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.
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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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.
 |
||
| 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).
 |
||
| 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).
 |
||
| 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.
 |
||
| 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).
 |
||
| 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.
