jordpunkt. Åldring av kontaktkontakter, såväl som frekvent frånkoppling av deras matchande delar, leder till en ökning av kontaktresistansen; därför är det nödvändigt att använda kontaktdon med ett visst antal ytterligare stift för en mer tillförlitlig drift. Komplexa digitala kretskort har många lager och innehåller hundratals eller tusentals ledare. Att lägga till ytterligare en ledare skapar sällan problem, men att lägga till ytterligare kontaktstift gör det. Om detta inte kan göras, är det nödvändigt att skapa två returströmledare för varje kraftväg på kortet, med speciella försiktighetsåtgärder.
Det är viktigt att separera däcken digitala signaler från platser på kretskortet där kretsens analoga komponenter finns. Detta innebär isolering (avskärmning) av polygoner, skapande av korta analoga signalvägar och noggrann placering av passiva komponenter med intilliggande höghastighets digitala och verksamhetskritiska analoga signalbussar. Digitala signalbussar måste dirigeras runt områden med analoga komponenter och inte överlappa med bussar och områden med analog jord och analog kraft. Om detta inte görs kommer designen att innehålla ett nytt oavsiktligt element - en antenn, vars strålning kommer att påverka analoga komponenter och ledare med hög impedans.

Nästan alla klocksignaler är tillräckligt höga frekvenssignaler för att även små kapacitanser mellan spår och polygoner kan skapa betydande kopplingar. Man måste komma ihåg att det inte bara är den grundläggande klockfrekvensen som kan orsaka problem, utan också dess högre övertoner.

Det finns bara ett fall där det är nödvändigt att kombinera analoga och digitala signaler över en analog markyta. Analog-till-digital och digital-till-analog-omvandlare är inrymda i höljen med analoga och digitala jordstift. Med hänsyn till den tidigare diskussionen kan det antas att det digitala jordstiftet och det analoga jordstiftet ska anslutas till de digitala respektive analoga jordbussarna. Men i det här fallet är detta inte sant.

Namnen på stiften (analoga eller digitala) hänvisar endast till omvandlarens interna struktur, till dess interna anslutningar. I kretsen måste dessa stift anslutas till den analoga jordbussen. Anslutningen kan också göras inuti en integrerad krets, men att uppnå lågt motstånd för en sådan anslutning är ganska svårt på grund av topologiska begränsningar. Därför, när man använder omvandlare, antas det att de analoga och digitala jordstiften är externt anslutna. Om detta inte görs kommer parametrarna för mikrokretsen att vara betydligt sämre än de som anges i specifikationen.

Det måste tas med i beräkningen att de digitala elementen i omvandlaren kan försämra kretsens kvalitetsegenskaper genom att introducera digitalt brus i de analoga jord- och analoga kraftkretsarna. Vid konstruktion av omvandlare beaktas denna negativa påverkan så att den digitala delen förbrukar så lite ström som möjligt. Samtidigt, störningar från växling logiska element minskar. Om de digitala stiften på omvandlaren inte är hårt belastade, orsakar intern omkoppling vanligtvis inga speciella problem. Vid konstruktion av ett kretskort som innehåller en ADC eller DAC måste man noggrant överväga att koppla bort omvandlarens digitala strömförsörjning till analog jord.

FREKVENS KARAKTERISTIKA FÖR PASSIVA KOMPONENTER

För korrekt drift analoga kretsar är mycket viktiga rätt val passiva komponenter. Börja din design genom att noggrant överväga högfrekventa egenskaper hos passiva komponenter och preliminär placering och layout av dem på skivskissen.

Ett stort antal designers ignorerar helt frekvensbegränsningarna för passiva komponenter när de används i analoga kretsar. Dessa komponenter har begränsade frekvensområden och att använda dem utanför det specificerade frekvensområdet kan leda till oförutsägbara resultat. Vissa kanske tror att den här diskussionen bara rör analoga höghastighetskretsar. Detta är dock långt ifrån sant - högfrekventa signaler har en stark inverkan på de passiva komponenterna i lågfrekventa kretsar genom strålning eller direkt kommunikation via ledare. Till exempel kan ett enkelt lågpassfilter på en op-amp lätt bli ett högpassfilter när det utsätts för hög frekvens vid dess ingång.

Motstånd

Det finns tre typer av motstånd som vanligtvis används: 1) trådlindade, 2) kolkomposit och 3) film. Det krävs inte mycket fantasi för att förstå hur ett trådlindat motstånd kan omvandlas till en induktans, eftersom det är en trådspole gjord av högresistansmetall. De flesta utvecklare av elektroniska enheter har ingen aning om den interna strukturen hos filmmotstånd, som också är en spole, om än gjorda av en metallfilm. Därför har filmmotstånd också en induktans som är mindre än den för trådlindade motstånd. Filmmotstånd med en resistans på högst 2 kOhm kan fritt användas i högfrekvenskretsar. Motståndsterminalerna är parallella med varandra, så det finns en märkbar kapacitiv koppling mellan dem. För högvärdesmotstånd kommer terminal-till-terminal-kapacitansen att minska den totala impedansen vid höga frekvenser.

Kondensatorer

Kondensatorernas högfrekvensegenskaper kan representeras av den ekvivalenta kretsen som visas i figur 6.

Kondensatorer i analoga kretsar används som frånkopplings- och filtreringskomponenter.

En 10 µF elektrolytisk kondensator har ett motstånd på 1,6 ohm vid 10 kHz och 160 µohm vid 100 MHz. Är det så?

Vid användning av elektrolytkondensatorer måste försiktighet iakttas korrekt anslutning. Den positiva terminalen måste kopplas till en mer positiv konstant potential. En felaktig anslutning gör att likström flyter genom elektrolytkondensatorn, vilket kan skada inte bara själva kondensatorn utan också en del av kretsen.

I sällsynta fall kan DC-potentialskillnaden mellan två punkter i kretsen ändra dess tecken. Detta kräver användning av opolära elektrolytiska kondensatorer, vars inre struktur motsvarar två polära kondensatorer kopplade i serie.

Induktans

Tryckt kretskort

Själva kretskortet har egenskaperna hos de passiva komponenterna som diskuterats ovan, även om det inte är så uppenbart.

Mönstret av ledare på ett kretskort kan vara både en källa och en mottagare för störningar. Bra kabeldragning minskar den analoga kretsens känslighet för strålningskällor.

Det tryckta kretskortet är känsligt för strålning eftersom komponenternas ledare och ledningar bildar en slags antenn. Antennteori är ett ganska komplicerat ämne att studera och behandlas inte i den här artikeln. Men några grunder finns här.

Lite antennteori

På DC eller låga frekvenser den aktiva komponenten dominerar. När frekvensen ökar blir den reaktiva komponenten mer och mer betydelsefull. I intervallet från 1 kHz till 10 kHz börjar den induktiva komponenten träda i kraft och ledaren är inte längre en lågimpedanskontakt, utan fungerar snarare som en induktor.

Typiskt har spår på ett kretskort värden från 6 nH till 12 nH per centimeter längd. Till exempel har en 10 cm ledare ett motstånd på 57 mOhm och en induktans på 8 nH per cm. Vid en frekvens på 100 kHz blir reaktansen 50 mOhm och vid högre frekvenser kommer ledaren att vara en induktans snarare än en resistiv. .

Regeln för en piskantenn är att den börjar märkbart interagera med fältet vid cirka 1/20 av våglängden, och maximal interaktion sker vid en stavlängd på 1/4 av våglängden. Därför kommer 10 cm-ledaren från exemplet i föregående stycke att börja bli en ganska bra antenn vid frekvenser över 150 MHz. Man måste komma ihåg att även om generatorn klockfrekvens En digital krets kanske inte fungerar vid frekvenser över 150 MHz, dess signal innehåller alltid högre övertoner. Om det tryckta kretskortet innehåller komponenter med stiftstift av avsevärd längd, kan sådana stift även tjäna som antenner.

Den andra huvudtypen av antenn är loopantenn. Induktansen hos en rak ledare ökar kraftigt när den böjs och blir en del av en båge. Ökande induktans sänker frekvensen vid vilken antennen börjar interagera med fältlinjerna.

Teorin om signalreflektion och matchning ligger nära teorin om antenner.

När kretskortets ledare vrids i en vinkel på 90° kan signalreflektion uppstå. Detta beror främst på förändringar i bredden på den aktuella banan. I hörnets spets ökar spårbredden med 1,414 gånger, vilket leder till en missanpassning i transmissionsledningens egenskaper, särskilt den distribuerade kapacitansen och spårets egen induktans. Ganska ofta är det nödvändigt att rotera ett spår på ett kretskort med 90°. Många moderna CAD-paket låter dig jämna ut hörnen på ritade rutter eller rita rutter i form av en båge. Figur 9 visar två steg för att förbättra hörnformen. Endast det sista exemplet bibehåller en konstant banbredd och minimerar reflektioner.

Tips för erfarna PCB-designers: lämna utjämningsprocessen för det sista steget av arbetet innan du skapar droppformade stift och fyller polygoner. Annars kommer CAD-paketet att ta längre tid att jämna ut på grund av mer komplexa beräkningar.

Till exempel kan ett kretskort ha följande parametrar:
- 4 lager; signal- och jordpolygonskikten ligger intill,
- mellanskiktsavstånd - 0,2 mm,
- ledarbredd - 0,75 mm,
- ledarlängd - 7,5 mm.

Den typiska ER-dielektriska konstanten för FR-4 är 4,5.

Kapacitansvärdet mellan dessa två bussar är 1,1 pF. Även en sådan till synes liten kapacitet är oacceptabel för vissa tillämpningar.

Amplituden för utsignalen fördubblas vid frekvenser nära den övre gränsen för op-förstärkarens frekvensområde. Detta kan i sin tur leda till svängningar, speciellt vid antenndriftsfrekvenser (över 180 MHz).

Denna effekt ger upphov till många problem, för vilka det dock finns många sätt att lösa dem. Den mest uppenbara av dem är att minska ledarnas längd. Ett annat sätt är att minska deras bredd. Det finns ingen anledning att använda en ledare med denna bredd för att ansluta signalen till den inverterande ingången, eftersom Mycket lite ström flyter genom denna ledare. Att minska längden på kurvan till 2,5 mm och bredden till 0,2 mm kommer att leda till en minskning av kapacitansen till 0,1 pF, och sådan kapacitans kommer inte längre att leda till en så signifikant ökning av frekvenssvaret. En annan lösning är att ta bort en del av polygonen under den inverterande ingången och ledaren som går till den.

Bredden på PCB-ledarna kan inte minskas i det oändliga. Gränsbredden definieras som teknisk process och foliens tjocklek. Om två ledare passerar nära varandra bildas en kapacitiv och induktiv koppling mellan dem.

Signalledare bör inte dras parallellt med varandra, förutom när det gäller differential- eller mikrostripledningar. Avståndet mellan ledarna bör vara minst tre gånger ledarnas bredd.

Kapacitans mellan spår i analoga kretsar kan skapa problem med stora motståndsvärden (flera megaohm). Den relativt stora kapacitiva kopplingen mellan de inverterande och icke-inverterande ingångarna på en op-förstärkare kan lätt få kretsen att oscillera.

Till exempel, med d=0,4 mm och h=1,5 mm (ganska vanliga värden), är hålets induktans 1,1 nH.

Kom ihåg att om det finns stora motstånd i kretsen, bör särskild uppmärksamhet ägnas åt att rengöra brädan. Under den slutliga tillverkningen av ett kretskort måste eventuellt kvarvarande flussmedel och föroreningar avlägsnas. I Nyligen Vid installation av kretskort används ofta vattenlösliga flussmedel. Eftersom de är mindre skadliga kan de lätt tas bort med vatten. Men samtidigt kan tvättning av brädan med otillräckligt rent vatten leda till ytterligare föroreningar som försämrar de dielektriska egenskaperna. Därför är det mycket viktigt att rengöra högimpedanskretskortet med färskt destillerat vatten.

SIGNALISOLERING

Som redan nämnts kan störningar tränga in i den analoga delen av kretsen genom strömförsörjningskretsarna. För att minska sådana störningar används avkopplings- (blockerande) kondensatorer för att minska kraftbussarnas lokala impedans.

Om du behöver lägga ut ett kretskort som har både analoga och digitala delar, så måste du ha åtminstone en liten förståelse för Elektriska egenskaper logiska element.

Ett typiskt slutsteg hos ett logikelement innehåller två transistorer kopplade i serie med varandra, såväl som mellan effekt- och jordkretsarna.

Dessa transistorer arbetar idealiskt strikt i motfas, dvs. när en av dem är öppen stängs den andra i samma ögonblick, vilket genererar antingen en logisk etta eller en logisk nollsignal vid utgången. I det logiska stabila tillståndet är energiförbrukningen för det logiska elementet liten.

Situationen förändras dramatiskt när slutsteget växlar från ett logiskt tillstånd till ett annat. I det här fallet, under en kort tid, kan båda transistorerna vara öppna samtidigt, och matningsströmmen till utgångssteget ökar kraftigt, eftersom motståndet hos strömvägen från kraftbussen till jordbussen genom två seriekopplade transistorer minskar. Strömförbrukningen ökar abrupt och minskar då också, vilket leder till en lokal förändring av matningsspänningen och uppkomsten av en kraftig, kortvarig förändring av strömmen. Dessa förändringar i ström resulterar i emission av radiofrekvensenergi. Även på ett relativt enkelt kretskort kan det finnas tiotals eller hundratals övervägda slutsteg av logiska element, så den totala effekten av deras samtidiga drift kan vara mycket stor.

Det är omöjligt att exakt förutsäga frekvensområdet inom vilket dessa strömsvallningar kommer att inträffa, eftersom frekvensen av deras förekomst beror på många faktorer, inklusive utbredningsfördröjningen för omkopplingstransistorer i det logiska elementet. Förseningen beror i sin tur också på många slumpmässiga orsaker som uppstår under produktionsprocessen. Växlingsbrus har en bredbandsfördelning av harmoniska komponenter över hela området. Det finns flera metoder för att undertrycka digitalt brus, vars tillämpning beror på brusets spektrala fördelning.

Tabell 2 visar de maximala driftfrekvenserna för vanliga kondensatortyper.

Tabell 2

Av tabellen är det uppenbart att tantalelektrolytiska kondensatorer används för frekvenser under 1 MHz, vid högre frekvenser bör keramiska kondensatorer användas. Man måste komma ihåg att kondensatorer har sin egen resonans och deras felaktiga val kan inte bara hjälpa, utan också förvärra problemet. Figur 15 visar typiska självresonanser för två vanliga kondensatorer - 10 μF tantalelektrolytisk och 0,01 μF keramik.

Faktiska specifikationer kan variera mellan olika tillverkare och även från batch till batch inom samma tillverkare. Det är viktigt att förstå det för effektivt arbete kondensatorn måste frekvenserna som den undertrycker vara i ett lägre område än frekvensen för dess egen resonans. Annars kommer reaktansens natur att vara induktiv, och kondensatorn kommer inte längre att fungera effektivt.

Missa inte att en 0,1 µF kondensator kommer att undertrycka alla frekvenser. Små kondensatorer (10 nF eller mindre) kan arbeta mer effektivt vid högre frekvenser.

IC-strömavkoppling

Att koppla bort strömförsörjningen för integrerade kretsar för att undertrycka högfrekvent brus består av att använda en eller flera kondensatorer anslutna mellan ström- och jordstiften. Det är viktigt att ledarna som ansluter ledningarna till kondensatorerna är korta. Om så inte är fallet kommer ledarnas självinduktans att spela en betydande roll och förnekar fördelarna med att använda avkopplingskondensatorer.

En frånkopplingskondensator måste anslutas till varje chippaket, oavsett hur många operationsförstärkare placerad inuti höljet - 1, 2 eller 4. Om op-amp är strömsatt bipolär strömförsörjning, då är det självklart att frånkopplingskondensatorer måste finnas vid varje strömstift. Kapacitansvärdet måste väljas noggrant beroende på vilken typ av brus och störningar som finns i kretsen.

I särskilt svåra fall kan det vara nödvändigt att lägga till en induktans kopplad i serie med uteffekten. Induktansen bör placeras före, inte efter, kondensatorerna.

Ett annat, billigare sätt är att ersätta induktansen med ett motstånd med lågt motstånd (10...100 Ohm). I detta fall bildar motståndet tillsammans med avkopplingskondensatorn ett lågpassfilter. Denna metod minskar strömförsörjningsområdet för op-ampen, som också blir mer beroende av strömförbrukningen.

För att undertrycka lågfrekvent brus i kraftkretsar är det vanligtvis tillräckligt att använda en eller flera elektrolytiska kondensatorer av aluminium eller tantal vid strömingångskontakten. En extra keramisk kondensator kommer att undertrycka högfrekventa störningar från andra kort.

ISOLERING AV INGÅNGS- OCH UTGÅNGSSIGNALER

Många brusproblem beror på att in- och utgångsstiften ansluts direkt. Som ett resultat av de högfrekventa begränsningarna hos passiva komponenter kan responsen hos en krets när den utsätts för högfrekvent brus vara ganska oförutsägbar.

I en situation där frekvensområdet för det inducerade bruset skiljer sig markant från kretsens frekvensområde, är lösningen enkel och uppenbar - att placera ett passivt RC-filter för att undertrycka högfrekventa störningar. Men när du använder ett passivt filter måste du vara försiktig: dess egenskaper (på grund av passiva komponenters icke-ideala frekvensegenskaper) förlorar sina egenskaper vid frekvenser 100...1000 gånger högre än gränsfrekvensen (f3db). Vid användning av seriekopplade filter som är inställda på olika frekvensområden, bör det högre frekvensfiltret vara närmast störningskällan. Ferritringinduktorer kan också användas för att dämpa brus; de behåller resistansens induktiva natur upp till en viss frekvens, och ovanför blir deras resistans aktiv.

Störningen på en analog krets kan vara så stor att den är omöjlig att bli av med (eller enligt minst, minska) från dem är endast möjligt genom användning av skärmar. För att fungera effektivt måste de vara noggrant utformade så att de frekvenser som orsakar flest problem inte kan komma in i kretsen. Det betyder att skärmen inte bör ha hål eller urskärningar som är större än 1/20 av våglängden på den strålning som avskärmas. Det är en bra idé att allokera tillräckligt med utrymme för den föreslagna skölden redan från början av PCB-designen. När du använder en skärm kan du valfritt använda ferritringar (eller pärlor) för alla anslutningar till kretsen.

FUNKTIONSFÖRSTÄRKARE

En, två eller fyra operationsförstärkare är vanligtvis placerade i ett paket.

En enkel operationsförstärkare har ofta även extra ingångar, till exempel för att justera offsetspänningen. Dubbla och fyrdubbla op-förstärkare har bara inverterande och icke-inverterande ingångar och utgång. Därför, om det är nödvändigt att ha ytterligare justeringar, är det nödvändigt att använda enstaka operationsförstärkare. När du använder ytterligare utgångar måste du komma ihåg att de genom sin struktur är hjälpingångar, så de måste kontrolleras noggrant och i enlighet med tillverkarens rekommendationer.

I en enkel operationsförstärkare är utgången placerad på motsatt sida av ingångarna. Detta kan göra det svårt att driva förstärkaren vid höga frekvenser på grund av de långa ledarna respons. Ett sätt att övervinna detta är att placera förstärkaren och återkopplingskomponenterna på olika sidor av kretskortet. Detta resulterar dock i minst två ytterligare hål och skärningar i markpolygonen. Ibland är det värt att använda en dubbel operationsförstärkare för att lösa detta problem, även om den andra förstärkaren inte används (och dess stift måste vara korrekt anslutna).

Dubbla op-förstärkare är särskilt vanliga i stereoförstärkare, och fyrstegs op-förstärkare används i flerstegsfilterkretsar. Det finns dock en ganska betydande nackdel med detta. Även om modern teknik ger hyfsad isolering mellan förstärkarsignaler på samma kiselchip, finns det fortfarande viss överhörning mellan dem. Om det är nödvändigt att ha en mycket liten mängd sådana störningar, är det nödvändigt att använda enstaka operationsförstärkare. Överhörning uppstår inte bara när du använder dubbla eller fyrdubbla förstärkare. Deras källa kan vara mycket nära passiva komponenter i olika kanaler.

Dubbla och fyrdubbla op-amps, förutom ovanstående, möjliggör mer tät installation. De individuella förstärkarna verkar vara spegelvända i förhållande till varandra.
Det är nödvändigt att uppmärksamma det faktum att ledarna för halvmatningsspänningsdrivenheten är placerade direkt under det integrerade kretshuset, vilket gör det möjligt att minska deras längd. Detta exempel illustrerar inte vad som bör vara, utan vad som bör göras. Den genomsnittliga nivåspänningen kan till exempel vara densamma för alla fyra förstärkarna. Passiva komponenter kan dimensioneras därefter. Till exempel, ramstorlek 0402 plana komponenter matchar stiftavståndet för ett standard SO-paket. Detta gör att ledarlängder kan hållas mycket korta för högfrekvensapplikationer.

Vid placering av op amps i DIP-paket och passiva komponenter med ledningstrådar måste vias finnas på kretskortet för att montera dem. Sådana komponenter används för närvarande när det inte finns några speciella krav på dimensionerna på det tryckta kretskortet; De är vanligtvis billigare, men kostnaden för det tryckta kretskortet ökar under tillverkningsprocessen på grund av att man borrar ytterligare hål för komponentledningar.

Dessutom, när du använder externa komponenter, ökar kortets dimensioner och ledarnas längd, vilket inte tillåter kretsen att fungera vid höga frekvenser. Vias har sin egen induktans, vilket också begränsar kretsens dynamiska egenskaper. Därför rekommenderas inte overheadkomponenter för att implementera högfrekvenskretsar eller för analoga kretsar placerade nära höghastighetslogikkretsar.

Vissa designers, som försöker minska ledarnas längd, placerar motstånd vertikalt. Vid första anblicken kan det tyckas att detta förkortar ruttens längd. Detta ökar dock strömvägen genom motståndet, och själva motståndet representerar en slinga (induktanssväng). Utsändnings- och mottagningsförmågan ökar mångdubbelt.

Ytmontering kräver inte ett hål för varje komponentledning. Det uppstår dock problem när man testar kretsen, och det är nödvändigt att använda vias som testpunkter, speciellt när man använder små komponenter.

OANVÄNDA OP-AMP-Sektioner

När du använder dubbla och fyrdubbla op-amps i en krets kan vissa sektioner förbli oanvända och måste anslutas korrekt i detta fall. Felaktiga anslutningar kan leda till ökad strömförbrukning, mer värme och mer brus från op-förstärkarna som används i samma paket. Stiften på oanvända op-amps kan anslutas så här: utgången på förstärkaren är ansluten till den inverterande ingången.

SLUTSATS

Kom ihåg följande grundläggande punkter och håll dem i åtanke när du designar och kopplar analoga kretsar.

tänk på PCB som en komponent elschema;
ha en medvetenhet om och förståelse för källor till buller och störningar;
modell- och layoutkretsar.

Tryckt kretskort:

använd endast kretskort av högkvalitativt material (till exempel FR-4);
kretsar gjorda på flerskikts kretskort är 20 dB mindre mottagliga för externa störningar än kretsar gjorda på dubbelskiktskort;
använd separerade, icke-överlappande polygoner för olika landområden och flöden;
Placera jord- och kraftpolygonerna på de inre lagren av PCB.

Komponenter:

Var medveten om de frekvensbegränsningar som införs av passiva komponenter och kortspår;
försök att undvika vertikal placering av passiva komponenter i höghastighetskretsar;
För högfrekvenskretsar, använd komponenter designade för ytmontering;
ledare bör vara kortare, desto bättre;
om en större ledarlängd krävs, minska dess bredd;
Oanvända stift på aktiva komponenter måste anslutas korrekt.

Kabeldragning:

placera den analoga kretsen nära strömkontakten;
dirigera aldrig ledare som sänder logiska signaler genom det analoga området på kortet och vice versa;
gör ledarna lämpliga för den inverterande ingången på op-förstärkarens kortslutning;
se till att ledarna för op-förstärkarens inverterande och icke-inverterande ingångar inte är placerade parallellt med varandra över en lång sträcka;
försök att undvika att använda extra vias, eftersom... deras egen induktans kan orsaka ytterligare problem;
dra inte ledarna i rät vinkel och jämna ut de övre hörnen om möjligt.

Utbyte:

använd rätt typer av kondensatorer för att dämpa brus i strömförsörjningskretsar;
för att dämpa lågfrekvent störning och brus, använd tantalkondensatorer vid strömingångskontakten;
För att undertrycka högfrekventa störningar och brus, använd keramiska kondensatorer vid strömingångskontakten;
använd keramiska kondensatorer vid varje strömstift i mikrokretsen; vid behov, använd flera kondensatorer för olika frekvensområden;
om excitation inträffar i kretsen, är det nödvändigt att använda kondensatorer med ett lägre kapacitansvärde och inte en större;
i svåra fall, använd seriekopplade motstånd med låg resistans eller induktans i kraftkretsar;
Analoga strömavkopplingskondensatorer bör endast anslutas till den analoga jordningen, inte den digitala jordningen.

Flerlagers PCB

För kritisk kretsdesign krävs multilayer printed circuit boards (MPBs). Några anledningar till deras användning är uppenbara:

Fördelningen av kraftbussar är lika bekväm som för den vanliga trådbussen; om polygoner på ett separat lager används som kraftbussar är det ganska enkelt att förse varje kretselement med ström med hjälp av vias
signallager befrias från kraftbussar, vilket underlättar signalledningar
fördelad kapacitans uppträder mellan jord- och effektpolygonerna, vilket minskar högfrekvent brus

Utöver dessa skäl för att använda flerskiktiga kretskort finns det andra, mindre uppenbara:

bättre elektromagnetisk undertryckning ( EMI) och radiofrekvens ( RFI) störningar på grund av reflektionseffekten ( bildplanseffekt), känd på Marconis tid. När en ledare placeras nära en plan ledande yta kommer de flesta av de högfrekventa returströmmarna att flyta längs planet direkt under ledaren. Riktningen för dessa strömmar kommer att vara motsatt riktningen för strömmarna i ledaren. Således skapar reflektionen av ledaren i planet en signalöverföringsledning. Eftersom strömmarna i ledaren och i planet är lika stora och motsatta i riktning, skapas en viss minskning av utstrålad interferens. Reflexionseffekten fungerar endast effektivt med obrutna solida polygoner (dessa kan vara både jordade polygoner och potenspolygoner). Förlust av integritet kommer att resultera i minskad störningsdämpning.
minskning av totalkostnaden för småskalig produktion. Även om flerskikts-PCB är dyrare att tillverka, är deras potentiella strålning lägre än för enkel- och dubbelskikts-PCB. Därför, i vissa fall, kommer användningen av enbart flerskiktstavlor att göra det möjligt för dig att uppfylla de utsläppskrav som ställdes under designen, utan ytterligare testning och testning. Användningen av MPP kan minska nivån av utstrålad störning med 20 dB jämfört med dubbla lagerkort.

Lagerordning

Grundstötning

God jordning är ett allmänt krav för ett rikt system med flera nivåer. Och det bör planeras från det första steget i designutvecklingen.

Grundregel: delning av mark.

Att dela upp marken i analoga och digitala delar är en av de enklaste och mest effektiva metoderna för brusreducering. Ett eller flera lager av ett flerlagers tryckt kretskort är vanligtvis dedikerade till ett lager av jordade polygoner. Om utvecklaren inte är särskilt erfaren eller ouppmärksam, kommer den analoga delens jord att vara direkt kopplad till dessa polygoner, dvs. analog strömretur kommer att använda samma krets som digital returström. Bildistributörer arbetar på ungefär samma sätt och förenar alla länder tillsammans.

Andra regler för landbildning:

Figur 4 visar möjlig variant placering av alla komponenter på kortet, inklusive strömförsörjningen. Detta använder tre separata och isolerade jord-/strömplan: ett för källan, ett för den digitala kretsen och ett för den analoga kretsen. Jord- och strömkretsarna för de analoga och digitala delarna kombineras endast i strömförsörjningen. Högfrekvent brus filtreras bort i strömkretsarna med chokes. I det här exemplet är högfrekventa signaler från de analoga och digitala delarna separerade från varandra. Denna design har en mycket hög sannolikhet för ett gynnsamt resultat, eftersom det säkerställer en bra placering av komponenter och efterlevnad av reglerna för kretsseparation.

Det måste tas med i beräkningen att de digitala elementen i omvandlaren kan försämra kretsens kvalitetsegenskaper genom att introducera digitalt brus i de analoga jord- och analoga kraftkretsarna. Vid konstruktion av omvandlare beaktas denna negativa påverkan så att den digitala delen förbrukar så lite ström som möjligt. Samtidigt reduceras interferens från kopplingslogikelement. Om de digitala stiften på omvandlaren inte är hårt belastade, orsakar intern omkoppling vanligtvis inga speciella problem. Vid konstruktion av ett kretskort som innehåller en ADC eller DAC måste man noggrant överväga att koppla bort omvandlarens digitala strömförsörjning till analog jord.

Frekvensegenskaper för passiva komponenter

Korrekt val av passiva komponenter är avgörande för korrekt funktion av analoga kretsar. Börja din design genom att noggrant överväga högfrekventa egenskaper hos passiva komponenter och preliminär placering och layout av dem på skivskissen.

Motstånd

Högfrekvensegenskaperna hos motstånd kan representeras av den ekvivalenta kretsen som visas i figur 5.

Kondensatorer

Kondensatorernas högfrekvensegenskaper kan representeras av den ekvivalenta kretsen som visas i figur 6.

Kondensatorer i analoga kretsar används som frånkopplings- och filtreringskomponenter. För en idealisk kondensator bestäms reaktansen av följande formel:

Därför kommer en 10 µF elektrolytisk kondensator att ha ett motstånd på 1,6 ohm vid 10 kHz och 160 µohm vid 100 MHz. Är det så?

Vid användning av elektrolytkondensatorer måste försiktighet iakttas för att säkerställa korrekt anslutning. Den positiva terminalen måste kopplas till en mer positiv konstant potential. En felaktig anslutning gör att likström flyter genom elektrolytkondensatorn, vilket kan skada inte bara själva kondensatorn utan också en del av kretsen.

Induktans

Induktansernas högfrekvensegenskaper kan representeras av den ekvivalenta kretsen som visas i figur 7.

Induktansreaktansen beskrivs med följande formel:

Därför kommer en 10 mH induktans att ha en reaktans på 628 ohm vid 10 kHz och en reaktans på 6,28 megaohm vid 100 MHz. Höger?

Själva kretskortet har egenskaperna hos de passiva komponenterna som diskuterats ovan, även om det inte är så uppenbart.

Mönstret av ledare på ett kretskort kan vara både en källa och en mottagare för störningar. Bra kabeldragning minskar den analoga kretsens känslighet för strålningskällor.

Lite antennteori

Vid likström eller låga frekvenser dominerar den aktiva komponenten. När frekvensen ökar blir den reaktiva komponenten mer och mer betydelsefull. I intervallet från 1 kHz till 10 kHz börjar den induktiva komponenten träda i kraft och ledaren är inte längre en lågimpedanskontakt, utan fungerar snarare som en induktor.

Formeln för att beräkna induktansen för en PCB-ledare är följande:

Regeln för en piskantenn är att den börjar märkbart interagera med fältet vid cirka 1/20 av våglängden, och maximal interaktion sker vid en stavlängd på 1/4 av våglängden. Därför kommer 10 cm-ledaren från exemplet i föregående stycke att börja bli en ganska bra antenn vid frekvenser över 150 MHz. Man måste komma ihåg att trots det faktum att klockgeneratorn i en digital krets kanske inte fungerar vid frekvenser över 150 MHz, finns det alltid högre övertoner i dess signal. Om det tryckta kretskortet innehåller komponenter med stiftstift av avsevärd längd, kan sådana stift även tjäna som antenner.

Erfarna PCB-designers med en rimlig förståelse för slingantennteori vet att de inte designar slingor för kritiska signaler. Vissa designers tänker dock inte på detta, och retur- och signalströmledarna i deras kretsar är slingor. Skapandet av slingantenner är lätt att demonstrera med ett exempel (fig. 8). Dessutom visas skapandet av en slotantenn här.

Låt oss överväga tre fall:

Alternativ A är ett exempel på dålig design. Den använder inte en analog jordpolygon alls. Slingkretsen bildas av jord- och signalledarna. När en ström passerar uppstår ett elektriskt fält och ett magnetfält vinkelrätt mot det. Dessa fält utgör basen för slingantennen. Slingantennregeln säger att för bästa effektivitet bör längden på varje ledare vara lika med halva våglängden av den mottagna strålningen. Vi bör dock inte glömma att även vid 1/20 av våglängden är loopantennen fortfarande ganska effektiv.

Alternativ B är bättre än alternativ A, men det finns ett gap i polygonen, förmodligen för att skapa en specifik plats för dirigering av signalledare. Signal- och returströmvägarna bildar en slitsantenn. Andra öglor bildas i utskärningarna runt markerna.

Alternativ B är ett exempel på en bättre design. Signal- och returströmsvägarna sammanfaller, vilket förnekar slingantennens effektivitet. Observera att denna design också har utskärningar runt chipsen, men de är separerade från returströmvägen.

Teorin om signalreflektion och matchning ligger nära teorin om antenner.

Kapacitiv koppling sker mellan PCB-ledare på olika lager när de skär varandra. Ibland kan detta skapa problem. Ledare placerade ovanför varandra på intilliggande lager skapar en lång filmkondensator. Kapaciteten hos en sådan kondensator beräknas med hjälp av formeln som visas i figur 10.

Till exempel kan ett kretskort ha följande parametrar:

4 lager; signal- och jordpolygonskikt ligger intill varandra
mellanskiktsavstånd - 0,2 mm
ledarbredd - 0,75 mm
ledarlängd - 7,5 mm

Den typiska ER-dielektriska konstanten för FR-4 är 4,5.

Det kan ses att amplituden för utsignalen fördubblas vid frekvenser nära den övre gränsen för op-förstärkarens frekvensområde. Detta kan i sin tur leda till svängningar, speciellt vid antenndriftsfrekvenser (över 180 MHz).

Bredden på PCB-ledarna kan inte minskas i det oändliga. Den maximala bredden bestäms av både den tekniska processen och foliens tjocklek. Om två ledare passerar nära varandra, bildas en kapacitiv och induktiv koppling mellan dem (fig. 12).

Signalledare bör inte dras parallellt med varandra, förutom när det gäller differential- eller mikrostripledningar. Avståndet mellan ledarna bör vara minst tre gånger ledarnas bredd.

Till exempel, med d=0,4 mm och h=1,5 mm (ganska vanliga värden), är hålets induktans 1,1 nH.

Kom ihåg att om det finns stora motstånd i kretsen, bör särskild uppmärksamhet ägnas åt att rengöra brädan. Under den slutliga tillverkningen av ett kretskort måste eventuellt kvarvarande flussmedel och föroreningar avlägsnas. Nyligen, vid installation av tryckta kretskort, används ofta vattenlösliga flussmedel. Eftersom de är mindre skadliga kan de lätt tas bort med vatten. Men samtidigt kan tvättning av brädan med otillräckligt rent vatten leda till ytterligare föroreningar som försämrar de dielektriska egenskaperna. Därför är det mycket viktigt att rengöra högimpedanskretskortet med färskt destillerat vatten.

Signalisolering

Om du behöver lägga ut ett kretskort som har både analoga och digitala delar, måste du ha åtminstone en liten förståelse för de elektriska egenskaperna hos de logiska elementen.

Ett typiskt slutsteg hos ett logikelement innehåller två transistorer kopplade i serie med varandra, såväl som mellan effekt- och jordkretsarna (fig. 14).

Tabell 2 visar de maximala driftfrekvenserna för vanliga kondensatortyper.

Tabell 2

Faktiska specifikationer kan variera mellan olika tillverkare och även från batch till batch inom samma tillverkare. Det är viktigt att förstå att för att en kondensator ska fungera effektivt måste de frekvenser som den undertrycker vara i ett lägre område än dess egen resonansfrekvens. Annars kommer reaktansens natur att vara induktiv, och kondensatorn kommer inte längre att fungera effektivt.

Missa inte att en 0,1 µF kondensator kommer att undertrycka alla frekvenser. Små kondensatorer (10 nF eller mindre) kan arbeta mer effektivt vid högre frekvenser.

IC-strömavkoppling

En frånkopplingskondensator måste anslutas till varje chippaket, oavsett om det finns 1, 2 eller 4 op-amps inuti paketet. Om op-ampen är dubbelmatad så är det självklart att frånkopplingskondensatorer ska placeras vid varje kraftstift. Kapacitansvärdet måste väljas noggrant beroende på vilken typ av brus och störningar som finns i kretsen.

I särskilt svåra fall kan det vara nödvändigt att lägga till en induktans kopplad i serie med uteffekten. Induktansen bör placeras före, inte efter, kondensatorerna.

Isolering av in- och utsignaler

I en situation där frekvensområdet för det inducerade bruset skiljer sig markant från kretsens frekvensområde, är lösningen enkel och uppenbar - att placera ett passivt RC-filter för att undertrycka högfrekventa störningar. Men när du använder ett passivt filter måste du vara försiktig: dess egenskaper (på grund av passiva komponenters icke-ideala frekvensegenskaper) förlorar sina egenskaper vid frekvenser 100...1000 gånger högre än gränsfrekvensen (f 3db). Vid användning av seriekopplade filter som är inställda på olika frekvensområden, bör det högre frekvensfiltret vara närmast störningskällan. Ferritringinduktorer kan också användas för att dämpa brus; de behåller resistansens induktiva natur upp till en viss frekvens, och ovanför blir deras resistans aktiv.

Störningarna på en analog krets kan vara så stora att det bara går att bli av med det (eller åtminstone minska det) genom att använda skärmar. För att fungera effektivt måste de vara noggrant utformade så att de frekvenser som orsakar flest problem inte kan komma in i kretsen. Det betyder att skärmen inte bör ha hål eller urskärningar som är större än 1/20 av våglängden på den strålning som avskärmas. Det är en bra idé att allokera tillräckligt med utrymme för den föreslagna skölden redan från början av PCB-designen. När du använder en skärm kan du valfritt använda ferritringar (eller pärlor) för alla anslutningar till kretsen.

Op amp höljen

En, två eller fyra operationsförstärkare är vanligtvis placerade i ett paket (fig. 16).

I en enkel operationsförstärkare är utgången placerad på motsatt sida av ingångarna. Detta kan göra det svårt att driva förstärkaren vid höga frekvenser på grund av de långa återkopplingslinjerna. Ett sätt att övervinna detta är att placera förstärkaren och återkopplingskomponenterna på olika sidor av kretskortet. Detta resulterar dock i minst två ytterligare hål och skärningar i markpolygonen. Ibland är det värt att använda en dubbel operationsförstärkare för att lösa detta problem, även om den andra förstärkaren inte används (och dess stift måste vara korrekt anslutna). Figur 17 illustrerar minskningen av längden av återkopplingskretsledarna för en inverterande anslutning.

Dubbla och fyrdubbla op-amps, förutom ovanstående, möjliggör mer tät installation. De individuella förstärkarna verkar vara spegelvända i förhållande till varandra (fig. 18).

Figurerna 17 och 18 visar inte alla anslutningar som krävs för normal drift, t.ex. mellannivådrivrutinen när unipolär strömförsörjning. Figur 19 visar ett diagram över en sådan formare vid användning av en quad-förstärkare.

Diagrammet visar alla nödvändiga anslutningar för att implementera tre oberoende inverteringssteg. Det är nödvändigt att uppmärksamma det faktum att ledarna för halvmatningsspänningsdrivenheten är placerade direkt under det integrerade kretshuset, vilket gör det möjligt att minska deras längd. Detta exempel illustrerar inte vad som bör vara, utan vad som bör göras. Den genomsnittliga nivåspänningen kan till exempel vara densamma för alla fyra förstärkarna. Passiva komponenter kan dimensioneras därefter. Till exempel, ramstorlek 0402 plana komponenter matchar stiftavståndet för ett standard SO-paket. Detta gör att ledarlängder kan hållas mycket korta för högfrekvensapplikationer.

Oanvända sektioner

När du använder dubbla och fyrdubbla op-amps i en krets kan vissa sektioner förbli oanvända och måste anslutas korrekt i detta fall. Felaktiga anslutningar kan leda till ökad strömförbrukning, mer värme och mer brus från op-förstärkarna som används i samma paket. Stiften på oanvända operationsförstärkare kan anslutas som visas i fig. 20a. Anslutning av stift med ytterligare komponenter (fig. 20b) gör det enkelt att använda denna op-amp under installationen.

Slutsats

Kom ihåg följande grundläggande punkter och håll dem i åtanke när du designar och kopplar analoga kretsar.

Är vanliga:

tänk på ett kretskort som en elektrisk kretskomponent
ha en medvetenhet om och förståelse för källor till buller och störningar
modell- och layoutkretsar

Tryckt kretskort:

använd endast PCB gjorda av kvalitetsmaterial (till exempel FR-4)
kretsar gjorda på flerskikts kretskort är 20 dB mindre mottagliga för externa störningar än kretsar gjorda på tvåskiktskort
använd separerade, icke-överlappande polygoner för olika landområden och flöden
Placera jord- och kraftpolygonerna på de inre lagren av PCB.

Komponenter:

Var medveten om de frekvensbegränsningar som införs av passiva komponenter och kortspår
försök att undvika vertikal placering av passiva komponenter i höghastighetskretsar
För högfrekvenskretsar, använd ytmonterade komponenter
ledare bör vara kortare, desto bättre
om en större ledare krävs, minska dess bredd
Oanvända stift på aktiva komponenter måste anslutas korrekt

Kabeldragning:

Placera den analoga kretsen nära strömkontakten
dra aldrig ledningar som bär logiska signaler genom det analoga området på kortet, och vice versa
gör ledarna lämpliga för den inverterande ingången på op-förstärkarens kortslutning
se till att ledarna för de inverterande och icke-inverterande ingångarna på op-förstärkaren inte är parallella med varandra över en lång sträcka
försök att undvika att använda extra vias, eftersom... deras egen induktans kan orsaka ytterligare problem
dra inte ledare i rät vinkel och jämna till hörnen om möjligt

Utbyte:

använd rätt typer av kondensatorer för att dämpa brus i strömkretsar
För att dämpa lågfrekvent störning och brus, använd tantalkondensatorer vid strömingångskontakten
För att dämpa högfrekventa störningar och brus, använd keramiska kondensatorer vid strömingångskontakten
använd keramiska kondensatorer vid varje strömstift i mikrokretsen; Använd vid behov flera kondensatorer för olika frekvensområden
om excitation inträffar i kretsen är det nödvändigt att använda kondensatorer med ett lägre kapacitansvärde och inte ett större
i svåra fall, använd seriekopplade motstånd med låg resistans eller induktans i kraftkretsar
Analoga strömavkopplingskondensatorer bör endast anslutas till analog jord, inte digital jord

Bruce Carter
Op Amps For Everyone, kapitel 17
Tekniker för kretskortslayout
Design Reference, Texas Instruments, 2002