РадиоЛоцман - Все об электронике

Практическое руководство по компоновке печатных плат для высокоскоростных схем. Часть 1 - Развязка по питанию и паразитные параметры

Несмотря на критически важную роль в высокоскоростных схемах, компоновка печатной платы часто является одним из последних этапов проектирования. Эта тема имеет множество аспектов, по ней было написано много литературы. В данной статье компоновка рассматривается с практической точки зрения. Основная цель в том, чтобы заострить внимание новичков на многих различных тонкостях, которые им необходимо учитывать при компоновке печатных плат для высокоскоростных схем. Но статья также предназначена для освежения знаний тех, кто какое-то время не занимался компоновкой плат. Не все темы могут быть детально рассмотрены в рамках такой небольшой статьи, но мы обратимся к ключевым областям, способным принести наибольшую пользу в улучшении характеристик схемы, сокращении времени проектирования и минимизации трудоемких доработок.

Вебинар Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок - 30.09.2021

Хотя основное внимание уделяется схемам с высокоскоростными операционными усилителями (ОУ), обсуждаемые здесь темы и методы в целом применимы к компоновке большинства других высокоскоростных аналоговых схем. Когда ОУ работает в области ВЧ, характеристики устройства сильно зависят от компоновки платы. Высококачественная конструкция, которая хорошо выглядит «на бумаге», может показать посредственные характеристики из-за небрежной компоновки. Стараясь все продумывать заранее и обращая внимание на существенные детали в процессе компоновки, можно почти гарантировать, что устройство будет работать так, как ожидалось.

Принципиальная схема

Хотя нет никакой гарантии, но хорошая компоновка начинается с хорошо нарисованной схемы. Будьте внимательны при рисовании схемы, сопровождайте ее большим количеством пометок и учитывайте направление прохождения сигнала. Схема, имеющая естественное и общепринятое направление прохождения сигнала слева направо, как правило, будет иметь хорошее прохождение сигнала и на плате. Поместите на схему как можно больше полезной информации. Проектировщики, техники и инженеры, которые будут работать с вашей схемой, будут вам очень признательны, включая и нас; время от времени клиенты просят нас помочь со схемой, потому что ее проектировщика больше нет.

Какая информация содержится на схеме, помимо привычных позиционных обозначений, рассеиваемых мощностей и допусков? Вот несколько советов, которые могут превратить обычную схему в суперсхему. Добавьте временные диаграммы сигналов; информацию механического характера о корпусе или экране, длине дорожек, областях без трассировки; обозначьте, какие компоненты должны находиться на верхней стороне платы; включите туда информацию о настройке, диапазоны значений компонентов, информацию о тепловых характеристиках, о согласованных линиях передачи, примечания, краткое описание работы схемы… (список можно продолжать).

Никому не доверять

Если вы не занимаетесь компоновкой платы собственноручно, обязательно уделите достаточно времени обсуждению предстоящей работы с человеком, ответственным за компоновку. На этом этапе унция профилактики стоит больше, чем фунт лечения! Не надейтесь, что компоновщик способен читать ваши мысли. Ваше техническое задание и рекомендации наиболее важны в начале процесса компоновки. Чем больше информации вы можете предоставить, и чем сильнее вы вовлечены в этот процесс, тем лучше выйдет плата. Обозначьте проектировщику платы точки промежуточных этапов, на которых вы хотите ознакомиться с ходом компоновки. Такая организация рабочего процесса предотвращает слишком большое отклонение компоновки от намеченной и сводит к минимуму переделки платы.

Ваши указания разработчику платы должны включать в себя:

  • краткое описание функций схемы;
  • эскиз платы, на котором показано расположение входов и выходов сигнала;
  • строение платы «в разрезе» (т.е., какой будет ее толщина, количество слоев, подробное описание сигнальных аналоговых, цифровых и ВЧ слоев и сплошных слоев питания и земли);
  • какие сигналы должны проходить в каждом слое;
  • где должны располагаться критически важные компоненты;
  • точное расположение компонентов развязки;
  • какие дорожки имеют решающее значение;
  • какие дорожки должны составлять согласованные линии передачи;
  • какие дорожки должны иметь одинаковую длину;
  • размеры компонентов;
  • какие дорожки следует располагать рядом, либо дальше друг от друга (это же относится и к цепям, и к компонентам);
  • какие компоненты должны находиться сверху и снизу платы.

На вас никогда не пожалуются за то, что вы предоставили кому-то слишком много информации; а вот если слишком мало – то да.

Личный опыт: около 10 лет назад, я проектировал многослойную плату поверхностного монтажа с компонентами на обеих сторонах. Плата крепилась в позолоченный алюминиевый корпус множеством винтов (чтобы обеспечить требуемую стойкость к вибрации). Сквозь плату проходили контакты, соединявшиеся с ней проводами. Сборка была трудоемкой. Некоторые компоненты должны были подбираться при тестировании, но я не уточнил, где следовало их расположить. Как вы думаете, где были расположены некоторые из них? Правильно, снизу! Инженеры-технологи и техники были не очень довольны, когда им пришлось все это разбирать, устанавливать компоненты с нужными номиналами и затем собрать обратно. Больше я таких ошибок не совершал.

Расположение, расположение и еще раз расположение

Как и в сфере недвижимости, главное здесь - расположение. Где на плате расположена та или иная цепь, где располагаются ее отдельные компоненты и какие другие цепи расположены поблизости - все это имеет решающее значение.

Как правило, места ввода-вывода сигналов и подключения питания определены, но пространство между ними целиком в вашем распоряжении. Именно здесь внимание к деталям компоновки принесет ощутимый результат. Начните с размещения компонентов, важнейших как с точки зрения отдельных цепей, так и платы в целом. Указание с самого начала положения этих компонентов и путей трассировки сигнальных дорожек почти гарантирует, что устройство будет работать так, как задумано. Правильное выполнение с первого раза сокращает расходы и стресс, а также время проектирования.

Развязка по питанию

Шунтирование выводов питания усилителя для минимизации помех является важнейшим аспектом разработки платы - как для быстродействующих ОУ, так и для остальных высокоскоростных схем. Для высокоскоростных ОУ обычно используются два метода шунтирования.

От шин питания к земле: в этом методе, который в большинстве случаев работает лучше всего, используются несколько параллельно соединенных конденсаторов, включенных прямо между выводами питания ОУ и землей. Обычно достаточно двух параллельных конденсаторов, но некоторые схемы лучше работают с дополнительными параллельными конденсаторами.

Параллельное включение конденсаторов различной емкости позволяет гарантировать, что импеданс между выводами питания усилителя будет оставаться низким в широком диапазоне частот. Это особенно важно на тех частотах, где подавление помех по питанию (power-supply rejection, PSR) операционного усилителя становится низким. Конденсаторы позволяют компенсировать это снижение PSR. Поддержание низкого импеданса шунтирующей цепи в пределах многих декад изменения частоты помогает избежать проникновения нежелательных помех по цепям питания ОУ  На Рисунке 1 показано преимущество параллельного соединения нескольких конденсаторов. На более низких частотах низкоимпедансный путь к земле обеспечивают конденсаторы с большей емкостью. Когда частота достигает частоты собственного резонанса конденсатора, его импеданс меняется с емкостного на индуктивный. Вот почему так важно использовать несколько конденсаторов: когда импеданс одного из них начинает расти, импеданс другого все еще остается низким, что обеспечивает малый общий импеданс в широком диапазоне частот.

Частотная зависимость импеданса конденсатора.
Рисунок 1. Частотная зависимость импеданса конденсатора.

Начинаем непосредственно с выводов питания ОУ; самый миниатюрный конденсатор наименьшей емкости следует расположить на той же стороне платы, что и ОУ, как можно ближе к нему. Другой вывод конденсатора должен подключаться к земляному слою проводником минимальной длины. Чтобы свести к минимуму помехи между шинами питания и землей, это подключение делается как можно ближе к нагрузке ОУ. Этот метод показан на Рисунке 2.

Шунтирование шин питания на землю параллельно соединенными конденсаторами.
Рисунок 2. Шунтирование шин питания на землю параллельно
соединенными конденсаторами.

Эту процедуру следует повторить для следующего конденсатора большей емкости. Хорошей отправной точкой для выбора конденсаторов будет 0.01 мкФ для наименьшего значения и электролитический low ESR конденсатор 2.2 мкФ (или больше) для следующего. Конденсаторы 0.01 мкФ типоразмера 0508 имеют низкую последовательную индуктивность и отличные частотные характеристики.

Между шинами питания: в альтернативной конфигурации используется один или несколько конденсаторов, включенных между положительной и отрицательной шинами питания ОУ. Этот метод обычно используется в том случае, когда трудно подключить к цепи все четыре конденсатора, как в предыдущем методе. Недостаток метода состоит в том, что может потребоваться конденсатор с бóльшим размером корпуса, поскольку теперь он работает при напряжении, удвоенном по сравнению с предыдущим методом. Однако такой способ может улучшить PSR и снизить искажения.

Поскольку все схемы и их компоновки различны, конфигурация, количество и номиналы конденсаторов определяются фактическими требованиями к схеме.

Паразитные параметры

Паразитные параметры - это те маленькие мерзкие гремлины, которые проникают в вашу печатную плату (в буквальном смысле) и сеют хаос в вашей схеме. Это неявные паразитные емкости и индуктивности, проникающие в высокоскоростные цепи. К ним относятся индуктивности выводов компонентов и излишне длинных дорожек. емкости между основанием микросхемы и земляным слоем, слоем питания или дорожками. взаимодействия с переходными отверстиями и еще много другого. На Рисунке 3а показана типичная схема неинвертирующего ОУ. Однако, если бы были учтены паразитные параметры, та же схема выглядела бы, как на Рисунке 3б.

Типичная схема на ОУ (а) и она же с паразитными параметрами (б).
Рисунок 3. Типичная схема на ОУ (а) и она же с паразитными параметрами (б).

Чтобы нарушить работу высокоскоростных схем, не требуется значительных величин паразитных параметров. Иногда достаточно всего нескольких десятых пикофарады. Показательный пример: если цепь, идущая к инвертирующему входу ОУ, имеет паразитную емкость всего 1 пФ, это может вызвать подъем коэффициента усиления на высоких частотах почти на 2 дБ (Рисунок 4). При достаточной емкости это может привести к потере устойчивости и возбуждению.

Выброс на АЧХ, обусловленный паразитной емкостью.
Рисунок 4. Выброс на АЧХ, обусловленный паразитной емкостью.

Несколько основных формул для нахождения величин паразитных параметров помогут при поиске причин неудовлетворительной работы схемы. Формула 1 выражает емкость конденсатора с параллельными плоскими обкладками. (См. Рисунок 5).

Емкость между двумя плоскими пластинами.
Рисунок 5. Емкость между двумя плоскими пластинами.
   
  (1)

Здесь

C - емкость,
A - площадь пластины в см2,
k - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы,
d - расстояние между пластинами в сантиметрах.

Следует учитывать еще один паразитный параметр - индуктивность дорожек, обусловленную их чрезмерной длиной и отсутствием слоя земли. Формула 2 выражает индуктивность дорожки LT через ее геометрические размеры. (См. Рисунок 6).

Индуктивность участка печатной дорожки.
Рисунок 6. Индуктивность участка печатной дорожки.
   
  (2)

где

W - ширина дорожки,
L - ее длина,
H - толщина.

Все величины выражены в миллиметрах.

Колебания на Рисунке 7 иллюстрируют влияние дорожки длиной 2.54 см, идущей к неинвертирующему входу высокоскоростного ОУ. Эквивалентная паразитная индуктивность этой дорожки составляет 29 нГн, чего достаточно, чтобы вызвать устойчивые колебания малой амплитуды, сохраняющиеся в течение всего переходного процесса. На Рисунке 7 также показано, как ослабляет влияние паразитной индуктивности использование земляного слоя.

Переходная характеристика при наличии и отсутствии земляного слоя.
Рисунок 7. Переходная характеристика при наличии и отсутствии
земляного слоя.

Переходные отверстия являются еще одним источником паразитных параметров; они могут добавлять как индуктивность, так и емкость. Формула 3 позволяет найти величину паразитной индуктивности (см. Рисунок 8).

Размеры переходного отверстия.
Рисунок 8. Размеры переходного отверстия.
   
  (3)

Здесь

T - толщина платы в сантиметрах,
d - диаметр отверстия в сантиметрах.

Формула 4 позволяет найти паразитную емкость отверстия (см. Рисунок 8).

  (4)

где

εr - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы,
T - толщина платы,
D1 - диаметр контактной площадки вокруг отверстия,
D2 - диаметр выреза в земляном слое

Все величины выражены в сантиметрах.

Одиночное переходное отверстие в плате толщиной 0.157 см может внести 1.2 нГн и 0.5 пФ; вот почему при компоновке плат необходимо постоянно быть внимательным, чтобы свести к минимуму паразитные параметры.

Окончание

Analog Devices

На английском языке: A Practical Guide to High-Speed Printed-Circuit-Board Layout. Part 1

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Синхронизатор тактового сигнала с двумя цифровыми контурами ФАПЧ AD9546 от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя