Zapojenie dosiek plošných spojov (PCB) hrá kľúčovú úlohu vo vysokorýchlostných obvodoch, ale často je jedným z posledných krokov v procese návrhu obvodu. S vysokorýchlostným zapojením dosiek plošných spojov existuje veľa problémov a na túto tému bolo napísaných veľa literatúry. Tento článok sa zaoberá najmä zapojením vysokorýchlostných obvodov z praktického hľadiska. Hlavným cieľom je pomôcť novým používateľom venovať pozornosť mnohým rôznym problémom, ktoré je potrebné zvážiť pri navrhovaní rozloženia dosiek plošných spojov vysokorýchlostných obvodov. Ďalším cieľom je poskytnúť prehľadový materiál pre zákazníkov, ktorí sa s zapojením dosiek plošných spojov dlhšie nestretli. Vzhľadom na obmedzené rozloženie tento článok nemôže podrobne rozobrať všetky problémy, ale budeme diskutovať o kľúčových častiach, ktoré majú najväčší vplyv na zlepšenie výkonu obvodu, skrátenie času návrhu a úsporu času úprav.

Hoci sa tu hlavný dôraz kladie na obvody súvisiace s vysokorýchlostnými operačnými zosilňovačmi, problémy a metódy diskutované v tomto dokumente sú všeobecne použiteľné aj pre zapojenie používané vo väčšine ostatných vysokorýchlostných analógových obvodov. Keď operačný zosilňovač pracuje vo veľmi vysokofrekvenčnom (RF) frekvenčnom pásme, výkon obvodu do značnej miery závisí od rozloženia dosky plošných spojov. Vysokovýkonné návrhy obvodov, ktoré vyzerajú dobre na „výkresoch“, môžu dosiahnuť bežný výkon iba v prípade, že sú ovplyvnené nedbanlivosťou počas zapojenia. Predbežné zváženie a pozornosť venovaná dôležitým detailom počas celého procesu zapojenia pomôže zabezpečiť očakávaný výkon obvodu.

Schematický diagram

Hoci dobrá schéma zapojenia nemôže zaručiť dobré zapojenie, dobré zapojenie začína dobrou schémou. Pri kreslení schémy si dôkladne premyslite a musíte zvážiť tok signálu v celom obvode. Ak je v schéme normálny a stabilný tok signálu zľava doprava, mal by byť rovnaký dobrý tok signálu aj na doske plošných spojov. Na schéme uveďte čo najviac užitočných informácií. Keďže niekedy nie je prítomný konštruktér obvodov, zákazníci nás požiadajú o pomoc s riešením problému s obvodom. Dizajnéri, technici a inžinieri zapojení do tejto práce, vrátane nás, budú veľmi vďační.

Okrem bežných referenčných identifikátorov, spotreby energie a tolerancie chýb, aké informácie by mali byť uvedené v schéme? Tu je niekoľko návrhov, ako premeniť bežné schémy na prvotriedne schémy. Pridajte priebehy, mechanické informácie o plášti, dĺžku tlačených čiar, prázdne oblasti; označte, ktoré komponenty je potrebné umiestniť na dosku plošných spojov; uveďte informácie o nastavení, rozsahy hodnôt komponentov, informácie o odvode tepla, tlačené čiary riadiacej impedancie, komentáre a stručné zapojenia. Popis akcie… (a ďalšie).
Never nikomu

Ak si zapojenie nenavrhujete sami, nezabudnite si vyhradiť dostatok času na dôkladnú kontrolu návrhu inštalatéra. Malá prevencia je v tomto bode stonásobne vynahraditeľná. Neočakávajte, že inštalatér pochopí vaše nápady. Váš názor a usmernenia sú v počiatočných fázach procesu návrhu zapojenia najdôležitejšie. Čím viac informácií poskytnete a čím viac zasiahnete do celého procesu zapojenia, tým lepšia bude výsledná doska plošných spojov. Stanovte si predbežný bod dokončenia pre rýchlu kontrolu projektanta zapojenia podľa požadovanej správy o priebehu zapojenia. Táto metóda „uzavretej slučky“ zabraňuje tomu, aby sa zapojenie stratilo, a tým sa minimalizuje možnosť prepracovania.

Pokyny, ktoré je potrebné poskytnúť elektroinštalačnému technikovi, zahŕňajú: krátky popis funkcie obvodu, schematický diagram dosky plošných spojov s uvedením vstupných a výstupných pozícií, informácie o stohovaní dosky plošných spojov (napríklad hrúbka dosky, počet vrstiev a podrobné informácie o každej signálnej vrstve a funkcii uzemňovacej roviny; spotreba energie, uzemňovací vodič, analógový signál, digitálny signál a RF signál); ktoré signály sú potrebné pre každú vrstvu; požiadavky na umiestnenie dôležitých komponentov; presné umiestnenie obtokových komponentov; ktoré tlačené čiary sú dôležité; ktoré čiary musia riadiť impedanciu tlačených čiar; ktoré čiary musia zodpovedať dĺžke; veľkosti komponentov; ktoré tlačené čiary musia byť ďaleko (alebo blízko) od seba; ktoré čiary musia byť ďaleko (alebo blízko) od seba; ktoré komponenty musia byť ďaleko (alebo blízko) od seba; ktoré komponenty musia byť umiestnené na vrchu dosky plošných spojov, ktoré sú umiestnené pod ňou. Nikdy sa nesťažujte, že je pre ostatných príliš veľa informácií - príliš málo? Je to príliš veľa? Nerobte to.

Poučná skúsenosť: Asi pred 10 rokmi som navrhol viacvrstvovú dosku plošných spojov pre povrchovú montáž – súčiastky sú na oboch stranách dosky. Dosku som upevnil v pozlátenom hliníkovom puzdre pomocou množstva skrutiek (pretože sú tam veľmi prísne antivibračné indikátory). Piny, ktoré zabezpečujú predpätie, prechádzajú cez dosku. Tento pin je pripojený k doske plošných spojov spájkovacími vodičmi. Je to veľmi zložité zariadenie. Niektoré súčiastky na doske sa používajú na testovacie nastavenie (SAT). Ale jasne som definoval umiestnenie týchto súčiastok. Viete uhádnuť, kde sú tieto súčiastky nainštalované? Mimochodom, pod doskou. Keď produktoví inžinieri a technici museli po dokončení nastavení celé zariadenie rozobrať a znova zložiť, zdali sa byť veľmi nespokojní. Odvtedy som túto chybu neurobil.

Pozícia

Rovnako ako v prípade dosky plošných spojov, umiestnenie je všetko. Kam umiestniť obvod na dosku plošných spojov, kam nainštalovať jeho špecifické komponenty a aké sú ďalšie susediace obvody, to všetko je veľmi dôležité.

Pozície vstupu, výstupu a napájania sú zvyčajne vopred určené, ale obvod medzi nimi musí „preukázať svoju vlastnú kreativitu“. Preto venovanie pozornosti detailom zapojenia prinesie obrovské zisky. Začnite s umiestnením kľúčových komponentov a zvážte konkrétny obvod a celú dosku plošných spojov. Určenie umiestnenia kľúčových komponentov a signálových ciest od začiatku pomáha zabezpečiť, aby návrh spĺňal očakávané pracovné ciele. Získanie správneho návrhu hneď na prvýkrát môže znížiť náklady a tlak a skrátiť vývojový cyklus.

Obtokový výkon

Obídenie napájania na strane napájania zosilňovača za účelom zníženia šumu je veľmi dôležitým aspektom v procese návrhu dosiek plošných spojov – vrátane vysokorýchlostných operačných zosilňovačov alebo iných vysokorýchlostných obvodov. Existujú dve bežné metódy konfigurácie na obídenie vysokorýchlostných operačných zosilňovačov.

Uzemnenie napájacieho terminálu: Táto metóda je vo väčšine prípadov najúčinnejšia, pričom sa na priame uzemnenie napájacieho pinu operačného zosilňovača používa viacero paralelných kondenzátorov. Vo všeobecnosti postačujú dva paralelné kondenzátory, ale pridanie paralelných kondenzátorov môže byť pre niektoré obvody prospešné.

Paralelné zapojenie kondenzátorov s rôznymi hodnotami kapacity pomáha zabezpečiť, aby na pine napájania bolo možné vidieť iba nízku impedanciu striedavého prúdu (AC) v širokom frekvenčnom pásme. Toto je obzvlášť dôležité pri útlmovej frekvencii operačného zosilňovača s potlačením napájania (PSR). Tento kondenzátor pomáha kompenzovať znížený PSR zosilňovača. Udržiavanie nízkoimpedančnej uzemňovacej cesty v mnohých desaťoktávových rozsahoch pomôže zabezpečiť, aby sa do operačného zosilňovača nedostal škodlivý šum. Obrázok 1 znázorňuje výhody paralelného použitia viacerých kondenzátorov. Pri nízkych frekvenciách poskytujú veľké kondenzátory nízkoimpedančnú uzemňovaciu cestu. Akonáhle však frekvencia dosiahne svoju vlastnú rezonančnú frekvenciu, kapacita kondenzátora sa oslabí a postupne sa javí indukčná. Preto je dôležité použiť viacero kondenzátorov: keď frekvenčná odozva jedného kondenzátora začne klesať, začne fungovať frekvenčná odozva druhého kondenzátora, takže dokáže udržiavať veľmi nízku striedavú impedanciu v mnohých desaťoktávových rozsahoch.

Začnite priamo s napájacími pinmi operačného zosilňovača; kondenzátor s najmenšou kapacitou a najmenšou fyzickou veľkosťou by mal byť umiestnený na rovnakej strane dosky plošných spojov ako operačný zosilňovač – a čo najbližšie k zosilňovaču. Uzemňovacia svorka kondenzátora by mala byť priamo pripojená k uzemňovacej rovine pomocou najkratšieho pinu alebo plošného spoja. Pripojenie nad zemou by malo byť čo najbližšie k záťažovej svorke zosilňovača, aby sa znížilo rušenie medzi napájacou svorkou a uzemňovacou svorkou.

Tento postup by sa mal opakovať pre kondenzátory s najbližšou najväčšou hodnotou kapacity. Najlepšie je začať s minimálnou hodnotou kapacity 0,01 µF a blízko nej umiestniť elektrolytický kondenzátor s kapacitou 2,2 µF (alebo väčšou) s nízkym ekvivalentným sériovým odporom (ESR). Kondenzátor s kapacitou 0,01 µF s puzdrom veľkosti 0508 má veľmi nízku sériovú indukčnosť a vynikajúci výkon pri vysokých frekvenciách.

Napájanie medzi zdrojmi: Ďalšia metóda konfigurácie využíva jeden alebo viac bypassových kondenzátorov pripojených medzi kladné a záporné svorky napájania operačného zosilňovača. Táto metóda sa zvyčajne používa, keď je ťažké konfigurovať štyri kondenzátory v obvode. Jej nevýhodou je, že veľkosť puzdra kondenzátora sa môže zväčšiť, pretože napätie na kondenzátore je dvojnásobné oproti hodnote napätia pri bypassovej metóde s jedným zdrojom. Zvýšenie napätia si vyžaduje zvýšenie menovitého prierazného napätia zariadenia, teda zväčšenie veľkosti puzdra. Táto metóda však môže zlepšiť PSR a skreslenie.

Pretože každý obvod a zapojenie je odlišné, konfigurácia, počet a hodnota kapacity kondenzátorov by sa mali určiť podľa požiadaviek skutočného obvodu.