Монтаж котушок індуктивності на простих друкованих платах. Друковані котушки методом "лазерної праски". Одношарові друковані плати

Головна / Додатковий функціонал

"Прасно-лазерна" технологія виготовлення друкованих плат(УЛТ) буквально за пару років широко поширилася у радіоаматорських колах і дозволяє отримувати друковані плати досить високої якості. Друковані плати з “ручним промальовуванням” вимагають великих витрат часу і не застраховані від помилок.

Особливі вимоги до точності малюнка пред'являються під час виготовлення друкованих котушок індуктивності високочастотних ланцюгів. Кромки провідників котушок повинні бути максимально рівними, тому що це впливає на їхню добротність. Виконати вручну малюнок багатовіткової спіральної котушки дуже проблематично, і тут УЛТ цілком може сказати своє слово.

Рис. 1

Рис. 2

Отже, все гаразд. Запускаємо комп'ютерну програму SPRINT-LAYOUT, наприклад, версії 5.0. Встановлюємо в налаштуваннях програми:

Масштаб координатної сітки – 1,25 мм;

Ширину лінії – 0,8 мм;

Розміри плати – 42,5x42,5 мм;

Зовнішній діаметр "п'ятачка" - 1,5 мм;

Діаметр отвору в "п'ятачку" - 0,5 мм.

Знаходимо центр плати та малюємо шаблон провідника котушки (рис.1)по координатній сітці за допомогою інструмента ПРОВІДНИК, закручуючи котушку в потрібну сторону (для шаблону необхідне дзеркальне зображення, але його можна отримати і пізніше, під час друку). На початок і в кінець котушки встановлюємо "п'ятачку" для з'єднання котушки з елементами схеми.

У налаштуваннях для друку встановлюємо кількість відбитків на аркуші, відстань між відбитками та, якщо необхідно “закрутити” котушку в інший бік, дзеркальний друк малюнка. Друкувати слід на гладкому папері або спеціальній плівці, встановивши в налаштуваннях принтера максимальну подачу тонера під час друку.

Далі слідуємо за стандартною УЛТ. Готуємо фольгований склотекстоліт, зачищаємо поверхню фольги та знежирюємо, наприклад, ацетоном. Прикладаємо шаблон тонером до фольги та прогладжуємо гарячою праскою через аркуш паперу до надійного зчеплення тонера з фольгою.

Після під струменем води з-під крана (холодної або кімнатної температури) розмочуємо папір і обережно видаляємо його «катишками», залишаючи тонер на фользі плати. Проводимо травлення плати та подальше видалення тонера з її розчинником, наприклад, ацетоном. На платі залишається чіткий провідник друкарської котушки індуктивності високої якості.

Друковані котушки зі спіральними витками по УЛТ виходять трохи гіршої якості. Справа тут у квадратній формі пікселів зображення, тому краї провідника спіральної котушки виходять зубчастими. Правда, ці нерівності досить дрібні, і якість котушки, загалом, все одно вища, ніж при ручному виконанні.

Знову відкриваємо програму SPRINT-LAYOUT версії 5.0. В інструментарії вибираємо SPECIAL FORM – інструмент для малювання багатокутників та спіралей. Вибираємо закладку SPIRAL. Встановлюємо:

Початковий радіус (START RADIUS) –2 мм;

Відстань між витками (DISTANCE)-1,5 мм;

Ширину провідника (TRACK WIDTH) –0,8 мм;

Кількість витків (TURNS), наприклад, – 20.

Розмір плати, яку займає така котушка, становить 65x65 мм (рис.2).

Друковані котушки зазвичай пов'язують між собою у смугових фільтрах (ПФ) за допомогою конденсаторів малої ємності. Однак можливий і їхній індуктивний зв'язок, ступінь якого можна змінювати, змінюючи відстань між площинами котушок або ексцентрично повертаючи одну відносно іншої. Фіксоване кріплення котушок відносно один одного можна осу-

жити за допомогою діелектричних стійок-розпірок.

Підстроювання індуктивності котушок можна проводити замиканням витків, розривом друкованого провідника або його частковим видаленням. Це призведе до збільшення частоти контуру. Зниження частоти можна досягти, припаюючи між витками конденсатори невеликої ємності SMD-типів.

Виготовлення котушок УКХ діапазону у вигляді меандру, прямих та вигнутих ліній, гребінчастих фільтрів тощо. із застосуванням УЛТ також додає в кінцевий продукт витонченості і, як правило, збільшує їх добротність (за рахунок "гладких" країв друкованих провідників). Однак при виготовленні слід пам'ятати про якість матеріалу підкладки (склотекстоліту), який зі зростанням частоти втрачає свої властивості ізолятора. В еквівалентних схемах опір втрат у діелектриці слід включати паралельно друкованим котушкам, і цей опір буде тим меншим, чим вище робоча частота і гірша якість діелектрика.

Насправді фольгований склотекстоліт можна повноцінно використовуватиме виготовлення друкованих резонансних ланцюгів до 2-метрового діапазону включно (приблизно до 150 МГц). Спеціальні високочастотні сорти склотекстоліту можна використовувати у діапазоні 70 см (приблизно до 470...500 МГц). На більш високих частотах слід застосовувати фольгований РЧ-фторопласт (тефлон), кераміку чи скло.

Друкована котушка індуктивності має підвищену добротність за рахунок зменшення міжвиткової ємності, що отримується, з одного боку, внаслідок малої товщини фольги, з іншого, кроку “намотки” котушки. Замкнена рамка із заземленої фольги навколо друкованої котушки в її площині служить екраном від інших котушок і друкованих провідників, але мало впливає на параметри котушки, якщо її периферія знаходиться під малою напругою РЧ (з'єднана із загальним проводом), а центр - під високим.

Література

1. Г.Панасенко. Виготовлення друкованих котушок. - Радіо, 1987 №5, С.62.

У малогабаритній УКХ апаратурі відносно багато місця на платі займають контурні котушки та ВЧ дроселі. Найчастіше саме вони визначають габаритну висоту монтажної плати. У деяких випадках може виявитися доцільним застосування плоских котушок - друкованих та дротяних. Основою для друкованих ВЧ котушок найчастіше служить спеціальна високочастотна Кераміка. Технологія виробництва таких котушок непридатна для аматорських умов. Однак, як показує практика, до частот 80-100 МГц цілком задовільні результати можуть бути отримані при використанні котушок, виготовлених із фольгованого склотекстоліту способом травлення. Застосування для друкованих котушок фольгованого фторопласту дозволяє відсунути частотну межу до 200-300 МГц. Плоскі дротяні котушки володіють задовільною механічною міцністю, відносно невеликою власною ємністю, простотою виготовлення і можуть застосовуватися на частотах до 10 МГц. Істотне збільшення індуктивності та добротності плоских друкованих та дротяних котушок може бути отримане, якщо з однієї або обох сторін на котушку накласти феритові пластини. Змінюючи відстань між катушкою та пластиною (набором немагнітних прокладок або іншим шляхом), можна змінювати індуктивність котушки. Можна регулювати індуктивність у деяких межах за допомогою прапорця з немагнітного металу (міді або алюмінію), що переміщується поблизу котушки паралельно до неї. Дротові котушки зручно наклеювати безпосередньо на плату або на окрему пластину, що прикріплюється до плати. Друковані котушки можуть бути довільною формою. «Заземляти» на платі слід виведення зовнішнього витка - у цьому випадку він грає роль екрану. Можна додатково екранувати друковану котушку ще одним зовнішнім незамкненим витком, що з'єднується з загальним проводом пристрою. Приклади виконання котушок показано на фото.

Розрахувати котушки із достатньою для радіоаматора точністю можна за допомогою номограм. Порядок розрахунку друкованих та дротяних котушок аналогічний, різниця полягає в тому, що ширині друкованої доріжки друкованої котушки відповідає діаметр по міді дроту дротяної котушки, а ширині зазору між доріжками - подвійна товщина ізоляції дроту.

Конструктивні розміри котушок показано на рис. 1, а б. Номограми до розрахунку зображені на рис. 2 і 3. Як приклад нижче розглянуто розрахунок круглої друкованої котушки (без сердечника) індуктивністю 0,64 мкГ. Найбільший зовнішній діаметр D котушки вибираємо рівним 20 мм найменший внутрішній d = 8 мм. Необхідно знайти число витків w, ширину друкованої доріжки S та відстань Sr між центрами С1 та С2 півкола котушки. Номограма для розрахунку круглих котушок представлена на рис. 2. Обчислюємо: D + d = 20 + 8 = 28 мм = = 2,8 см: D / d = 20: 8 = 2,5. На шкалах "D+d" та "D/d" знаходимо відповідні точки та з'єднуємо їх прямий (на рис. 2 - штрихова лінія). Через точку перетину цієї прямої з неоцифрованою допоміжною лінією та точку на шкалі «L», що відповідає заданій індуктивності L = 0,64 мкГн, проводимо пряму до перетину зі шкалою «w», за якою і відраховуємо шукане число витків - 6,5. Значення D + d, D/d або L на шкалах номограми можна збільшити (зменшити) у 10 або 100 разів, при цьому значення w будуть відповідально змінюватися на корінь з 10 та корінь зі 100 разів. Ширину S, мм, друкованого провідника обчислюємо за такою формулою: S>=Sr = (D - d)/4w; діаметр по ізоляції дроту дротяної котушки - dіз = (D - d)/2w. Отриманий результат округляємо до найближчого великого значення ряду 0,5; 0,75; 1.0; 1.25; 1,5 мм і т. д. Sr = (20-8) / 4х6, 5 = 0,46; S=0,5мм. При малих значеннях Sr слід приймати Sr = S Для дротяних котушок dиз округляємо до найближчого стандартного діаметру дроту з ізоляції. Малюнок котушки наносять на фольгований скло текстоліт циркулем, в який встановлений рейсфедер, наповнений стійкою хімічною фарбою. Верхні підлоги кола (див. рис. 1а) проводять із центру С1, а нижні - із С2. Відстань Sr слід витримувати з якомога більшою точністю. Після висихання фарби котушку травлять, як завжди, у розчині хлорного заліза. Друковані котушки квадратної форми розраховують за номограмою, показаною на рис. 3. Точніші результати розрахунку плоских котушок можна отримати аналітично, користуючись формулами, за якими побудовані номограми. Ці формули наведено на рис. 2 і 3. Розмірність величин у формулах відповідає зазначеній на номограмах. Значення функцій "фі" (D/d і f(а/А) зведені в табл. 1 і 2. Дротові плоскі котушки намотують на розбірному каркасі між двома щічками, укріпленими на стрижні. Діаметр сердечника каркаса повинен дорівнювати внутрішньому діаметру котушки, а відстань між щічками - діаметру дроту з ізоляції. У процесі намотування провід змочують клеєм БФ~2. Щечки мають бути виготовлені з матеріалу, що має погану адгезію до клею (фторопласт, вініфлекс). Каркас розбирають після закінчення сушіння клею. Виготовлені котушки клеять або безпосередньо до плати, або до пластини з фериту, укріпленої на платі. Котушки, зображені у заголовку статті, мають такі виміряні параметри: кругла друкована (D = 40 мм) - індуктивність 1,4 мкГн, добротність 95; квадратна (А = 30 мм) - 0,9 мкГн та 180, дротяна верхня (D=15 мм, провід ПЕВ-1 0,18) - 7,5 мкГн та 48; середня (D= 11,9 мм, провід ПЕВ-2 0,1) - 9,5 мкГн та 48 і нижня (D =9мм, провід ПЕЛ 0,05) - 37 мкГн та 43

Наміром цієї статті є обговорення поширених помилок, що здійснюються розробниками друкованих плат, опис впливу цих помилок на якісні показники та рекомендації щодо вирішення проблем, що виникли.

ЗАГАЛЬНІ ЗМІНИ

Через істотні відмінності аналогової схемотехніки від цифрової, аналогова частина схеми повинна бути відокремлена від решти, а при її розведенні повинні дотримуватися особливі методи та правила. Ефекти, що виникають через неідеальність характеристик друкованих плат, стають особливо помітними у високочастотних аналогових схемах, але похибки загального виду, описані в цій статті, можуть впливати на якісні характеристики пристроїв, що працюють навіть у звуковому діапазоні частот.

Друкована плата – компонент схеми

Лише в окремих випадках друкована плата аналогової схеми може бути розведена так, щоб внесені нею впливи не впливали на роботу схеми. У той же час, будь-яка така дія може бути мінімізована так, щоб характеристики аналогової схеми пристрою були такими, як і характеристики моделі і прототипу.

Макетування

Розробники цифрових схем можуть скоригувати невеликі помилки на виготовленій платі, доповнюючи її перемичками чи, навпаки, видаляючи зайві провідники, вносячи зміни у роботу програмованих мікросхем тощо, переходячи дуже швидко наступної розробки. Для аналогової схеми справа не така. Деякі з найпоширеніших помилок, що обговорюються в цій статті, не можуть бути виправлені доповненням перемичок або видаленням зайвих провідників. Вони можуть і приводитимуть у неробочий стан друковану плату цілком.

Дуже важливо для розробника цифрових схем, що використовує такі способи виправлення, прочитати та зрозуміти матеріал, викладений у цій статті, заздалегідь, до передачі проекту у виробництво. Трохи уваги, приділеної при розробці, та обговорення можливих варіантів допоможуть не лише запобігти перетворенню друкованої плати на утильсировину, але й зменшити вартість через грубі помилки в невеликій аналоговій частині схеми. Пошук помилок та їх виправлення може призвести до втрат сотень годин. Макетування може скоротити цей час до одного дня або менше. Макетуйте всі свої аналогові схеми.

Джерела шуму та перешкод

Шум і перешкоди є основним елементами, що обмежують якісні характеристики схем. Перешкоди можуть як випромінюватись джерелами, так і наводитися на елементи схеми. Аналогова схема часто розміщується на друкованій платі разом із швидкодіючими цифровими компонентами, включаючи цифрові сигнал-процесори (DSP).

Високочастотні логічні сигнали створюють значні радіочастотні перешкоди (RFI). Кількість джерел випромінювання шуму величезна: ключові джерела живлення цифрових систем, мобільні телефони, радіо та телебачення, джерела живлення ламп денного світла, персональні комп'ютери, грозові розряди тощо. Навіть якщо аналогова схема працює в частотному діапазоні, радіочастотні перешкоди можуть створювати помітний шум у вихідному сигналі.

КАТЕГОРІЇ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

Вибір конструкції друкованої плати є важливим фактором, що визначає механічні характеристики при використанні пристрою загалом. Для виготовлення друкованих плат використовують матеріали різного рівня якості. Найбільш підходящим та зручним для розробника буде, якщо виробник друкованих плат знаходиться неподалік. У цьому випадку легко здійснити контроль питомого опору та діелектричної постійної – основних параметрів матеріалу друкованої плати. На жаль, цього буває недостатньо і часто необхідне знання інших параметрів, таких як займистість, високотемпературна стабільність та коефіцієнт гігроскопічності. Ці параметри може знати лише виробник компонентів, які використовуються під час виробництва друкованих плат.

Шаруваті матеріали позначаються індексами FR (flame resistant, опірність до займання) і G. Матеріал з індексом FR-1 має найбільшу горючість, а FR-5 - найменшу. Матеріали з індексами G10 і G11 мають особливі характеристики. Матеріали друкованих плат наведено у табл. 1.

Не використовуйте друковану плату категорії FR-1. Є багато прикладів використання друкованих плат FR-1, на яких є пошкодження теплового впливу потужних компонентів. Друковані плати цієї категорії більш схожі на картон.

FR-4 часто використовується при виготовленні промислового обладнання, тоді як FR-2 використовується у виробництві побутової техніки. Ці дві категорії стандартизовані в промисловості, а друковані плати FR-2 та FR-4 часто підходять для більшості програм. Але іноді неідеальність характеристик цих категорій змушує використати інші матеріали. Наприклад, для дуже високочастотних додатків як матеріал друкованих плат використовуються фторопласт і навіть кераміка. Проте, що екзотичніший матеріал друкованої плати, то вище може бути вартість.

При виборі матеріалу друкованої плати звертайте особливу увагу на його гігроскопічність, оскільки цей параметр може мати сильний негативний ефект на бажані характеристики плати – поверхневий опір, витік, високовольтні ізоляційні властивості (пробої та іскріння) та механічна міцність. Також звертайте увагу на робочу температуру. Ділянки з високою температурою можуть зустрічатися в несподіваних місцях, наприклад, поряд з великими інтегральними цифровими схемами, перемикання яких відбуваються на високій частоті. Якщо такі ділянки розташовані безпосередньо під аналоговими компонентами, підвищення температури може позначитися зміні характеристик аналогової схеми.

Таблиця 1

	Компоненти, коментарі
	папір, фенольна композиція: пресування та штампування при кімнатній температурі, високий коефіцієнт гігроскопічності
	папір, фенольна композиція: застосовний для односторонніх друкованих плат побутової техніки, невисокий коефіцієнт гігроскопічності
	папір, епоксидна композиція: розробки з хорошими механічними та електричними характеристиками
	склотканина, епоксидна композиція: чудові механічні та електричні властивості
	склотканина, епоксидна композиція: висока міцність при підвищених температурах, відсутність запалення
	склотканина, епоксидна композиція: високі ізоляційні властивості, найвища міцність склотканини, низький коефіцієнт гігроскопічності
	склотканина, епоксидна композиція: висока міцність на вигин при підвищених температурах, висока опірність розчинникам

Після того, як матеріал друкованої плати обрано, необхідно визначити товщину фольги друкованої плати. Цей параметр в першу чергу вибирається виходячи з максимальної величини струму, що протікає. По можливості намагайтеся уникати застосування дуже тонкої фольги.

КІЛЬКІСТЬ ШАРІВ ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ

Залежно від загальної складності схеми та якісних вимог, розробник повинен визначити кількість шарів друкованої плати.

Одношарові друковані плати

Дуже прості електронні схеми виконуються на односторонніх платах із використанням дешевих фольгованих матеріалів (FR-1 або FR-2) і часто мають багато перемичок, нагадуючи двосторонні плати. Такий спосіб створення друкованих плат рекомендується лише низькочастотних схем. З причин, які будуть описані нижче, односторонні друковані плати значно сприйнятливі до наведень. Хорошу односторонню друковану плату досить складно розробити через багато причин. Проте хороші плати такого типу зустрічаються, але при їх розробці потрібно дуже багато обмірковувати заздалегідь.

Двошарові друковані плати

На наступному рівні стоять двосторонні друковані плати, які в більшості випадків використовують як матеріал підкладки FR-4, хоча іноді зустрічається і FR-2. Застосування FR-4 краще, оскільки в друкованих платах з цього матеріалу отвори виходять кращої якості. Схеми двосторонніх друкованих платах розводяться набагато легше, т.к. у двох шарах простіше здійснити розведення трас, що перетинаються. Однак для аналогових схем перетин трас виконувати не рекомендується. Де можливо, нижній шар (bottom) необхідно відводити під полігон землі, інші сигнали розводити у верхньому шарі (top). Використання полігону як земляну шину дає кілька переваг:

загальний дріт є найчастіше підключається у схемі проводом; тому резонно мати "багато" загального дроту для спрощення розведення.
збільшується механічна міцність плати.
зменшується опір всіх підключень до загального дроту, що, у свою чергу, зменшує шум та наведення.
збільшується розподілена ємність для кожного ланцюга схеми, допомагаючи пригнічувати шум, що випромінюється.
полігон, що є екраном, пригнічує наведення, що випромінюються джерелами, що розташовуються з боку полігону.

Двосторонні друковані плати, незважаючи на всі свої переваги, не найкращі, особливо для малосигнальних або високошвидкісних схем. У випадку, товщина друкованої плати, тобто. відстань між шарами металізації дорівнює 1,5 мм, що занадто багато для повної реалізації деяких переваг двошарової друкованої плати, наведених вище. Розподілена ємність, наприклад, занадто мала через такий великий інтервал.

Багатошарові друковані плати

Для відповідальних схемотехнічних розробок потрібні багатошарові друковані плати (МПП). Деякі причини їх застосування очевидні:

така ж зручна, як і для шини загального дроту, розведення шин живлення; якщо як шини живлення використовуються полігони на окремому шарі, то досить просто за допомогою перехідних отворів здійснити підведення живлення до кожного елемента схеми;
сигнальні шари звільняються від шин живлення, що полегшує розведення сигнальних провідників;
між полігонами землі та живлення з'являється розподілена ємність, яка зменшує високочастотний шум.

Крім цих причин застосування багатошарових друкованих плат є інші, менш очевидні:

найкраще придушення електромагнітних (EMI) та радіочастотних (RFI) перешкод завдяки ефекту відображення (image plane effect), відомому ще за часів Марконі. Коли провідник розміщується близько до плоскої провідної поверхні, більша частина зворотних високочастотних струмів протікатиме по площині безпосередньо під провідником. Напрямок цих струмів буде протилежним напряму струмів у провіднику. Таким чином, відображення провідника у площині створює лінію передачі сигналу. Оскільки струми в провіднику і в площині рівні за величиною і протилежні у напрямку, створюється деяке зменшення перешкод, що випромінюються. Ефект відбиття ефективно працює тільки при нерозривних суцільних полігонах (ними можуть бути як полігони землі, так і полігони живлення). Будь-яке порушення цілісності призведе до зменшення придушення перешкод.
зниження загальної вартості за дрібносерійного виробництва. Незважаючи на те, що виготовлення багатошарових друкованих плат обходиться дорожче, їхнє можливе випромінювання менше, ніж у одно- та двошарових плат. Отже, у деяких випадках застосування лише багатошарових плат дозволить виконати вимоги щодо випромінювання, поставлені при розробці, та не проводити додаткових випробувань та тестувань. Застосування МПП може знизити рівень випромінюваних перешкод на 20 дБ проти двошаровими платами.

Порядок проходження шарів

У недосвідчених розробників часто виникає деяке замішання щодо оптимального порядку проходження шарів друкованої плати. Візьмемо для прикладу 4-шарову палату, що містить два сигнальні шари і два полігонні шари - шар землі та шар живлення. Який порядок проходження шарів кращий? Сигнальні шари між полігонами, які будуть екранами? Чи зробити полігонні шари внутрішніми, щоб зменшити взаємовплив сигнальних шарів?

При вирішенні цього питання важливо пам'ятати, що часто розташування шарів не має особливого значення, оскільки все одно компоненти розташовуються на зовнішніх шарах, а шини, що підводять їх до висновків, іноді проходять через всі шари. Тому будь-які екранні ефекти є лише компромісом. В даному випадку краще подбати про створення великої розподіленої ємності між полігонами живлення та землі, розташувавши їх у внутрішніх шарах.

Іншою перевагою розташування сигнальних шарів зовні є доступність сигналів для тестування, а також можливість модифікації зв'язків. Будь-хто, хто хоч раз змінював з'єднання провідників, що розташовуються у внутрішніх шарах, оцінить цю можливість.

Для друкованих плат з більш, ніж чотирма шарами, існує загальне правило розташовувати високошвидкісні сигнальні провідники між полігонами землі та живлення, а низькочастотним відводити зовнішні шари.

Заземлення

Хороше заземлення – загальна вимога насиченої, багаторівневої системи. І воно має плануватись з першого кроку дизайнерської розробки.

Основне правило: розподіл землі.

Поділ землі на аналогову та цифрову частини - один із найпростіших та найефективніших методів придушення шуму. Один або більше шарів багатошарової друкованої плати зазвичай відводиться під шар земляних полігонів. Якщо розробник дуже досвідчений чи неуважний, то земля аналогової частини буде безпосередньо пов'язані з цими полігонами, тобто. аналоговий зворотний струм буде використовувати такий самий ланцюг, що і цифровий зворотний струм. Авторозвідники працюють приблизно також і поєднують всі землі разом.

Якщо переробці піддається раніше розроблена друкована плата з єдиним земляним полігоном, що об'єднує аналогову і цифрову землі, необхідно спочатку фізично розділити землі на платі (після цієї операції робота плати стає практично неможливою). Після цього проводяться всі підключення до аналогового земляного полігону компонентів аналогової схеми (формується аналогова земля) та до цифрового земляного полігону компонентів цифрової схеми (формується цифрова земля). І лише після цього у джерелі проводиться об'єднання цифрової та аналогової землі.

Інші правила формування землі:

Шини живлення та землі повинні бути під одним потенціалом по змінному струму, що передбачає використання конденсаторів розв'язки та розподіленої ємності.
Не допускайте перекриття аналогових та цифрових полігонів. Розташовуйте шини та полігони аналогового живлення над полігоном аналогової землі (аналогічно шинам цифрового живлення). Якщо в якому-небудь місці існує перекриття аналогового і цифрового полігону, розподілена ємність між ділянками, що перекриваються, буде створювати зв'язок по змінному струму, і наведення від роботи цифрових компонентів потраплять в аналогову схему. Такі перекриття анулюють ізоляцію полігонів.
Поділ не означає електричної аналогової ізоляції від цифрової землі. Вони повинні з'єднуватися разом у якомусь, бажано одному, низькоімпедансному вузлі. Правильна, з погляду землі, система має лише одну землю, яка є виведенням заземлення для систем з живленням від мережної змінної напруги або загальним висновком для систем із живленням від постійної напруги (наприклад, акумулятора). Всі сигнальні струми та струми живлення в цій схемі повинні повертатися до цієї землі в одну точку, яка служитиме системною землею. Такою точкою може бути виведення корпусу пристрою. Важливо розуміти, що з приєднанні загального виведення схеми до кількох точок корпусу можуть утворюватися земляні контури. Створення єдиної загальної точки об'єднання земель одна із найважчих аспектів системного дизайну.
По можливості розділяйте висновки роз'ємів, призначені передачі переворотних струмів - зворотні струми повинні об'єднуватися лише у точці системної землі. Старіння контактів роз'ємів, а також часта розстиковування їх частин у відповідь призводить до збільшення опору контактів, отже, для більш надійної роботи необхідно використання роз'ємів з деякою кількістю додаткових висновків. Складні цифрові друковані плати мають багато шарів і містять сотні чи тисячі провідників. Додавання ще одного провідника рідко створює проблему на відміну від додаткових висновків роз'ємів, що додаються. Якщо це не вдається зробити, то необхідно створювати два провідники зворотного струму для кожного силового ланцюга на платі, дотримуючись особливих запобіжних заходів.
Важливо відокремлювати шини цифрових сигналів від місць на платі, де розташовані аналогові компоненти схеми. Це передбачає ізоляцію (екранування) полігонами, створення коротких трас аналогових сигналів та уважне розміщення пасивних компонентів за наявності поруч розташованих шин високошвидкісних цифрових та відповідальних аналогових сигналів. Шини цифрових сигналів повинні розводитися навколо ділянок з аналоговими компонентами та не перекриватися з шинами та полігонами аналогової землі та аналогового живлення. Якщо цього не робити, то розробка міститиме новий непередбачуваний елемент - антену, випромінювання якої впливатиме на високоімпедансні аналогові компоненти та провідники.

Майже всі сигнали тактових частот є високочастотними сигналами, тому навіть невеликі ємності між трасами і полігонами можуть створювати значні зв'язки. Необхідно пам'ятати, що не лише основна тактова частота може викликати проблему, а й її вищі гармоніки.

Є лише один випадок, коли необхідно об'єднання аналогових та цифрових сигналів над областю полігону аналогової землі. Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі розміщуються у корпусах з висновками аналогової та цифрової землі. Зважаючи на попередні міркування, можна припустити, що виведення цифрової землі та виведення аналогової землі мають бути підключені до шин цифрової та аналогової землі відповідно. Однак у цьому випадку це не так.

Назви висновків (аналоговий чи цифровий) відносяться лише до внутрішньої структури перетворювача, до його внутрішніх сполук. У схемі ці висновки мають бути підключені до шини аналогової землі. З'єднання може бути виконано і всередині інтегральної схеми, однак отримати низький опір такого з'єднання досить складно через топологічні обмеження. Тому при використанні перетворювачів передбачається зовнішнє поєднання висновків аналогової та цифрової землі. Якщо цього не зробити, то параметри мікросхеми будуть значно гіршими за наведені в специфікації.

Необхідно враховувати те, що цифрові елементи перетворювача можуть погіршувати якісні характеристики схеми, привносячи цифрові перешкоди в ланцюги аналогової землі та аналогового живлення. При розробці перетворювачів враховується цей негативний вплив так, щоб цифрова частина споживала якнайменше потужності. У цьому перешкоди від перемикань логічних елементів зменшуються. Якщо цифрові висновки перетворювача не сильно навантажені, внутрішні перемикання зазвичай не викликають особливих проблем. При розробці друкованої плати, що містить АЦП або ЦАП, необхідно належним чином поставитися до розв'язування цифрового живлення на аналогову землю.

ЧАСТОТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАСИВНИХ КОМПОНЕНТІВ

Для правильної роботи аналогових схем дуже важливим є правильний вибір пасивних компонентів. Починайте дизайнерську розробку з уважного розгляду високочастотних характеристик пасивних компонентів та попереднього розміщення та компонування їх на ескізі плати.

Велика кількість розробників ігнорують частотні обмеження пасивних компонентів при використанні в аналоговій схемотехніці. Ці компоненти мають обмежені частотні діапазони і їхня робота поза специфікованою частотною області може призвести до непередбачуваних результатів. Хтось може подумати, що це обговорення стосується лише високошвидкісних аналогових схем. Однак це далеко не так - високочастотні сигнали досить сильно впливають на пасивні компоненти низькочастотних схем за допомогою випромінювання або прямого зв'язку по провідникам. Наприклад, простий низькочастотний фільтр на операційному підсилювачі може легко перетворюватися на високочастотний фільтр при впливі його вхід високої частоти.

Резистори

Зазвичай застосовуються резистори трьох типів: 1) дротяні, 2) вуглецеві композитні та 3) плівкові. Не треба мати багато уяви, щоб зрозуміти, як дротяний резистор може перетворюватися на індуктивність, оскільки він є котушкою з проводом з високоомного металу. Більшість розробників електронних пристроїв не мають уявлення про внутрішню структуру плівкових резисторів, які також є котушкою, щоправда, з металевої плівки. Тому плівкові резистори також мають індуктивність, яка менша, ніж у дротяних резисторів. Плівкові резистори з опором не більше 2 ком можна вільно використовувати у високочастотних схемах. Висновки резисторів паралельні один одному, тому між ними існує помітний ємнісний зв'язок. Для резисторів з великим опором міжвивідна ємність зменшуватиме повний імпеданс на високих частотах.

Конденсатори

Високочастотні характеристики конденсаторів можуть бути еквівалентною схемою, наведеною на малюнку 6.

Конденсатори в аналогових схемах використовуються як елементи розв'язки і фільтруючих компонентів.

Електролітичний конденсатор ємністю 10 мкФ має опір 1,6 Ом на частоті 10 кГц та 160 мкОм на частоті 100 МГц. Чи так це?

При використанні електролітичних конденсаторів слід стежити за правильним підключенням. Позитивний висновок має бути підключений до більш позитивного постійного потенціалу. Неправильне підключення призводить до протікання через електролітичний конденсатор постійного струму, що може вивести з ладу як сам конденсатор, а й частина схеми.

У поодиноких випадках різниця потенціалів по постійному струму між двома точками у схемі може змінювати свій знак. Це вимагає застосування неполярних електролітичних конденсаторів, внутрішня структура яких еквівалентна двом полярним конденсаторам, послідовно з'єднаним.

Індуктивності

Друкована плата

Сама друкована плата має характеристики розглянутих вище пасивних компонентів, щоправда, не настільки очевидними.

Малюнок провідників на друкованій платі може бути як джерелом, і приймачем перешкод. Хороше розведення провідників зменшує чутливість аналогової схеми до випромінювання джерел.

Друкована плата сприйнятлива до випромінювання, оскільки провідники та висновки компонентів утворюють своєрідні антени. Теорія антен є досить складним предметом для вивчення і не розглядається в цій статті. Проте деякі основи тут наводяться.

Трохи з теорії антен

На постійному струмі чи низьких частотах переважає активна складова. При підвищенні частоти реактивна складова стає все більш значущою. У діапазоні від 1 кГц до 10 кГц індуктивна складова починає впливати, і провідник більше не є низькоомним з'єднувачем, а швидше виступає як котушка індуктивності.

Зазвичай, траси на друкованій платі мають значення від 6 нГн до 12 нГн на сантиметр довжини. Наприклад, 10-сантиметровий провідник має опір 57 мОм і індуктивністю 8 нГн на див. На частоті 100 кГц реактивний опір стає рівним 50 мОм, а на більш високих частотах провідник буде швидше індуктивність, ніж активний опір.

Правило штирьової антени говорить, що вона починає відчутно взаємодіяти з полем за своєї довжини близько 1/20 від довжини хвилі, а максимальна взаємодія відбувається при довжині штиря, що дорівнює 1/4 від довжини хвилі. Тому 10-сантиметровий провідник з прикладу попередньому параграфі почне ставати досить хорошої антеною на частотах вище 150 МГц. Потрібно пам'ятати, що незважаючи на те, що генератор тактової частоти цифрової схеми може і не працювати на частоті вище 150 МГц, у його сигналі є присутні вищі гармоніки. Якщо на друкованій платі присутні компоненти зі штиревими висновками значної довжини, такі висновки також можуть бути антенами.

Інший основний тип антен - петльові антени. Індуктивність прямого провідника сильно збільшується, коли він згинається та стає частиною дуги. Індуктивність, що збільшується, знижує частоту, на якій починає відбуватися взаємодія антени з лініями поля.

Теорія відображення та узгодження сигналів знаходиться близько до теорії антен.

Коли провідник друкованої плати повертає на кут 90°, може виникнути відображення сигналу. Це відбувається, головним чином, через зміну ширини шляху проходження струму. У вершині кута ширина траси збільшується в 1414 рази, що призводить до неузгодженості характеристик лінії передачі, особливо розподіленої ємності та власної індуктивності траси. Досить часто необхідно повернути на друкованій платі трасу на 90 °. Багато сучасних CAD-пакетів дозволяють згладжувати кути проведених трас або проводити траси у вигляді дуги. На малюнку 9 показано два кроки покращення форми кута. Тільки останній приклад підтримує постійну ширину траси та мінімізує відображення.

Порада для досвідчених розвідників друкованих плат: залишайте процедуру згладжування на останній етап робіт перед створенням краплеподібних висновків та заливкою полігонів. Інакше, CAD-пакет вироблятиме згладжування довше через складніші обчислення.

Наприклад, друкована плата може мати такі параметри:
- 4 шари; сигнальний та шар полігону землі - суміжні,
- міжшаровий інтервал - 0,2 мм,
- ширина провідника – 0,75 мм,
- Довжина провідника - 7,5 мм.

Типове значення постійної діелектричної ER для FR-4 дорівнює 4.5.

Значення ємності між цими двома шинами, що дорівнює 1,1 пФ. Навіть така, здавалося б, невелика ємність для деяких програм є неприпустимою.

Відбувається подвоєння амплітуди вихідного сигналу на частотах близьких до верхньої межі частотного діапазону ОУ. Це, у свою чергу, може призвести до створення, особливо на робочих частотах антени (вище 180 МГц).

Цей ефект породжує численні проблеми, на вирішення яких, тим щонайменше, існує багато способів. Найочевидніший із них - зменшення довжини провідників. Інший спосіб – зменшення їх ширини. Немає причини застосування провідника такої ширини для підведення сигналу до входу, що інвертує, т.к. по цьому провіднику протікає дуже невеликий струм. Зменшення довжини траси до 2,5 мм, а ширини до 0,2 мм призведе до зменшення ємності до 0,1 пФ, а така ємність вже не призведе до значного підйому частотної характеристики. Ще один спосіб вирішення - видалення частини полігону під входом, що інвертує, і провідником, придатним до нього.

Ширину провідників друкованої плати неможливо нескінченно зменшити. Гранична ширина визначається як технологічним процесом, і товщиною фольги. Якщо два провідники проходять близько один до одного, то між ними утворюється ємнісний та індуктивний зв'язок.

Сигнальні провідники не повинні розлучатися паралельно один одному, за винятком випадків розведення диференціальних або мікросмужкових ліній. Зазор між провідниками повинен бути мінімум втричі більшим за ширину провідників.

Місткість між трасами в аналогових схемах може створити утруднення при великих опорах резисторів (кілька МОм). Відносно великий ємнісний зв'язок між інвертуючим та неінвертуючим входами операційного підсилювача легко може призвести до самозбудження схеми.

Наприклад, при d=0,4 мм і h=1,5 мм (досить поширені величини) індуктивність отвору дорівнює 1,1 нГн.

Пам'ятайте, що якщо у схемі присутні великі опори, то особливу увагу слід приділити очищенню плати. На заключних операціях виготовлення друкованої плати повинні видалятися залишки флюсу та забруднень. Останнім часом при монтажі друкованих плат досить часто використовуються водорозчинні флюси. Як менш шкідливі, вони легко видаляються водою. Але при цьому відмивання плати недостатньо чистою водою може призвести до додаткових забруднення, які погіршують діелектричні характеристики. Отже, дуже важливо робити відмивання друкованої плати з високоімпедансною схемою свіжою дистильованою водою.

РОЗВ'ЯЗАННЯ СИГНАЛІВ

Як зазначалося, перешкоди можуть проникати в аналогову частину схеми через ланцюга живлення. Для зменшення таких перешкод застосовуються конденсатори, що розв'язують (блокувальні), що зменшують локальний імпеданс шин живлення.

Якщо необхідно розвести друковану плату, на якій є і аналогова, і цифрова частини, необхідно мати хоча б невелике уявлення про електричні характеристики логічних елементів.

Типовий вихідний каскад логічного елемента містить два транзистори, послідовно з'єднані між собою, а також між ланцюгами живлення та землі.

Ці транзистори у ідеальному випадку працюють суворо протифазі, тобто. коли один з них відкритий, то в цей же час другий закритий, формуючи на виході або сигнал логічної одиниці, або логічного нуля. У логічному стані споживана потужність логічного елемента невелика.

Ситуація кардинально змінюється, коли вихідний каскад перемикається з одного логічного стану до іншого. В цьому випадку протягом короткого проміжку часу обидва транзистори можуть бути відкриті одночасно, а струм живлення вихідного каскаду сильно збільшується, оскільки зменшується опір ділянки шляху струму від шини живлення до шини землі через два послідовно з'єднані транзистори. Споживана потужність стрибкоподібно зростає, а потім також зменшується, що призводить до локальної зміни напруги живлення та виникнення різкої, короткочасної зміни струму. Такі зміни струму призводять до випромінювання радіочастотної енергії. Навіть на порівняно простий друкованій платі може бути десятки або сотні розглянутих вихідних каскадів логічних елементів, тому сумарний ефект від їхньої одночасної роботи може бути дуже великим.

Неможливо точно передбачити діапазон частот, в якому будуть знаходитися ці викиди струму, оскільки частота їх виникнення залежить від багатьох причин, у тому числі від затримки поширення перемикань транзисторів логічного елемента. Затримка, своєю чергою, також залежить від безлічі випадкових причин, що у процесі виробництва. Шум від перемикань має широкосмуговий розподіл гармонійних складових у всьому діапазоні. Для придушення цифрового шуму є кілька методів, застосування яких залежить від спектрального розподілу шуму.

У таблиці 2 представлені максимальні робочі частоти поширених типів конденсаторів.

Таблиця 2

Реальні характеристики можуть відрізнятись у різних виробників і навіть від партії до партії одного виробника. Важливо розуміти, що для ефективної роботи конденсатора частоти, що їм придушуються, повинні знаходитися в більш низькому діапазоні, ніж частота власного резонансу. В іншому випадку характер реактивного опору буде індуктивним, а конденсатор перестане ефективно працювати.

Не варто помилятися щодо того, що один 0,1 мкФ конденсатор пригнічуватиме всі частоти. Невеликі конденсатори (10 нФ і менше) можуть працювати більш ефективно на високих частотах.

Розв'язка живлення ІС

Розв'язка живлення інтегральних схем з метою придушення високочастотного шуму полягає у застосуванні одного або кількох конденсаторів, підключених між виводами живлення та землі. Важливо, щоб провідники, що з'єднують висновки з конденсаторами, були короткими. Якщо це не так, то власна індуктивність провідників буде відігравати помітну роль і зводити нанівець вигоди від застосування конденсаторів, що розв'язують.

Розв'язуючий конденсатор повинен бути підключений до кожного корпусу мікросхеми, незалежно від того, скільки операційних підсилювачів знаходиться всередині корпусу - 1, 2 або 4. Якщо ОУ живиться двополярним живленням, то, само собою зрозуміло, що конденсатори, що розв'язують, повинні розташовуватися у кожного виведення живлення. Значення ємності має бути ретельно вибрано залежно від типу шуму та перешкод, присутніх у схемі.

В особливо складних випадках може виникнути необхідність додавання індуктивності, послідовно включеної з виведенням живлення. Індуктивність повинна розташовуватись до, а не після конденсаторів.

Іншим, дешевшим способом є заміна індуктивності резистором з малим опором (10...100 Ом). При цьому разом з конденсатором, що розв'язує, резистор утворює низькочастотний фільтр. Цей спосіб зменшує діапазон живлення операційного підсилювача, який до того ж стає більш залежним від споживаної потужності.

Зазвичай для придушення низькочастотних перешкод у ланцюгах живлення досить достатньо застосувати один або кілька алюмінієвих або танталових електролітичних конденсаторів біля вхідного роз'єму живлення. Додатковий керамічний конденсатор придушуватиме високочастотні перешкоди від інших плат.

РОЗВ'ЯЗАННЯ ВХІДНИХ І ВИХІДНИХ СИГНАЛІВ

Безліч шумових проблем є результатом безпосереднього з'єднання вхідних та вихідних висновків. Внаслідок високочастотних обмежень пасивних компонентів реакція схеми на вплив високочастотного шуму може бути досить непередбачуваною.

У ситуації, коли частотний діапазон наведеного шуму значною мірою відрізняється від частотного діапазону роботи схеми, рішення просто і очевидне - розміщення пасивного RC-фільтра для придушення високочастотних перешкод. Однак, при застосуванні пасивного фільтра треба бути обережним: його характеристики (через неідеальність частотних характеристик пасивних компонентів) втрачають свої властивості на частотах, що у 100...1000 разів перевищують частоту зрізу (f3db). При використанні послідовно з'єднаних фільтрів, налаштованих на різні частотні діапазони, більш високочастотний фільтр має бути найближчим до джерела перешкод. Індуктивності на феритових кільцях можуть застосовуватися для придушення шуму; вони зберігають індуктивний характер опору до певної певної частоти, а вище їх опір стає активним.

Наведення на аналогову схему можуть бути настільки великими, що позбутися (або принаймні зменшити) їх можна тільки за допомогою застосування екранів. Для ефективної роботи вони повинні бути ретельно спроектовані так, щоб частоти, що створюють найбільші проблеми, не змогли потрапити до схеми. Це означає, що екран не повинен мати отвори або вирізи з розмірами більшими, ніж 1/20 довжини хвилі екранованого випромінювання. Хороша ідея відводити достатнє місце під передбачуваний екран із самого початку проектування друкованої плати. При використанні екрану можна додатково використовувати феритові кільця (або намистинки) для всіх підключень до схеми.

КОРПУСУ ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ

В одному корпусі зазвичай розміщуються один, два або чотири операційні підсилювачі.

Одиночний ОУ часто має додаткові входи, наприклад, для регулювання напруги зміщення. Здвоєні і счетверенные ОУ мають лише інвертуючий та неінвертуючий входи та вихід. Тому при необхідності мати додаткові регулювання треба застосовувати одиночні операційні підсилювачі. При використанні додаткових висновків необхідно пам'ятати, що за своєю структурою є допоміжними входами, тому управління ними має здійснюватися акуратно і відповідно до рекомендацій виробника.

Здвоєні ОУ особливо часто використовуються в стереофонічних підсилювачах, а четвірні - у схемах багатокаскадних фільтрів. Однак у цьому є досить значний мінус. Незважаючи на те, що сучасна технологія забезпечує пристойну ізоляцію між сигналами підсилювачів, розташованих на одному кремнієвому кристалі, між ними все ж таки існують деякі перехресні перешкоди. Якщо необхідно мати дуже малу величину таких перешкод, необхідно використовувати одиночні операційні підсилювачі. Перехресні перешкоди виникають не тільки при використанні здвоєних або лічених підсилювачів. Їхнім джерелом може бути дуже близьке розташування пасивних компонентів різних каналів.

Здвоєні та лічверені ОУ, крім вищесказаного, дозволяють здійснити більш щільний монтаж. Окремі підсилювачі дзеркально розташовані один щодо одного.
Необхідно звернути увагу, що провідники формувача половини напруги живлення розташовуються безпосередньо під корпусом інтегральної схеми, що дозволяє зменшити їх довжину. Цей приклад ілюструє не те, як має бути, а те, що має бути зроблено. Напруга середнього рівня, наприклад, могла б бути єдиною для всіх чотирьох підсилювачів. Пасивні компоненти можуть відповідного розміру. Наприклад, планарні компоненти типорозміру 0402 відповідають відстані між виводами стандартного SO корпусу. Це дозволяє зробити довжину провідників дуже коротким для високочастотних додатків.

При розміщенні операційних підсилювачів у корпусах типу DIP та пасивних компонентів із дротяними висновками потрібна наявність на друкованій платі перехідних отворів для їх монтажу. Такі компоненти нині використовуються, коли немає особливих вимог до розмірів друкованої плати; зазвичай вони коштують дешевше, але вартість друкованої плати у процесі виготовлення зростає через свердління додаткових отворів під висновки компонентів.

Крім того, при використанні навісних компонентів збільшуються розміри плати та довжини провідників, що не дозволяє працювати схемою на високих частотах. Перехідні отвори мають свою індуктивність, що також накладає обмеження на динамічні характеристики схеми. Тому навісні компоненти не рекомендується застосовувати для реалізації високочастотних схем або аналогових схем, розміщених поблизу з високошвидкісними логічними схемами.

Деякі розробники, намагаючись зменшити довжину провідників, розміщують резистори вертикально. З першого погляду може здатися, що це скорочує довжину траси. Однак при цьому збільшується шлях проходження струму резистором, а сам резистор являє собою петлю (виток індуктивності). Випромінює і приймаюча здатність зростає багаторазово.

При поверхневому монтажі не потрібне розміщення отвору під кожен вивід компонента. Однак виникають проблеми при тестуванні схеми, і доводиться використовувати перехідні отвори як контрольні точки, особливо при застосуванні компонентів малого типорозміру.

НЕВИКОРИСТАНІ СЕКЦІЇ ОУ

При використанні здвоєних і счетверенных операційних підсилювачів у схемі деякі їх секції можуть залишитися незадіяними і повинні бути коректно підключені. Помилкове підключення може призвести до збільшення споживаної потужності, більшого нагрівання і більшого шуму використовуваних у цьому корпусі ОУ. Висновки невикористовуваних операційних підсилювачів можуть бути підключені так: вихід підсилювача підключений до входу, що інвертує.

ВИСНОВОК

Пам'ятайте наступні основні моменти і постійно дотримуйтесь їх при проектуванні та розведенні аналогових схем.

думайте про друковану плату як про компонент електричної схеми;
майте уявлення та розуміння про джерела шуму та перешкод;
моделюйте та макетуйте схеми.

Друкована плата:

використовуйте друковані плати лише з якісного матеріалу (наприклад, FR-4);
схеми, виконані на багатошарових друкованих платах, на 20 дБ менш чутливі до зовнішніх перешкод, ніж схеми, виконані на двошарових платах;
використовуйте розділені полігони, що не перекриваються, для різних земель і харчів;
розташовуйте полігони землі та живлення на внутрішніх шарах друкованої плати.

Компоненти:

усвідомлюйте частотні обмеження, що вносяться пасивними компонентами та провідниками плати;
намагайтеся уникати вертикального розміщення пасивних компонентів у високошвидкісних схемах;
для високочастотних схем використовуйте компоненти, які призначені для поверхневого монтажу;
провідники повинні бути чим коротшими, тим краще;
якщо потрібна велика довжина провідника, зменшуйте його ширину;
висновки активних компонентів, що не використовуються, повинні бути правильно підключені.

Розведення:

розміщуйте аналогову схему поблизу роз'єму живлення;
ніколи не розводьте провідники, що передають логічні сигнали, через аналогову область плати, і навпаки;
провідники, що підходять до інвертуючого входу ОУ, робіть короткими;
упевніться, що провідники інвертуючого та неінвертуючого входів ОУ не розташовуються паралельно один одному на великому протязі;
намагайтеся уникати застосування надлишкових перехідних отворів, т.к. їхня власна індуктивність може призвести до виникнення додаткових проблем;
не розводьте провідники під прямими кутами і згладжуйте вершини кутів, якщо це можливо.

Розв'язка:

використовуйте правильні типи конденсаторів для придушення перешкод у ланцюгах живлення;
для придушення низькочастотних перешкод та шумів використовуйте танталові конденсатори біля вхідного гнізда живлення;
для придушення високочастотних перешкод та шумів використовуйте керамічні конденсатори біля вхідного гнізда живлення;
використовуйте керамічні конденсатори кожного виведення живлення мікросхеми; використовуйте кілька конденсаторів для різних частотних діапазонів;
якщо у схемі відбувається збудження, необхідно використовувати конденсатори з меншим значенням ємності, а не великим;
у важких випадках у ланцюгах живлення використовуйте послідовно включені резистори малого опору або індуктивності;
конденсатори, що розв'язують, аналогового живлення повинні підключатися тільки до аналогової землі, а не до цифрової.

Плоскі друковані котушки найчастіше застосовують у діапазонах метрових та дециметрових хвиль для зменшення габаритів пристрою. Зазвичай їх виконують із круглою, квадратною формою витків або у формі меандру, хоча можна і у вигляді багатокутника. Останнім часом з появою технології багатошарових друкованих плат з'явилися і багатошарові котушки на друкованій платі. Застосування сердечника з магнітного матеріалу малоефективно, - оскільки такий сердечник віддалений від витків котушки і може змінювати її індуктивність на 3 - 5%, що у більшості випадків недостатньо. Тому друковані котушки індуктивності застосовують у більшості випадків тоді, коли не потрібно підстроювання і величина індуктивності не перевищує одиниць мікрогенрі.

На нашому сайті можна скористатися онлайн калькулятором для розрахунку котушок на друкованій платі

У програмі Coil32, починаючи з версії 9.6, плоскі друковані котушки з круглою та квадратною формою витків розраховуються за загальною емпіричною формулою:

L- індуктивність (мкГн)
D- Зовнішній діаметр спіралі (мм)
d- внутрішній діаметр спіралі (мм)
N- Число витків
D avg- Середній діаметр котушки (мм)
φ - Коефіцієнт заповнення

Коефіцієнти з 1 - з 4 зведені в таблицю:

Крок намотування на малюнку позначений як " s". При незмінному" s", якщо збільшувати ширину витка - збільшується добротність котушки та її власна ємність. Зазвичай для мінімізації розмірів котушки ширину друкованого провідника роблять близькою до відстані між провідниками, тому у формулі вплив" sна величину індуктивності не враховується. Оптимальне значення d/D = 0.4для круглої котушки та його програма вибирає автоматично. Для квадратної котушки оптимальне значення d/D = 0.362та його програма також вибирає автоматично.

Похибка розрахунку індуктивності за цією формулою вбирається у 8% при s трохи більше 3w, тобто. якщо проміжок між смужками трохи більше подвійний ширини смужки.

Індуктивний елемент у вигляді прямого друкованого провідника розраховується за наступною емпіричною формулою:

, де:

L- індуктивність (мкГн)
l- Довжина провідника (мм)
b- ширина провідника (мм)

Такі індуктивні елементи часто застосовують у фільтрах діапазону ДМВ. Оскільки власна ємність такого індуктивного елемента досить велика, необхідно мати на увазі, що коректніше представляти його у вигляді відрізка довгої лінії з розподіленими параметрами. Однак для приблизних розрахунків прийняте тут спрощення моделі є цілком прийнятним.

Трохи з теорії антен

Формула для розрахунку індуктивності провідника друкованої плати виглядає так:

Зазвичай, траси на друкованій платі мають значення від 6 нГн до 12 нГн на сантиметр довжини. Наприклад, 10-сантиметровий провідник має опір 57 мОм і індуктивністю 8 нГн на див. На частоті 100 кГц реактивний опір стає рівним 50 мОм, а на більш високих частотах провідник буде швидше індуктивність, ніж активний опір.

Досвідчені дизайнери друкованих плат, що досить добре знаються на теорії петлевих антен, знають, що не можна створювати петлі для критичних сигналів. Деякі розробники, однак, не замислюються про це, і провідники зворотного та сигнального струму в їх схемах є петлями. Створення петлевих антен легко показати з прикладу (рис. 8). Крім того, тут показано створення щілинної антени.

Розглянемо три випадки:

Варіант A – приклад поганого дизайну. У ньому не використовується полігон аналогової землі. Петльовий контур формується земляним та сигнальним провідником. При проходженні струму виникають електричне та перпендикулярне йому магнітне поля. Ці поля утворюють основу петльової антени. Правило петльової антени говорить, що для максимальної ефективності довжина кожного провідника повинна дорівнювати половині довжини хвилі прийнятого випромінювання. Однак, не слід забувати, що навіть за 1/20 від довжини хвилі петлева антена все ще залишається досить ефективною.

Варіант Б кращий за варіант A, але тут присутній розрив у полігоні, ймовірно, для створення певного місця для розведення сигнальних провідників. Шляхи сигнального та зворотного струмів утворюють щілинну антену. Інші петлі утворюються у вирізах навколо мікросхем.

Варіант В – приклад кращого дизайну. Шляхи сигнального і зворотного струму збігаються, зводячи нанівець ефективність петльової антени. Зверніть увагу, що в цьому варіанті також присутні вирізи навколо мікросхем, але вони відокремлені від шляху зворотного струму.

Теорія відображення та узгодження сигналів знаходиться близько до теорії антен.

Між провідниками друкованої плати, що є різних шарах, виникає ємнісний зв'язок, що вони перетинаються. Іноді це може спричинити проблему. Провідники, що знаходяться один над одним на суміжних шарах, утворюють довгий плівковий конденсатор. Ємність такого конденсатора розраховується за формулою, наведеною малюнку 10.

Наприклад, друкована плата може мати такі параметри:
- 4 шари; сигнальний та шар полігону землі - суміжні,
- міжшаровий інтервал - 0,2 мм,
- ширина провідника – 0,75 мм,
- Довжина провідника - 7,5 мм.

Типове значення постійної діелектричної ER для FR-4 дорівнює 4.5.

Підставивши всі значення формулу, отримаємо значення ємності між цими двома шинами, рівне 1,1 пФ. Навіть така, здавалося б, невелика ємність для деяких програм є неприпустимою. Малюнок 11 ілюструє ефект від ємності в 1 пФ, що виникає при підключенні її до входу інвертуючого високочастотного операційного підсилювача.

Видно, що відбувається подвоєння амплітуди вихідного сигналу на частотах близьких до верхньої межі частотного діапазону ОУ. Це, у свою чергу, може призвести до створення, особливо на робочих частотах антени (вище 180 МГц).

Цей ефект породжує численні проблеми, на вирішення яких, тим щонайменше, існує багато способів. Найочевидніший із них - зменшення довжини провідників. Інший спосіб – зменшення їх ширини. Немає причини застосування провідника такої ширини для підведення сигналу до входу, що інвертує, т.к. по цьому провіднику протікає дуже невеликий струм. Зменшення довжини траси до 2,5 мм, а ширини до 0,2 мм призведе до зменшення ємності до 0,1 пФ, а така ємність вже не призведе до значного підйому частотної характеристики. Ще один спосіб вирішення проблеми - видалення частини полігону під входом, що інвертує, і під провідником, що підходить до нього.

Сигнальні провідники не повинні розлучатися паралельно один одному, за винятком випадку розведення диференціальних або мікросмужкових ліній. Зазор між провідниками повинен бути мінімум втричі більшим за ширину провідників.

РОЗВ'ЯЗАННЯ СИГНАЛІВ

Типовий вихідний каскад логічного елемента містить два транзистори, послідовно з'єднані та розташовані між ланцюгами живлення та землі (рис. 14).

Ці транзистори у ідеальному випадку працюють суворо протифазі, тобто. коли один з них відкритий, то в цей же час другий закритий, формуючи на виході або сигнал логічної одиниці, або логічного нуля. У логічному стані споживана потужність логічного елемента невелика.

Ситуація кардинально змінюється, коли вихідний каскад перемикається з одного логічного стану до іншого. В цьому випадку протягом короткого проміжку часу обидва транзистори можуть бути відкриті одночасно, а струм живлення вихідного каскаду сильно збільшується, оскільки зменшується опір ділянки шляху струму від шини живлення до шини через два послідовно з'єднаних транзистора. Споживана потужність стрибкоподібно зростає, а потім швидко зменшується, що призводить до локальної зміни напруги живлення та виникнення різкої, короткочасної зміни струму. Такі зміни струму призводять до випромінювання радіочастотної енергії. Навіть на порівняно простій друкованій платі можуть бути десятки або сотні розглянутих вихідних каскадів логічних елементів, тому сумарний ефект від їхньої одночасної роботи може бути дуже великим.

У таблиці 2 представлені максимальні робочі частоти поширених типів конденсаторів.

Таблиця 2

З таблиці очевидно, що танталові електролітичні конденсатори застосовуються для частот нижче 1 МГц, більш високих частотах повинні застосовуватися керамічні конденсатори. Необхідно пам'ятати, що конденсатори мають власний резонанс, і їхній неправильний вибір може не тільки не допомогти, але й ускладнити проблему. На малюнку 15 показані типові власні резонанси двох конденсаторів загального застосування - 10 мкФ танталового електролітичного та 0,01 мкФ керамічного.

Реальні характеристики можуть відрізнятись у різних виробників і навіть від партії до партії одного виробника. Важливо розуміти, що для ефективної роботи конденсатора частоти, що їм придушуються, повинні знаходитися в більш низькому діапазоні, ніж частота власного резонансу. В іншому випадку характер реактивного опору буде індуктивним, а конденсатор перестане ефективно працювати.

Розв'язка живлення ІС

Принцип розв'язки живлення інтегральних схем з метою придушення високочастотного шуму полягає у застосуванні одного або кількох конденсаторів, що підключені між виводами живлення та землі. Важливо, щоб провідники, що з'єднують висновки з конденсаторами, були короткими. Якщо це не так, то власна індуктивність провідників буде відігравати помітну роль і зводити нанівець вигоди від застосування конденсаторів, що розв'язують.

Розв'язуючий конденсатор повинен бути підключений до кожного корпусу мікросхеми, незалежно від того, скільки операційних підсилювачів знаходиться всередині корпусу - 1, 2 або 4. Якщо ОУ живиться двополярним живленням, то, само собою зрозуміло, що конденсатори, що розв'язують, повинні розташовуватися у кожного виведення живлення. Значення ємності має бути ретельно вибрано залежно від типу шумів та перешкод, присутніх у схемі.

РОЗВ'ЯЗАННЯ ВХІДНИХ І ВИХІДНИХ СИГНАЛІВ

У ситуації, коли частотний діапазон наведеного шуму значною мірою відрізняється від частотного діапазону роботи схеми, рішення просто і очевидне - розміщення пасивного RC-фільтра для придушення високочастотних перешкод. Однак при застосуванні пасивного фільтра треба бути обережним: його характеристики (через неідеальність частотних характеристик пасивних компонентів) втрачають свої властивості на частотах, що у 100...1000 разів перевищують частоту зрізу (f 3db). При використанні послідовно з'єднаних фільтрів, налаштованих на різні частотні діапазони, більш високочастотний фільтр має бути найближчим до джерела перешкод. Також придушення шуму можуть застосовуватися індуктивності на феритових кільцях; вони зберігають індуктивний характер опору до певної певної частоти, а вище їх опір стає активним.

Наведення на аналогову схему можуть бути настільки великими, що позбутися їх (або принаймні зменшити) можливо лише за допомогою застосування екранів. Для ефективної роботи вони повинні бути ретельно спроектовані так, щоб частоти, що створюють найбільші проблеми, не змогли потрапити до схеми. Це означає, що екран не повинен мати отвори або вирізи з розмірами більшими, ніж 1/20 довжини хвилі екранованого випромінювання. Хороша ідея відводити достатнє місце під передбачуваний екран із самого початку проектування друкованої плати. При використанні екрану можна додатково використовувати феритові кільця (або намистинки) для всіх підключень до схеми.

КОРПУСУ ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ

В одному корпусі зазвичай розміщуються один, два або чотири операційні підсилювачі (рис. 16).

Одиночний ОУ часто має додаткові входи, наприклад, для регулювання напруги зміщення. Здвоєні і счетверенные ОУ мають лише інвертуючий та неінвертуючий входи та вихід. Тому при необхідності мати додаткові регулювання треба застосовувати одиночні операційні підсилювачі. При використанні додаткових висновків необхідно пам'ятати, що за своєю структурою є допоміжними входами, тому управління ними має здійснюватися акуратно і відповідно до рекомендацій виробника.

В одиночному ОУ вихід розташовується на протилежному боці від входів. Це може створити труднощі під час роботи підсилювача на високих частотах через протяжні провідники зворотного зв'язку. Один із шляхів подолання цього полягає у розміщенні підсилювача та компонентів зворотного зв'язку на різних сторонах друкованої плати. Це, однак, призводить до появи як мінімум двох додаткових отворів та вирізів у полігоні землі. Іноді варто використовувати здвоєний ОУ для вирішення цієї проблеми, навіть якщо другий підсилювач не використовується (при цьому його висновки повинні бути належним чином підключені). Малюнок 17 ілюструє зменшення довжини провідників ланцюга зворотного зв'язку інвертуючого включення.

Здвоєні ОУ особливо часто використовуються в стереофонічних підсилювачах, а четвірні - у схемах багатокаскадних фільтрів. Однак у цьому є значний мінус. Незважаючи на те, що сучасна технологія забезпечує пристойну ізоляцію між сигналами підсилювачів, розташованих на одному кремнієвому кристалі, між ними все ж таки існують деякі перехресні перешкоди. Якщо необхідно мати дуже малу величину таких перешкод, необхідно використовувати одиночні операційні підсилювачі. Перехресні перешкоди виникають не тільки при використанні здвоєних або лічених підсилювачів. Їхнім джерелом може бути дуже близьке розташування пасивних компонентів різних каналів.

Здвоєні та лічверені ОУ, крім вищесказаного, дозволяють здійснити більш щільний монтаж. Окремі підсилювачі як дзеркально розташовані один щодо одного (рис. 18).

На рисунках 17 і 18 показані в повному обсязі підключення, необхідні нормальної роботи, наприклад, формувач середнього рівня при однополярному живленні. На малюнку 19 наведена схема такого формувача при використанні лічевірного підсилювача.

На схемі показані всі необхідні підключення для реалізації трьох незалежних каскадів, що інвертують. Необхідно звернути увагу, що провідники формувача половини напруги живлення розташовуються безпосередньо під корпусом інтегральної схеми, що дозволяє зменшити їх довжину. Цей приклад ілюструє не те, як мають бути виконані підключення, а те, що має бути зроблено з розміщенням компонентів та трасуванням. Напруга середнього рівня, наприклад, могла б бути єдиною для всіх чотирьох підсилювачів. Пасивні компоненти можуть відповідного розміру. Наприклад, планарні компоненти типорозміру 0402 відповідають відстані між виводами стандартного SO корпусу. Це дозволяє зробити довжину провідників для високочастотних програм дуже короткою.

ОБ'ЄМНИЙ І ПОВЕРХНЕВИЙ МОНТАЖ

Крім того, при використанні навісних компонентів збільшуються розміри плати та довжини провідників, що не дозволяє схемі працювати на високих частотах. Перехідні отвори мають свою індуктивність, що також накладає обмеження на динамічні характеристики схеми. Тому навісні компоненти не рекомендується застосовувати для реалізації високочастотних схем або аналогових схем, розміщених поруч із високошвидкісними логічними схемами.

НЕВИКОРИСТАНІ СЕКЦІЇ ОУ

При використанні здвоєних і счетверенных операційних підсилювачів у схемі деякі їх секції можуть залишитися незадіяними і повинні бути коректно підключені. Помилкове підключення може призвести до збільшення споживаної потужності, більшого нагрівання і більшого шуму використовуваних у цьому корпусі ОУ. Висновки операційних підсилювачів, що не використовуються, можуть бути підключені так, як зображено на рис. 20а. Підключення висновків із додатковими компонентами (мал. 20б) дозволить легко використовувати цей ОУ під час налагодження.

ВИСНОВОК

Загальні:

Думайте про друковану плату як компонент електричної схеми;
. майте уявлення та розуміння про джерела шуму та перешкод;
. моделюйте та макетуйте схеми.

Друкована плата:

Використовуйте друковані плати лише з якісного матеріалу (наприклад, FR-4);
. схеми, виконані на багатошарових друкованих платах, на 20 дБ менш сприйнятливі до зовнішніх перешкод, ніж схеми, виконані двошарових платах;
. використовуйте розділені полігони, що не перекриваються, для різних земель і харчів;
. розташовуйте полігони землі та живлення на внутрішніх шарах друкованої плати.

Компоненти:

Усвідомлюйте частотні обмеження, що вносяться пасивними компонентами та провідниками плати;
. намагайтеся уникати вертикального розміщення пасивних компонентів у високошвидкісних схемах;
. для високочастотних схем використовуйте компоненти, які призначені для поверхневого монтажу;
. провідники повинні бути чим коротшими, тим краще;
. якщо потрібна велика довжина провідника, зменшуйте його ширину;
. висновки активних компонентів, що не використовуються, повинні бути правильно підключені.

Розведення:

Розташовуйте аналогову схему поблизу роз'єму живлення;
. ніколи не розводьте провідники, що передають логічні сигнали, через аналогову область плати, і навпаки;
. провідники, що підходять до інвертуючого входу ОУ, робіть короткими;
. упевніться, що провідники інвертуючого та неінвертуючого входів ОУ не розташовуються паралельно один одному на великому протязі;
. намагайтеся уникати застосування надлишкових перехідних отворів, т.к. їхня власна індуктивність може призвести до виникнення додаткових проблем;
. не розводьте провідники під прямими кутами і згладжуйте вершини кутів, якщо це можливо.

Розв'язка:

Використовуйте правильні типи конденсаторів для придушення перешкод у ланцюгах живлення;
. для придушення низькочастотних перешкод та шумів використовуйте танталові конденсатори біля вхідного гнізда живлення;
. для придушення високочастотних перешкод та шумів використовуйте керамічні конденсатори біля вхідного гнізда живлення;
. використовуйте керамічні конденсатори кожного виведення живлення мікросхеми; використовуйте кілька конденсаторів для різних частотних діапазонів;
. якщо у схемі відбувається збудження, необхідно використовувати конденсатори з меншим значенням ємності, а не великим;
. у важких випадках у ланцюгах живлення використовуйте послідовно включені резистори малого опору чи індуктивності;
. конденсатори, що розв'язують, аналогового живлення повинні підключатися тільки до аналогової землі, а не до цифрової.

Bruce Carter
Op Amps For Everyone, chapter 17
Circuit Board Layout Techniques
Design Reference, Texas Instruments, 2002

Дякуємо сайту elart.narod.ru за наданий переклад

ЗАГАЛЬНІ ЗМІНИ

Друкована плата – компонент схеми

Макетування

Джерела шуму та перешкод

КАТЕГОРІЇ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

Таблиця 1

КІЛЬКІСТЬ ШАРІВ ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ

Одношарові друковані плати

Двошарові друковані плати

Багатошарові друковані плати

Порядок проходження шарів

Заземлення

Основне правило: розподіл землі.

Інші правила формування землі:

ЧАСТОТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАСИВНИХ КОМПОНЕНТІВ

Резистори

Конденсатори

Індуктивності

Друкована плата

Трохи з теорії антен

РОЗВ'ЯЗАННЯ СИГНАЛІВ

Таблиця 2

Розв'язка живлення ІС

РОЗВ'ЯЗАННЯ ВХІДНИХ І ВИХІДНИХ СИГНАЛІВ

КОРПУСУ ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ

НЕВИКОРИСТАНІ СЕКЦІЇ ОУ

ВИСНОВОК

Вибір редакції