Что такое топология печатной платы

50

Урок 2.

Основные требования к топологии изложены в разделе Технологические возможности изготовления печатных плат рис. 1, таблица 2 и рис. 2, таблица 3.

На первый взгляд в этих таблицах и рисунках всё наглядно и понятно, но, как говорится, есть нюансы. Остановимся на них подробнее.

Первое замечание. Параметры по зазорам так же относятся и к элементам принадлежащим одной цепи. Т.е. если вы делаете плату по классу сложности «А» с зазором между проводниками 0.2 мм, то и параллельные проводники, принадлежащие одной цепи не должны проходить относительно друг друга ближе, чем 0.2 мм. Это же относится и к термальному подключению площадок к полигону — расстояние от площадки до полигона не должно быть менее 0.2 мм.

Обратите внимание на ободки. Их можно представить как проводник вокруг отверстия. Поэтому для класса сложности «А» ободки должны быть не менее 0.2 мм. Если вы разводите печатную плату с параметрами проводник/зазор 0.2/0.2, а переходные закладываете отверстие/площадка — 0.4/0.7, то плата автоматически переходит в класс сложности «В».

Здесь же стоит отметить, что текст, различные логотипы и прочие «рисунки» должны соответствовать параметрам N (ширина) и O (зазоры) таблицы 3 Технологических возможностей изготовления печатных плат, т.е. ширина линии символа (буквы) и расстояние между ними должны соответствовать указанным в таблице значениям. Наиболее подходящим для текста является любой моноширинный шрифт, например, GOST type B.

Второе замечание. Полигоны. Настоятельно не рекомендуется рисовать обширные участки меди (полигоны) флешами. Их нужно рисовать именно полигонами, т.к. большинство САПР считает, что флеш — это планарная площадка. И все DRC проверки завязаны на это — проверка расстояний от площадки до края маски, до линий маркировки. И если вместо нормальных полигонов нарисованы перекрывающие друг друга флеши, то все эти проверки становятся бессмысленными, их приходится отключать, что в свою очередь может привести к тому, что не будет обнаружена настоящая ошибка. Впрочем, справедливо и обратное — не стоит рисовать площадки полигонами. (продолжение следует. )

4.2.3 Топология печатной платы

Для разработки топологии печатной платы была использована САПР P-CAD 2004.

Системы P-CAD являются интегрированным набором специализированных программных пакетов и имеет иерархическую модульную структуру. Интегрированная САПР P-CAD – это наиболее популярная в мире система автоматизации проектирования и подготовки производства печатных плат, начиная от создания схемы электрической принципиальной и заканчивая выводом конструкторской и технологической документации на печатную плату и формированием управляющих программ для станков с ЧПУ и фотокоординатографов. В процессе разработки топологии печатной платы были использованы содержащиеся в составе пакета P-CAD 2004 прикладные программы, программа автоматической трассировки соединений печатной платы и программы-утилиты, выполняющие служебные функции.

Первоначальным этапом проектирования печатных плат является создание в графическом редакторе электрической принципиальной схемы. Элементы заносятся из библиотеки Р-САD 2004, электрические связи вводятся с помощью команд графического редактора, элементам присваиваются обозначения. Выходной файл схемы обрабатывается подпрограммой, подготавливающей соответствующий список цепей и элементов. Полученный в результате обработки файл, а также файлы, содержащие информацию конструктивов элементов, являются исходными для подпрограммы — «упаковщика» P-CAD 2004.

Эта программа формирует конструктив печатной платы, то есть выбирает из библиотеки P-CAD 2004 в соответствии с электрической схемой конструктивные элементы и вводит электрические связи между ними.

На следующем этапе возможны как ручная компоновка, так и автоматическое размещение элементов на поле печатной платы. Для автоматического размещения применяется программа AutoPlace, которая, как показывает опыт, для плат плотного монтажа компонует элементы весьма неудовлетворительно. Поэтому размещение элементов для проектируемых плат производилось вручную.

Печатная плата блока источника вторичного питания пульта выполнена на двухстороннем фольгированном стеклотекстолите СФ-2-35Г-1,5. Разработка платы выполнялась в соответствии с ОСТ В95 1749-87 и ОСТ В95 1764-2002. Топология первой и второй сторон платы представлены в графической части дипломного проекта.

4.3 Расчет трансформатора

В соответствии с заданной электрической схемой в состав блока ВИП и ВК входит трансформатор. Необходимо провести его расчет и разработать конструкцию.

Исходные данные для расчета:

Марка сердечника М2000НМ1-17 (К16х10х4,5);

Марка провода ПЭТВ-2;

Число витков первой первичной обмотки w₁=33;

Число витков второй первичной обмотки w₂=33;

Число витков третьей первичной обмотки w₃=13;

Число витков четвертой первичной обмотки w₄=61;

Число витков пятой первичной обмотки w₅=61;

Число витков первой выходной обмотки w_вых1=23;

Число витков второй выходной обмотки w_вых2=23;

Число витков третьей выходной обмотки w_вых3=52;

Число витков четвертой выходной обмотки w_вых4=52;

Максимальный диаметр изолированного провода первичной обмотки d_из1=0,14 мм;

Максимальный диаметр изолированного провода вторичной обмотки d_из2=0,28 мм;

Разработка топологии печатных плат

Конструирование современных радиоэлектронных средств построено на базе печатных плат; как правило, функциональные ячейки РЭС представляют собой печатные платы с установленными на них электрорадиоизделиями (ЭРИ). Печатная плата (ПП) состоит из изоляционного основания и нанесенного на него печатного монтажа; печатный монтаж представляет собой совокупность печатных проводников, обеспечивающую возможность электрического соединения элементов схемы. Печатным проводником называют простейший элемент ПП – участок токопроводящего покрытия, нанесенного на изоляционное основание.

По конструкции печатные платы классифицируют как односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП). Выбор конструктором числа слоев означает выбор между ОПП, ДПП и МПП для конкретной, поставленной перед ним задачи. Однослойные ПП всегда имеют один изоляционный слой, на котором находятся печатные проводники. Если они расположены на одной стороне изоляционного основания, то печатную плату называют односторонней; если на двух сторонах – двусторонней. Многослойные печатные платы являются дальнейшим развитием техники печатного монтажа; их применение позволяет увеличить плотность монтажа и сократить длину соединительных проводников. МПП состоит из нескольких печатных слоев, спрессованных с использованием склеивающих прокладок (рис. 3.1).

Рис. 3.1. МПП, полученная методом попарного прессования:

1, 4 – печатные проводники наружного слоя; 2, 3 – печатные проводники внутреннего слоя; 5, 10, 11 – металлизированные отверстия;

6, 9 – заготовки ПП; 7, 8 – склеивающие прокладки

В последнее время практически любые топологические задачи решают на основе ДПП с прокладкой на поверхности платы дополнительных прямых отрезков изолированного провода, заменяющих печатные проводники, не вошедшие в топологический рисунок. Кроме того, по сравнению с ОПП ДПП значительно меньше подвержены короблению, т.к. расположенные с обеих сторон основания металлические слои до некоторой степени компенсируют друг друга.

Чтобы к печатному проводнику можно было припаять объемный проводник или вывод навесного ЭРИ, на проводнике делают контактную площадку в виде участка с увеличенной шириной (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Печатные проводники и контактные площадки для пайки выводов ЭРИ: 1 – печатный проводник, 2 – контактная площадка для ЭРИ со штыревыми выводами, 3 – контактные площадки для ЭРИ с планарными выводами; 4 – ключ у площадки, к которой будет припаян вывод № 1 микросхемы; 5 – линии координатной сетки

Монтажное отверстие (отверстие для крепления вывода ЭРИ) может иметь металлизированные стенки, которые контактируют с площадкой по всему периметру отверстия. При установке объемных проводников и выводов элементов в металлизированное монтажное отверстие обеспечивается наиболее надежный паяный электрический контакт. Как видно из рис. 3.3, в этом случае припой затекает в отверстие и контактирует со стенками отверстия и той частью вывода, которая расположена в нем. Металлизированное отверстие может быть использовано также для электрического соединения двух проводников, находящихся на разных сторонах двусторонней печатной платы и для соединения двух и более проводников, расположенных на разных слоях МПП; в этом случае его называют переходным. На рис. 3.2, 3.3 дано графическое изображение печатной платы (проводников, отверстий, контактных площадок), отличающееся от принятого для изображения на чертежах, для наибольшей наглядности.

При конструировании печатных плат используют четыре главных критерия:

1) габаритный критерий;

2) критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя;

3) критерий числа слоев;

4) критерий материала основания.

Рис. 3.3. Пайка проводников в металлизированном (а) и неметаллизированном (б) отверстиях

Помимо главных критериев, должны учитываться вспомогательные – критерии по ограничению паразитных и тепловых параметров, по ограничению массогабаритных характеристик и т.д.

Выбор габаритов ПП связан с разбиением электрической схемы блока на функционально законченные части, после чего оценивают возможность унификации, т.е. выявления частей электрической схемы, которые могут быть выполнены на ПП и использованы в данном блоке несколько раз (их выполняют в виде модулей). В производстве РЭС используют, в основном, платы прямоугольной формы; толщина платы определяется размером наибольшей стороны из условия обеспечения достаточной жесткости платы на изгиб и принятого способа закрепления.

Наибольшее распространение в отечественной практике получила толщина 1,0 мм и 1,5 мм, т.к. она допускает получение в основании отверстий с минимально допустимыми диаметрами 0,32 мм и 0,48 мм соответственно. Если толщина выбирается с точки зрения жесткости печатного узла, то необходимо чтобы жесткость была пропорциональна толщине в кубе. Для основания используют изоляционные материалы типа стеклопластиков (в обычном виде или фольгированные) или листовой металл. Металлическое основание представляет собой лист металла толщиной 0,5 мм с полимерной пленкой толщиной 0,15 мм, накатанной с двух сторон листа. Выбор металлического основания оправдан при необходимости радикального уменьшения теплового сопротивления платы (в 3¸4 раза).

Площадь печатной платы определяется по формуле:

где – площадь посадочного места i-го элемента, k – коэффициент заполнения ПП (k=1,5¸1,6), n – количество ЭРИ на данной печатной плате.

Посадочным местом называют контур площадки, занимаемой на ПП i-м навесным элементом, включая контактные площадки под формованные выводы, которые зачастую выступают за габариты корпуса. Площадь ПП состоит из рабочей (монтажной) зоны и зоны краевого поля, предусматриваемого для технологических целей (размещения разъемов и т.п.).

Ширина краевого поля есть расстояние от края ПП до первого ряда посадочных мест (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Размещение ЭРИ на ПП: 1 – посадочное место, 2 – граница зоны размещения, 3 – краевое поле ПП, х₁ – ширина краевого поля для размещения контрольных гнезд на левой кромке ПП, x₂ – ширина краевого поля правой кромки ПП; y₁ и y₂ – ширина краевых полей нижней и верхней кромок ПП соответственно

Для штыревых выводов величины x₂, y₁ и y₂ принимают равными 5 мм, для планарных – 2,5 мм. Размер краевого поля х₁ зависит от типа выбранного соединителя (табл. 3.1).

Размеры краевого поля х₁ для различных соединителей

Полученные значения длины и ширины ПП следует привести в соответствие со стандартизированным рядом (табл. 3.2).

Допуски на линейные размеры сторон печатной платы должны соответствовать ГОСТ 25347-82 и ОСТ4 Г0.010.014. Отклонение от перпендикулярности печатных плат не должно быть более 0,2 на 100 мм длины.

Габариты ПП в значительной мере зависят от плотности рисунка печатной платы, который в свою очередь обусловлен возможностями производства, т.е. точностью изготовления печатной платы. Первый класс характеризуется наименьшей плотностью проводящего рисунка и наименьшей точностью изготовления; второй и третий – повышенной и высокой плотностью (табл. 3.3).

Основные размеры печатных плат

Геометрические параметры трех классов плотности рисунка ПП

Шириной печатного проводника t называют поперечный размер проводника на любом участке в плоскости основания; ширина печатного проводника выбирается с учетом величины протекающего по нему тока и возникающего при этом падения напряжения. Допустимая плотность тока в печатном проводнике составляет 20 А/мм в соответствии с правилом: на 1 А силы тока должно приходиться не менее 1 мм ширины проводника.

Расстоянием между проводниками S называют расстояние между краями соседних проводников на одном слое ПП. Величина зазора между печатными проводниками (контактными площадками, проводником и контактной площадкой) определяется максимальным рабочим напряжением (табл.3.4).

Для цепей с низкими рабочими токами и напряжениями не следует принимать ширину проводников и зазоров между ними менее 0,5 мм. В свободных местах рисунка допускается S³S_min; t³1,5t_min.

Разрешающей способностью рисунка R называют число линий равной ширины, укладывающихся на 1 мм рисунка, при шаге укладки, равном двойной ширине полосы. Разрешающая способность рисунка ПП определяется как R = 1/(t_min + S_min).

Выбранный класс плотности должен быть проверен по норме допустимых рабочих напряжений, плотности тока и по допустимым потерям на постоянном токе (табл. 3.5). Плотность тока и потери зависят от толщины проводящего слоя, которая регламентирована тремя значениями: 10, 20 и 35 мкм. Если потери не существенны для работы электрической схемы, то предпочтение отдается толщине 10 мкм.

Величина зазора между печатными проводниками

Электрические параметры трех классов плотности рисунка ПП

Выбор толщины и материала основания оказывает основное влияние на такие свойства ПП, как жесткость, собственная емкость, теплопроводность. Установлен размерный ряд значений толщины оснований ПП – как гибких, так и жестких, мм:

После определения габаритов ПП, выбора толщины и материала основания, осуществляется трассировка ПП. Для этого ЭРИ расставляют на плате, распределяют контакты соединителей и размещают контрольные гнезда; затем прокладывают линии соединений между контактными площадками в соответствии с электрической принципиальной схемой. Эти действия многократно повторяются в поиске наилучшего решения, критерием которого является правило двух минимумов: должен быть достигнут минимум пересечений, а значит минимум переходных отверстий (приоритетное требование) и минимум длины связей, а значит максимум связей между соседними элементами.

Предварительное размещение ЭРИ осуществляют таким образом, чтобы центры монтажных и переходных отверстий были расположены в узлах (точках пересечения линий) координатной сетки. Координатной сеткой называют совокупность тонких сплошных линий, которую наносят на чертеж ПП с шагом 2,5 мм или 1,25 мм; шаг 1,25 мм применяют в том случае, если на плату устанавливают многовыводные элементы с шагом расположения выводов 1,25 мм. Наличие сетки позволяет не ставить на чертеж размеры всех элементов печатного монтажа. Если устанавливаемый на печатную плату элемент имеет выводы, расстояние между которыми кратно шагу координатной сетки, то отверстия под эти выводы должны быть расположены в узлах сетки. Если расстояние между выводами ЭРИ не кратно шагу координатной сетки, и выводы ЭРИ согласно ГОСТ 29137-91 не формуются, то один вывод следует располагать в узле координатной сетки, а центр отверстия под другой вывод – на вертикальной или горизонтальной линиях координатной сетки.

Диаметр отверстий в печатной плате должен быть больше диаметра вставляемого в него вывода, что обеспечивает возможность свободной установки ЭРИ; при диаметре вывода до 0,8 мм диаметр неметализированного отверстия делают на 0,2 мм больше диаметра вывода; при диаметре вывода более 0,8 мм – на 0,3 мм больше. Диаметры монтажных, переходных металлизированных и неметаллизированных отверстий должны быть выбраны из ряда: 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 1,9; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4; 2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3. Для упрощения работы с чертежом ПП могут быть приняты, например, условные обозначения отверстий в печатных платах, представленные в табл. 3.6.

Диаметр металлизированного отверстия зависит не только от диаметра вставляемого в него вывода, но и от толщины платы, и должен составлять не менее половины толщины платы. Это связано с тем, что при гальваническом осаждении металла на стенках отверстия малого диаметра, сделанного в толстой плате, толщина слоя металла получается неравномерной, а при большом отношении длины отверстия к диаметру некоторые места могут оставаться непокрытыми.

Рисунок соединений на ПП состоит из графических элементов – проводников и контактных площадок. Графические элементы представляют собой полоски проводникового материала различной ширины, длины, формы, ориентации и контактные площадки с отверстиями или без них. Полоски играют роль соединительных проводников, шин питания, земли, экранов; экран должен занимать на ПП максимальную возможную площадь.

Условные обозначения отверстий в печатных платах первого

Примечание: Н12, Н14 – допуски на диаметры отверстий в соответствии с ГОСТ 25347-82 и ОСТ4 Г0.010.014.

Контактную площадку монтажного отверстия рекомендуется делать в виде кольца, диаметр которого можно определить по формуле:

где d_отв – диаметр отверстия, b – минимальная радиальная толщина контактной площадки; с – коэффициент, учитывающий влияние разброса межцентрового расстояния, смещения фольги, из которой создан токопроводящий слой, и т.п. Для плат первого класса плотности величину b берут равной 0,3 мм; для плат второго и третьего классов – 0,15 мм. Для многослойных и сложных плат классов плотности 2 и 3 устанавливают допуск на межцентровое расстояние, равный ± 0,1 мм, в этом случае коэффициент с выбирают равным 0,4 ¸ 0,5 мм; для плат класса 1 допуск на межцентровое расстояние берут ± 0,2 мм и с = 0,6 ¸ 0,7 мм.

Отверстия на плате нужно располагать таким образом, чтобы расстояние между краями отверстий было не меньше толщины платы; в противном случае перемычка между отверстиями не будет иметь необходимой механической прочности. Контактные площадки, к которым будут припаяны выводы от планарных корпусов, рекомендуется делать прямоугольными. Чтобы при установке ИС не было ошибок, на контактной площадке, к которой будет припаян вывод № 1 ИС делают ответвление (ключ), как показано на рис. 3.2. Печатные проводники рекомендуется выполнять прямоугольной конфигурации, располагая их параллельно, либо под углом 45 0 к линиям координатной сетки. Если проводник имеет вид ломаной линии, то точки перегиба совмещают с узлами координатной сетки.

Топологию рисунка необходимо строить таким образом, чтобы снижать паразитные электрические параметры (паразитная емкость между рядом лежащими проводниками или проводником и экранным слоем; их взаимная индуктивность; индуктивность шин питания; разброс волнового сопротивления линии передачи внутрисхемных соединений). Для этого в ДПП и МПП шины питания и заземления необходимо располагать со стороны установки, а сигнальные цепи с обратной стороны; причем проводниковые полосы на разных сторонах ПП предпочтительно ориентировать перпендикулярно друг другу. Необходимо выбирать минимальные длины проводников, увеличенные расстояния между проводниками; неиспользованные контакты следует соединять с шиной заземления.

При составлении рисунка ПП целесообразно пользоваться библиотекой контактных площадок, которая разрабатывается для конкретного предприятия, где унифицированы как одиночные контактные площадки, так и контактные группы, предусмотрены варианты ориентации площадок и групп, установлена система условных изображений диаметров отверстий. Контактной группой называют несколько контактных площадок, предназначенных для многовыводного элемента (транзистора, ИС).

Для рационального формирования токопроводящего рисунка целесообразно печатные проводники и контактные площадки выполнять без резких перегибов и острых углов, так как это затрудняет технологию изготовления (печать, травление, пайку), а также приводит к концентрации напряжений при нагревании и отслаиванию проводников.

При трассировке ПП необходимо исключить вероятность возникновения узких мест, т.е. участков ПП, на которых расстояния между элементами проводящего рисунка (проводниками и контактными площадками) являются минимально допустимыми для данного класса плотности ПП. Например, рассмотрим порядок расчета номинального расстояния для прокладывания одного проводника между двумя отверстиями диаметром 0,8 мм, центры которых расположены на расстоянии 2,5 мм друг от друга (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Расположение печатного проводника между двумя отверстиями в узком месте печатной платы

При расчете необходимо учитывать диаметр контактной площадки (D_КП), ширину проводника (t_min), величину зазоров между проводником и контактной площадкой или между двумя проводниками (S_min). Диаметр контактной площадки равен:

Минимальное расстояние между соседними проводниками печатной платы первого класса плотности равно S_min=0,5 мм, минимальная ширина проводника – t_min=0,5 мм (табл. 3.3). Таким образом, номинальное расстояние между центрами монтажных отверстий, необходимое для прокладывания одного проводника, равно:

Учитывая, что в узком месте контактную площадку можно подрезать до минимального радиального значения b=0,3 мм (для ПП первого класса плотности), получим

Следовательно, номинальное расстояние, необходимое для прокладывания проводника больше, чем расстояние между монтажными отверстиями, и проводник в узком месте располагать нельзя.

Рассчитаем номинальное расстояние для прокладывания двух проводников между монтажными отверстиями диаметром 0,8 мм, центры которых расположены на расстоянии 7,5 мм (рис. 3.6):

Таким образом, в данном случае допускается прокладывание двух проводников между монтажными отверстиями ПП.

Рис. 3.6. Расположение двух печатных проводников между монтажными отверстиями

С целью устранения узких мест рекомендуется прокладывать печатные проводники под навесными радиоэлементами, используя при этом отверстия под не включенные в схему выводы многоконтактных навесных элементов (типа колодок, разъемов, модулей), как указано на рис. 3.7, а также «раздвигать» проводники после выхода из узких мест и доводить их ширину до значений, соответствующих ширине проводников в свободных местах. Протяженность проводников в узких местах по возможности должна быть ограничена, как показано на рис. 3.8.

Рис. 3.7. Прокладывание печатных проводников под навесными элементами с использованием отверстий, не включенных в схему: а – правильно; б – неправильно

Рис. 3.8. Расположение печатных проводников в узких местах печатной

При необходимости экранирования печатного монтажа экран следует выполнять не сплошным, а с вырезами. Вырезы могут иметь щелевидную (рис. 3.9, а), овальную (рис. 3.9, б) или круглую (рис. 3.9, в) форму, они предохраняют экран от вспучивания и отслаивания.

Рис. 3.9. Примеры выполнения экранов печатного монтажа

При попадании в зону экрана монтажных отверстий около каждого отверстия, на расстоянии 1¸1,5 мм от кромки отверстия, в экране необходимо делать 2¸4 секторных выреза шириной 1¸1,5 мм с расстояниями между ними 1¸2 мм, как это показано на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Выполнение монтажных отверстий, попавших в зону экрана:

1 – монтажные отверстия; 2 – отверстия крепежные и технологические

На каждой плате рекомендуется предусматривать не менее двух технологических базовых отверстий, с диаметром не менее 1,3 мм, расположенных в узлах координатной сетки по углам платы, которые в дальнейшем могут быть использованы, как крепежные отверстия при креплении собранной платы в блоке.

Дата добавления: 2017-04-05 ; просмотров: 5880 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Практическое руководство по разработке печатных плат для высокочастотных схем

В статье рассматривается топология высокочастотных плат с практической точки зрения. Основная ее цель — помочь новичкам прочувствовать множество моментов, которые должны быть учтены при разработке печатных плат (ПП) для высокочастотных устройств. Она также будет полезна и для повышения квалификации тех специалистов, у кого был перерыв в разработке плат. Основное внимание уделено способам улучшения характеристик схем, ускорению времени их разработки и внесения изменений.

Рассмотренные вопросы и предлагаемые методики применимы к топологии высокочастотных схем вообще. Когда операционный усилитель (ОУ) работает на высоких частотах, основные характеристики схемы зависят от топологии ПП. Даже при качественном проектировании работа схемы может оказаться посредственной из-за плохо продуманной или неаккуратной печатной платы. Быть уверенным в том, что схема покажет расчетные параметры, можно, только продумав заранее и обращая внимание на основные моменты в течение всего процесса разработки топологии ПП.

Схема

Хорошая схема — это необходимое, но не достаточное условие хорошей топологии. При ее проектировании не стоит скупиться на дополнительную информацию на чертеже, и внимательно отслеживать направление прохождения сигнала. Непрерывность прохождения сигнала слева направо, скорее всего, даст тот же эффект и на печатной плате. Максимум полезной информации в схеме обеспечит оптимальную работу разработчиков, техников, инженеров, которые будут весьма признательны вам, а заказчикам в случае возникновения каких-либо трудностей не придется срочно разыскивать разработчика.

Какую информацию, помимо обычных позиционных обозначений, рассеиваемой мощности и допусков, наносить на схему? Вот несколько советов, как из обычной схемы сделать суперсхему: добавьте формы сигналов, механическую информацию о корпусах или размерах, укажите длину дорожек, площади, где нельзя размещать детали, детали, которые должны быть на верхней стороне ПП; добавьте инструкцию по настройке, диапазоны номиналов элементов, тепловую информацию, линии согласованных импедансов, краткие определения работы схемы и так далее.

Никому не доверяйте

Если вы сами не занимаетесь топологией, выделите достаточно времени, чтобы вместе с разработчиком топологии пройтись вдоль и поперек схемы. Намного проще и быстрее уделить внимание топологии вначале, чем впоследствии заниматься бесконечными доработками. Не рассчитывайте, что разработчик топологии умеет читать ваши мысливводные и руководство наиболее важны в начале процесса разводки платы. Чем больше информации и участия в процессе разводки, тем лучше получится плата. Укажите разработчику промежуточные этапы, на которых вы хотите ознакомиться с процессом разводки. Эти «контрольные точки» предохраняют плату от далеко зашедших ошибок и минимизируют исправления топологии.

Указания разработчику должны включать: краткое описание функций схемы; эскиз платы, на которой показаны расположения входов и выходов; конструктив (stack up) платы (т. е. толщина платы, количество слоев, подробности сигнальных слоев и сплошных слоев — питания, земли — аналоговой, цифровой, высокочастотной); сигналы, которые должны быть на каждом слое; размещение критичных элементов; точное размещение развязывающих элементов; критичные дорожки; линии с согласованным импедансом; дорожки одинаковой длины; размеры элементов; дорожки вдали (или вблизи) друг от друга; цепи ближе (или дальше) друг от друга; элементы вблизи (или вдали) друг от друга; элементы на верхней и на нижней стороне платы. Никто не обвинит вас в излишке информации, если слишком мало — пожалуются, наоборот — никогда.

Расположение, расположение и еще раз расположение

При размещении схемы на плате важно все: от компоновки отдельных элементов до выбора того, какие цепи должны быть расположены рядом.

Обычно определяется местоположение входов, выходов и питания. Особое внимание следует уделить топологии: расположению критических элементов — как отдельных цепей, так и схемы в целом. Определение местоположения основных компонентов и путей прохождения сигнала с самого начала дает уверенность, что схема будет работать как положено. Это позволяет уменьшить стоимость, решить проблемы и сократить сроки разводки.

Развязка цепей питания

Развязка источника питания на выводах питания усилителя для минимизации шумов является критическим аспектом процесса разработки ПП — как для схем с высокоскоростными ОУ, так и для других высокочастотных схем. Обычно для развязки высокоскоростных ОУ применяется одна из двух конфигураций.

Между шиной питания и землей

Этот метод в большинстве случаев работает лучше и позволяет использовать конденсаторы, параллельно подключенные от выводов питания ОУ напрямую к земле. Обычно достаточно двух, но некоторые схемы выигрывают от нескольких параллельно соединенных конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов с разной емкостью дает уверенность, что на выводах питания будет низкий импеданс по переменному току вшироком диапазоне частот. Это особенно важно, когда коэффициент влияния нестабильности источника питания (PSR) падает — конденсаторы компенсируют усилителю такое снижение. Обеспечение низкого импеданса пути к земле для многих декад частоты не дает нежелательным помехам попасть в ОУ. На рис. 1 показаны преимущества этого метода. На низших частотах конденсаторы с большой емкостью оказывают малое сопротивление цепи к земле. При частоте собственного резонанса конденсатора качество конденсатора ухудшается, и он становится индуктивностью. Поэтому важно использовать множество конденсаторов: когда частотная характеристика одного падает, другой становится значимым, обеспечивая низкий импеданс по переменному току в диапазоне многих декад частоты.

Непосредственно вблизи выводов питания ОУ конденсатор с меньшей емкостью и меньшими геометрическими размерами следует расположить на той же стороне, что и ОУ — и как можно ближе к усилителю. Сторону земли конденсатора необходимо подсоединить к слою земли с минимальными длинами вывода и дорожки. Соединение должно быть как можно ближе к нагрузке усилителя, чтобы минимизировать помехи между шинами питания и землей. Рис. 2 иллюстрирует эту методику.

Этот процесс следует повторить со следующим по емкости конденсатором. Хорошее правило — начинать с конденсатора наименьшей емкости — 0,01 мкФ и далее переходить к оксидному конденсатору емкостью 2,2 мкФ с малым ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Первый из указанных в корпусе 0508 имеет малую последовательную индуктивность и отличные высокочастотные параметры.

Между одной и другой шиной

Альтернативной конфигурацией является использование одного или более конденсаторов, подключенных между положительной и отрицательной шинами питания ОУ. Этот способ используется, когда трудно установить все четыре конденсатора в схему. Недостатком является увеличение размеров конденсаторов, так как напряжение на них удваивается по сравнению с блокировкой каждого источника по отдельности. В этом случае требуется конденсатор с большим напряжением пробоя, что приводит к увеличению его размера. Однако этот вариант улучшает как PSR, так и характеристики по искажениям.

Так как каждая схема и ее топология имеют различия, то конфигурация, число и емкости конденсаторов определятся конкретными требованиями схемы.

Паразитные реактивности

Паразитные реактивности — это скрытые емкости и индуктивности, действующие в высокочастотных цепях. Сюда относятся индуктивности, образованные выводами элементов и длинными дорожками; емкости между контактными площадками и землей, слоем питания и дорожками; взаимодействия через переходные отверстия и много других факторов. На рис. 3a — типичная схема неинвертирующего ОУ. Однако если принять во внимание паразитные элементы, эта же схема будет выглядеть как на рис. 3б.

В высокочастотных схемах они влияют на характеристики схемы, даже будучи небольшими. Иногда хватает нескольких десятых долей пикофарады. Пример: только 1 пФ дополнительной паразитной емкости, присутствующей на инвертирующем входе, может вызвать подъем полюса частотной характеристики на 2 дБ (рис. 4) и далее — нестабильность схемы и колебания.

Несколько основных формул могут помочь в расчете паразитных элементов. Уравнение 1— формула для емкости конденсатора с параллельными обкладками (рис. 5).

где C — емкость; A — площадь обкладки в см²; k — относительная диэлектрическая проницаемость материала платы; и d — расстояние между обкладками в см.

Следует рассмотреть также и индуктивность полоски проводника, возникающей изза чрезмерной длины дорожки и недостатка земляного слоя. Уравнение 2 дает формулу индуктивности дорожки (рис. 6):

где W — ширина дорожки; L — ее длина; и H — толщина. Все размеры — в миллиметрах.

Осциллограмма на рис. 7 показывает влияние дорожки длиной 2,54 см на неинвертирующем входе высокоскоростного ОУ. Эквивалентная паразитная индуктивность равна 29 нГн, ее достаточно, чтобы вызвать устойчивые колебания небольшого уровня, которые сохраняются все время отклика на импульс. На рисунке также видно, как использование слоя земли смягчает влияние паразитной индуктивности.

Еще один источник паразитных реактивностей — переходные отверстия; они могут содержать как индуктивность, так и емкость. Уравнение 3 дает формулу для расчета паразитной индуктивности (рис. 8).

где T — толщина платы и d — диаметр переходного отверстия в сантиметрах.

Уравнение 4 показывает, как рассчитать паразитную емкость переходного отверстия:

где ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость материала платы; T — толщина платы; D₁ — диаметр контактной площадки, окружающей переходное отверстие; D₂ — диаметр круга, удаленного из слоя земли. Все размеры в сантиметрах. Одно переходное отверстие на плате толщиной 0,157 см может добавить 1,2 нГн индуктивности и 0,5 пФ емкости. Поэтому для минимизации паразитных элементов при разведении платы надо быть внимательным.

Слой земли

Здесь мы коснемся отдельных ключевых моментов этого вопроса. Перечень ссылок на данную тему приводится в конце статьи.

Слой земли действует как общий опорный потенциал, обеспечивает экранирование, позволяет отводить тепло и уменьшает паразитную индуктивность (однако увеличивает паразитную емкость). Хотя существует много преимуществ использования слоя земли, есть ряд важных ограничений, и при его реализации следует проявлять осторожность.

В идеале один слой ПП должен служить как слой земли. Наилучшие результаты получаются, если его целостность не нарушена. Не старайтесь удалить часть слоя земли, чтобы проводить по нему сигналы. Он уменьшает индуктивность дорожек, удаляя магнитное поле между собой и проводником. Если участок слоя земли под дорожкой удален, дорожка получает нежелательные паразитные индуктивности под или над ним.

Так как слой земли обычно имеет большую площадь и поперечное сечение, его сопротивление сохраняется минимальным. На низких частотах ток протекает по пути наименьшего сопротивления, но на высоких частотах — по пути наименьшего сопротивления. Тем не менее есть исключения, и иногда меньший слой заземления работает лучше. Это касается и высокоскоростных ОУ, если удалить часть земли под входными и выходными контактными площадками.

Паразитная емкость, вводимая слоем земли на входе, добавляется к входной емкости ОУ, снижает запас по фазе и может стать причиной нестабильности. Как мы видели при рассмотрении паразитных реактивностей, 1 пФ емкости на входе ОУ может вызвать появление значительного пика частотной характеристики. Емкостная нагрузка на выходе— в том числе из-за паразитных емкостей — создает полюс в цепи обратной связи. Это также может уменьшить запас по фазе и привести к нестабильности.

Аналоговые и цифровые цепи, включая их землю и подложки, по возможности, должны быть разделены. Крутые фронты импульсов создают пики тока, текущие по слою земли и создающие помехи, ухудшая аналоговые параметры схемы.

На высоких частотах следует обратить внимание на явление, называемое скин-эффектом. Он заставляет ток протекать по внешней поверхности проводника, как бы делая его уже и увеличивая сопротивление по сравнению с значением проводника на постоянном токе. Хотя рассмотрение скин-эффекта не входит в задачи этой статьи, приведем приблизительное выражение для расчета глубины скин-слоя в меди (в см):

Для снижения скин-эффекта может быть полезным покрытие из металлов, снижающих возможность его появления.

Корпуса

ОУ, как правило, предлагаются в разных типах корпусов. Выбор корпуса может повлиять на высокочастотные параметры усилителя, главными причинами чего являются упомянутые ранее паразитные реактивности и пути разводки сигнала. Здесь обратим внимание на подвод к усилителю входных и выходных сигналов и питания.

Рис. 9 иллюстрирует разницу в разводке ОУ в корпусе SOIC и в корпусе SOT-23. Каждый из них требует соблюдения определенных условий. Обратимся к рис. 9a: внимательное изучение пути обратной связи наводит на мысль, что существует несколько вариантов ее разводки. Первостепенное значение имеет минимальная длина дорожек. Их паразитная индуктивность может вызвать звоны и перегрузку. На рис. 9a, б путь обратной связи пролегает вокруг усилителя. На рис. 9в показан альтернативный подход — разводка обратной связи под корпусом SOIC, который минимизирует длину дорожек. У каждого варианта есть свои нюансы. Первый может привести к чрезмерной длине дорожек и увеличению последовательной индуктивности. Во втором используются переходные отверстия, которые добавляют паразитную емкость и индуктивность. При разводке платы влияние этих реактивностей должно быть принято во внимание.

Топология платы с корпусом SOT-23 почти идеальна: минимальная длина дорожек обратной связи, минимальное использование переходных отверстий; нагрузка и развязывающий конденсатор подключены к земле короткими дорожками к одной точке; развязывающий конденсатор положительного напряжения, не показанный на рис. 9б, размещен прямо под конденсатором отрицательного напряжения на нижней стороне платы.

Цоколевка усилителя с малым уровнем искажений

Новая цоколевка для уменьшения искажений, примененная в некоторых ОУ компании Analog Devices (например, AD8045), помогает ликвидировать обе упомянутых выше проблемы и улучшает характеристики в двух других важных областях. Цоколевка с малым уровнем искажений LFCP, показанная на рис. 10, получена из традиционной для ОУ цоколевки, поворотом ее против часовой стрелки на один вывод и добавлением второго выходного вывода, предназначенного для цепи обратной связи.

Цоколевка для малых искажений допускает короткое соединение между выходом (выводом, предназначенным для обратной связи) и инвертирующим входом, как показано на рис. 11. Это значительно упрощает топологию и придает ей рациональную форму.

Вторым преимуществом корпуса является ослабление второй гармоники нелинейных искажений. Одной из причин ее возникновения является связь между неинвертирующим входом и выводом отрицательного напряжения питания. Цоколевка для малых искажений корпуса LFCP ликвидирует эту связь и значительно ослабляет вторую гармонику; в некоторых случаях ее снижение может быть до 14 дБ. На рис. 12 показана разница в искажениях ОУ AD8099 в корпусе SOIC и в корпусе LFCSP.

Этот корпус имеет еще одно преимущество — в рассеянии мощности. У корпуса открытая подложка микросхемы, которая снижает его тепловое сопротивление, улучшая θ_JA примерно на 40%. В этом случае микросхема работает при пониженных температурах, что повышает ее надежность.

В настоящее время в новых корпусах для малых искажений доступны три высокоскоростных ОУ Analog Devices: AD8045, AD8099 и AD8000.

Разводка и экранирование

На печатных платах электронных схем могут одновременно присутствовать самые различные сигналы — аналоговые и цифровые, с высоким и низким напряжением, большим и малым током — от постоянного тока до гигагерцовых частот. Не дать им интерферировать друг с другом— трудная задача.

Важно заранее продумать план обработки сигналов на плате, отметить, какие из них чувствительны, и определить шаги для сохранения их неприкосновенности. Слои земли, кроме предоставления опорного потенциала для электрических сигналов, можно также использовать и для экранирования. Когда требуется изолировать сигналы, первым делом следует обеспечить достаточное расстояние между дорожками сигналов. Рассмотрим несколько практических мер:

• Минимизирование длины параллельных линий и предотвращение близкого соседства между сигнальными дорожками на одном и том же слое уменьшит индуктивную связь.
• Минимизирование длины дорожек на смежных слоях предотвратит емкостную связь.
• Сигнальные дорожки, требующие особой изоляции, должны проходить на разных слоях и, если их невозможно разнести подальше,— перпендикулярно друг другу, между ними следует проложить слой земли. Перпендикулярная разводка минимизирует емкостную связь, а земля образует электрический экран. Эта методика используется при формировании линий с согласованным импедансом (волновым сопротивлением).

Высокочастотные (ВЧ) сигналы обычно проводят по линиям с согласованным импедансом. То есть волновое сопротивление дорожки обеспечивается равным, например 50 Ом (типичное для ВЧ-схем). Два широко применяемых типа согласованных линий — микрополосковые и полосковые — могут дать одинаковые результаты, но имеют разные реализации.

Микрополосковая согласованная линия, показанная на рис. 13, может проходить на любой стороне платы; она использует слой земли, лежащий непосредственно под ней, в качестве плоскости базового заземления.

Для расчета характеристического волнового сопротивления линии на плате FR4 можно воспользоваться следующей формулой:

где H — расстояние от плоскости земли до дорожки; W — ширина дорожки; T — толщина дорожки; все размеры в милах (1 мил = 10 –3 дюйма). ε_r — относительная диэлектрическая проницаемость материала платы.

Полосковая согласованная линия (рис. 14) использует два слоя плоскости земли и находящуюся между ними сигнальную дорожку. Этот способ использует больше дорожек, требует большего количества слоев, чувствителен к изменениям толщины изолятора и стоит дороже, поэтому он обычно применяется только в устройствах с повышенными требованиями.

Уравнение для расчета характеристического волнового сопротивления полосковой линии:

Защитные кольца — другой широко применяемый в схемах с ОУ вид экранирования. Они предназначены для предотвращения попадания паразитных токов в чувствительные узлы схемы. Их принцип действия прост — полное окружение чувствительного узла защитным проводником, на котором поддерживается или на который подается (через малый импеданс) такой же потенциал, как и у чувствительного узла, и, таким образом, в защитное кольцо стекают паразитные токи, не попадая в чувствительный узел. На рис. 15a показаны схемы защитных колец для инвертирующего и неинвертирующего включения ОУ. На рис. 15б показана типичная реализация обоих вариантов защитных колец для ОУ в корпусе SOT-23-5.

Существует много других вариантов экранирования и разводки. Для получения дополнительной информации по этим и другим темам, упомянутым выше, читателю предлагается ознакомиться с нижеприведенными ссылками.

Заключение

Для успешного проектирования приборов на высокоскоростных ОУ важна разумная топология печатных плат. Ее основой является хорошая схема, важно также тесное сотрудничество инженера-схемотехника и разработчика печатной платы, особенно при размещении элементов и их соединении.