Mimo swojego kluczowego znaczenia w obwodach o wysokiej prędkości, projektowanie płytek drukowanych (PCB) często jest jednym z ostatnich kroków w całym procesie. Wątek przygotowywania PCB dla systemów o wysokiej prędkości jest obszerny, z dużą ilością napisanych na ten temat publikacji. Niniejszy artykuł podchodzi do problematyki PCB od strony praktycznej. Jego głównym celem jest uwrażliwienie nowicjuszy na wiele różnorodnych kwestii, które muszą uwzględniać projektanci przy opracowywaniu układów do pracy na wysokich prędkościach. Jednakże jest także przeznaczony jako przypomnienie dla tych, którzy przez dłuższy czas nie zajmowali się układaniem PCB. Choć niemożliwe jest wyczerpanie każdego tematu w dostępnym tu miejscu, poruszamy kluczowe obszary, które mogą przynieść największe korzyści w poprawie wydajności obwodów, skróceniu czasu projektowania i zminimalizowaniu czasochłonnych poprawek.
Mimo że skupiamy się na układach wykorzystujących wzmacniacze operacyjne o wysokiej częstotliwości pracy, to omawiane wątki i techniki są ogólnie zastosowalne do układania większości innych analogowych obwodów o wysokiej częstotliwości. W przypadku, gdy wzmacniacze operacyjne pracują na wysokich częstotliwościach radiowych (RF), wydajność obwodu jest silnie uzależniona od układu płytki drukowanej. Dobry projekt obwodu, który wydaje się: „na papierze” świetny, może prezentować przeciętne parametry, jeśli jest obarczony niechlujnym lub niestarannym układem ścieżek na płytce. Myślenie z wyprzedzeniem i zwracanie uwagi na istotne szczegóły podczas procesu układania pozwoli zapewnić, że obwód będzie działał zgodnie z oczekiwaniami.
Schemat
Choć nie ma gwarancji, że doskonały układ zaczyna się od dobrego schematu, warto zadbać o porządny rysunek, zastanowić się nad przepływem sygnałów przez obwód. Schemat, który naturalnie i płynnie prowadzi od lewej do prawej strony, będzie miał również adekwatne rozmieszczenie na płytce. Umieszczaj na nim jak najwięcej przydatnych informacji. Projektanci, technicy i inżynierowie zajmujący się określonym projektem będą wdzięczni, zwłaszcza wtedy, gdy np. ci pierwsi już nie pracują nad danym obwodem, a my czasami jesteśmy proszeni o pomoc w związku z nim, np. w zakresie wprowadzenia poprawek itp.
Jakie informacje powinny znaleźć się na schemacie oprócz zwykłych oznaczeń odniesienia, mocy rozproszenia i tolerancji? Oto kilka sugestii, które mogą uczynić zwykły obrys supernarzędziem! Należy dodać np. przykładowe przebiegi, szczegóły mechaniczne na temat obudowy, długości ścieżek, obszary wyłączone. Można też sprecyzować, co musi znajdować się na górze płytki; dołączyć wzmianki o strojeniu, zakresach wartości elementów, informacje termalne, określić linie o kontrolowanej impedancji. Można również uwzględnić inne notatki, takie jak np. krótkie opisy działania obwodu...
Nie ufaj nikomu
Jeśli nie zajmujesz się samodzielnie projektowaniem płytki drukowanej, upewnij się, że masz wystarczająco dużo czasu, aby przejść przez projekt z osobą odpowiedzialną za jej tworzenie. Zapobieganie na tym etapie jest lepsze niż późniejsze korekty! Nie zakładaj, że osoba projektująca płytkę będzie w stanie odczytać, co mieliśmy na myśli. Wskazówki są najważniejsze na początku procesu przygotowywania PCB. Im więcej informacji dostarczymy i im bardziej zaangażujemy się w prace, tym lepsza będzie wynikowa płyta. Należy określić punkty przejściowe, po których przekroczeniu powinniśmy być powiadamiani o postępach w układzie celem weryfikacji. Ten zamknięty obieg informacji zapobiegnie zbytniemu odejściu od pierwotnych założeń i zminimalizuje poprawki.
Instrukcje dla projektanta powinny obejmować: krótki opis funkcji obwodu; szkic płytki pokazujący lokalizacje wejść i wyjść; układ warstw płytki (tj. grubość, liczba warstw, szczegóły warstw sygnałowych i płaszczyzn — zasilania, masy, analogowej, cyfrowej i RF); które sygnały muszą znaleźć się na każdej warstwie; gdzie muszą pojawić się kluczowe elementy; dokładne położenie komponentów filtrujących; które ścieżki są krytyczne; które linie muszą być liniami o kontrolowanej impedancji; które linie muszą mieć zrównane długości; rozmiary elementów; które ścieżki muszą być utrzymywane z dala (lub blisko) siebie; które elementy muszą znajdować się blisko (lub daleko) od siebie; które elementy muszą znajdować się na górze i na dole płytki. Nikt nigdy nie skarżył się na nadmiar dużej ilości informacji — ich znikomy zakres może być przyczyną narzekania, acz zbyt duży, niekoniecznie.
Jako przykład takiego stanu rzeczy autor artykułu z Analog Dialogue podaje własne doświadczenie: „Około 10 lat temu zaprojektowałem wielowarstwową płytę z montażem powierzchniowym — z elementami po obu jej stronach. Całość była przykręcona do pozłacanej obudowy aluminiowej wieloma śrubami (ze względu na rygorystyczne wymagania co do wibracji). Wyprowadzenia do podawania napięcia przechodziły przez płytkę. Wyprowadzenia były drutowane do PCB. To była skomplikowana konstrukcja. Niektóre z elementów miały być konfigurowane podczas testów. Jednak nie określiłem, gdzie powinny się one znajdować. Czy potrafisz zgadnąć, gdzie część z nich została umieszczona? Dokładnie! Na dole płytki. Inżynierowie i technicy produkcji nie byli zbyt zadowoleni, gdy musieli rozebrać cały moduł, aby ustawiać pewne wartości, a następnie ponownie wszystko składać. Nie popełniłem już więcej takiego błędu”.
Lokalizacja, lokalizacja, lokalizacja
Podobnie jak w nieruchomościach, lokalizacja na PCB ma ogromne znaczenie. Gdzie umieszczony jest obwód, gdzie znajdują się poszczególne jego elementy, jakie inne obwody są w okolicy, to wszystko jest istotne.
Rys.1. Lokalizacja elementów i wejść w systemach wysokiej prędkości (od lewej): najgorsza (duża powierzchnia pętli prądowej i nieciągła płaszczyzna masy), zła (duża powierzchnia pętli prądowej), lepsza (zmniejszona powierzchnia pętli prądowej), najlepsza (minimalna powierzchnia pętli prądowej).
Zazwyczaj określa się lokalizacje wejść, wyjść i zasilania, ale to, co dzieje się między nimi, jest do dowolnej interpretacji. To miejsce, w którym zwrócenie uwagi na szczegóły układu przyniesie znaczne korzyści. Należy zacząć od rozmieszczenia kluczowych komponentów, zarówno dla poszczególnych obwodów, jak i całej płytki. Określenie krytycznych lokalizacji części i ścieżek prowadzenia sygnału od samego początku pomaga zapewnić, że projekt będzie działać zgodnie z zamierzeniami. Uzyskanie prawidłowego rezultatu za pierwszym razem obniża koszty całego procesu, jak i redukuje stres zespołu oraz czas cyklu projektowego.
Jedną rzeczą, o której wielu ludzi zapomina, jest to, że dla przepływu prądu do punktu musi istnieć ścieżka powrotna, inaczej nie będzie on płynąć. Ponieważ występuje przepływ, to prąd powrotny znajdzie drogę z powrotem do źródła w jakimś kierunku. Gęstość prądu powrotnego jest największa bezpośrednio pod (lub nad) ścieżką sygnałową, z którego pochodzi. Nawet jeśli używana jest jednolita płaszczyzna masy, koncentracja przepływu prądu będzie nadal przylegać do śladu źródłowego sygnału. Jest to szczególnie istotne w przypadku układów RF.
Najniższa impedancja powrotu prądu o dużej prędkości znajduje się bezpośrednio pod ścieżką PCB. To znacznie zmniejsza obszar pętli, jaką formuje obwód (łącznie z masą). Na rysunku 1 pokazano różne przypadki elementów i związanych z nimi ścieżek. Najgorszy przypadek pokazuje, że długa i wijąca się ścieżka tworzy duży obszar pętli prądowej, co jest jeszcze bardziej kłopotliwe z powodu przerwy w płaszczyźnie wylewki masy. Oczywisty problem z tym polega na tym, że płaszczyzna masy jest często używana jako punkt odniesienia dla innych części systemu. Jeśli gęstość przepływu prądu jest wysoka w pobliżu jednego z tych punktów odniesienia, może (i często to robi) powodować występowanie zakłóceń w obwodzie i nierzadko się propaguje w całym przepływie sygnału. Jak pokazuje projekt złego układu, który również przedstawia długą i wijącą się ścieżkę, który nie podąża za zasadą prowadzenia ścieżek po najkrótszej możliwej drodze, miarodajny układ minimalizuje odległość, jednocześnie zmniejszając obszar pętli prądowej. Jednak najlepszym sposobem jest umieszczenie części odbiorczej tak blisko, jak to możliwe od wejścia. To zapewnia najmniejszy obszar pętli i opóźnienia na ścieżce sygnałowej są drastycznie zredukowane. Kluczową korzyścią tego podejścia jest to, że punkty odniesienia dla innych obwodów są utrzymane w: „ciszy” i nie powinny mieć żadnego udziału w niepożądanym przepływie prądu. To również minimalizuje konieczność stosowania ściśle technik stripline, ponieważ ścieżka sygnałowa działa jak obwód skupiony, a nie rozproszony. Obwód skupiony zazwyczaj ma narastające zbocza znacznie mniejsze niż czas opóźnienia linii transmisyjnej, minimalizując tym samym problemy. Konstrukcja linii transmisyjnych naturalnie utrzymuje prądy źródłowe i powrotne blisko siebie. Pomaga to minimalizować obszar pętli prądowej i drastycznie redukuje zakłócenia wzdłuż ścieżki na PCB oraz te elektromagnetyczne (EMI).
Filtrowanie zasilania
Filtrowanie zasilania (odsprzęganie) na pinach zasilania wzmacniacza w celu zminimalizowania zakłóceń jest istotnym aspektem procesu projektowania PCB, zarówno dla wysokoprądowych wzmacniaczy operacyjnych, jak i innych obwodów np. o wysokiej prędkości. Istnieją dwie powszechnie stosowane konfiguracje filtrowania dla wysokoprądowych wzmacniaczy operacyjnych.
Szyny do masy: ta technika, która w większości przypadków działa najlepiej, wykorzystuje wiele kondensatorów równoległych połączonych bezpośrednio od pinów zasilania wzmacniacza operacyjnego i do masy. Zazwyczaj wystarczające są dwa kondensatory równoległe, ale niektóre obwody mogą skorzystać z dodatkowych.
Równoległe kondensatory o różnych wartościach pomagają zapewnić, że piny zasilania wzmacniacza operacyjnego widzą niską impedancję prądu zmiennego w szerokim paśmie częstotliwości. Jest to szczególnie ważne w częstotliwościach, gdzie współczynnik odrzucenia wpływu zasilania wzmacniacza operacyjnego (PSR) jest niski. Kondensatory dają szansę zrekompensować malejący PSR wzmacniacza. Utrzymanie niskiej impedancji ścieżki do masy przez wiele dekad częstotliwości pomoże zagwarantować, że niepożądane zakłócenia nie przedostaną się do wzmacniacza operacyjnego. Rysunek 2 przedstawia korzyści z zastosowania wielu kondensatorów połączonych równolegle. Przy niższych częstotliwościach większe oferują niską ścieżkę impedancji do masy. Gdy osiągną one rezonans samoindukcyjny, jakość pojemności maleje, a kondensatory stają się indukcyjne. Dlatego ważne jest stosowanie wielu: gdy charakterystyka częstotliwości jednego kondensatora jest wygaszana, inny staje się istotny, utrzymując niską impedancję prądu zmiennego przez szereg dziesięcioleci częstotliwości.
Rys.2. Impedancja kondensatora w funkcji częstotliwości.
Rozpocząć należy bezpośrednio od pinów zasilania wzmacniacza operacyjnego, kondensator o najniższej wartości i najmniejszym rozmiarze fizycznym powinien być umieszczony po tej samej stronie płytki co wzmacniacz operacyjny — jak najbliżej wzmacniacza. Pin masy kondensatora powinien być połączony z wylewką masy przy minimalnej długości nóżki lub ścieżki. To połączenie masowe powinno być jak najbliżej obciążenia, aby zminimalizować zakłócenia między szynami zasilania a masą. Rysunek 3 ilustruje tę technikę.
Rys.3. Filtrowanie szyn zasilania przy użyciu równoległych kondensatorów podłączonych do masy.
Ten proces powinien być powtarzany dla kondensatora o wyższej wartości. Dobrym punktem wyjścia jest kondensator 0,01 µF dla najmniejszej wartości. A następnie elektrolityczny o pojemności 2,2 µF lub większej z niską rezystancją szeregową (ESR) dla następnego kondensatora. Kondensator 0,01 µF oferuje niską indukcyjność szeregową i doskonałe właściwości w zakresie wysokich częstotliwości.
Od szyny do szyny: alternatywna konfiguracja wykorzystuje jeden lub więcej kondensatorów filtrujących podłączonych pomiędzy szynami zasilania wzmacniacza operacyjnego. Ta opcja jest zazwyczaj stosowana, gdy trudno jest umieścić wszystkie cztery kondensatory w obwodzie. Wada tego podejścia polega na tym, że rozmiar obudowy kondensatora może się zwiększyć, ponieważ napięcie na nim jest dwa razy większe, niż w klasycznej metodzie filtrowania z pojedynczym zasilaniem. Wyższe napięcie wymaga wyższej wartości napięcia przebicia kondensatora, co przekłada się na większy rozmiar obudowy. Niemniej ta metoda może przynieść poprawę zarówno w zakresie PSR, jak i wydajności zniekształceń.
Ponieważ każdy obwód i układ są inne, konfiguracja, liczba i wartości kondensatorów są określane przez rzeczywiste wymagania obwodu.
Pasożyty
Parazyty to te okropne małe stworzenia, które wkradają się na Twoją płytkę PCB (dosłownie) i sieją spustoszenie w obwodzie. To ukryte kondensatory i cewki, które infiltrują obwody dużej częstotliwości. Obejmują cewki tworzone przez wyprowadzenia obudowy i nadmiar długości ścieżek; kondensatory pomiędzy polami lutowniczymi a masą, padem a płaszczyzną zasilania oraz padem a ścieżką; interakcje z otworami przelotowymi i wiele innych możliwości. Rysunek 4(a) przedstawia typowy schemat odwracającego wzmacniacza operacyjnego. Jednakże, biorąc pod uwagę elementy pasożytnicze, ten sam obwód wyglądałby jak na rysunku 3(b).
Rys.4. Typowy układ wzmacniacza operacyjnego, (a) zgodny z projektem oraz (b) z uwzględnieniem elementów pasożytniczych.
W obwodach o dużej częstotliwości niewiele jest potrzebne, aby wpłynąć na parametry układu. Czasami wystarczy zaledwie kilkadziesiąt pikofaradów. Przykładem może być sytuacja, w której przy wejściu odwracającym obecne jest zaledwie 1 pF dodatkowej pojemności pasożytniczej. Może to spowodować niemal 2 dB wznoszenia charakterystyki w dziedzinie częstotliwości (rysunek 5). Jeśli występuje wystarczająco dużo pojemności, może to prowadzić do niestabilności i oscylacji.
Rys.5. Zmiana charakterystyki układu spowodowana nawet niewielką pojemnością pasożytniczą w układzie.
Ogromną część pasożytniczych elementów można oszacować na bazie parametrów geometrycznych układu. Inne da się ocenić np. na podstawie wpływu na układ lub — po prostu — w ramach własnego doświadczenia. W kolejnej części artykułu przyjrzymy się, jak unikać tych nieprzyjemnych pasożytów, a także jak wyliczać lub mierzyć ich obecność, aby możliwe było — na przykład — wykorzystanie ich wartości w symulacji, dzięki czemu modele będą bliższe rzeczywistym układom.
Źródła:
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-speed-printed-circuit-board-layout.html
https://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Basic-Linear-Design/Chapter12.pdf
https://www.ti.com/lit/ml/slyp173/slyp173.pdf
Mimo że skupiamy się na układach wykorzystujących wzmacniacze operacyjne o wysokiej częstotliwości pracy, to omawiane wątki i techniki są ogólnie zastosowalne do układania większości innych analogowych obwodów o wysokiej częstotliwości. W przypadku, gdy wzmacniacze operacyjne pracują na wysokich częstotliwościach radiowych (RF), wydajność obwodu jest silnie uzależniona od układu płytki drukowanej. Dobry projekt obwodu, który wydaje się: „na papierze” świetny, może prezentować przeciętne parametry, jeśli jest obarczony niechlujnym lub niestarannym układem ścieżek na płytce. Myślenie z wyprzedzeniem i zwracanie uwagi na istotne szczegóły podczas procesu układania pozwoli zapewnić, że obwód będzie działał zgodnie z oczekiwaniami.
Schemat
Choć nie ma gwarancji, że doskonały układ zaczyna się od dobrego schematu, warto zadbać o porządny rysunek, zastanowić się nad przepływem sygnałów przez obwód. Schemat, który naturalnie i płynnie prowadzi od lewej do prawej strony, będzie miał również adekwatne rozmieszczenie na płytce. Umieszczaj na nim jak najwięcej przydatnych informacji. Projektanci, technicy i inżynierowie zajmujący się określonym projektem będą wdzięczni, zwłaszcza wtedy, gdy np. ci pierwsi już nie pracują nad danym obwodem, a my czasami jesteśmy proszeni o pomoc w związku z nim, np. w zakresie wprowadzenia poprawek itp.
Jakie informacje powinny znaleźć się na schemacie oprócz zwykłych oznaczeń odniesienia, mocy rozproszenia i tolerancji? Oto kilka sugestii, które mogą uczynić zwykły obrys supernarzędziem! Należy dodać np. przykładowe przebiegi, szczegóły mechaniczne na temat obudowy, długości ścieżek, obszary wyłączone. Można też sprecyzować, co musi znajdować się na górze płytki; dołączyć wzmianki o strojeniu, zakresach wartości elementów, informacje termalne, określić linie o kontrolowanej impedancji. Można również uwzględnić inne notatki, takie jak np. krótkie opisy działania obwodu...
Nie ufaj nikomu
Jeśli nie zajmujesz się samodzielnie projektowaniem płytki drukowanej, upewnij się, że masz wystarczająco dużo czasu, aby przejść przez projekt z osobą odpowiedzialną za jej tworzenie. Zapobieganie na tym etapie jest lepsze niż późniejsze korekty! Nie zakładaj, że osoba projektująca płytkę będzie w stanie odczytać, co mieliśmy na myśli. Wskazówki są najważniejsze na początku procesu przygotowywania PCB. Im więcej informacji dostarczymy i im bardziej zaangażujemy się w prace, tym lepsza będzie wynikowa płyta. Należy określić punkty przejściowe, po których przekroczeniu powinniśmy być powiadamiani o postępach w układzie celem weryfikacji. Ten zamknięty obieg informacji zapobiegnie zbytniemu odejściu od pierwotnych założeń i zminimalizuje poprawki.
Instrukcje dla projektanta powinny obejmować: krótki opis funkcji obwodu; szkic płytki pokazujący lokalizacje wejść i wyjść; układ warstw płytki (tj. grubość, liczba warstw, szczegóły warstw sygnałowych i płaszczyzn — zasilania, masy, analogowej, cyfrowej i RF); które sygnały muszą znaleźć się na każdej warstwie; gdzie muszą pojawić się kluczowe elementy; dokładne położenie komponentów filtrujących; które ścieżki są krytyczne; które linie muszą być liniami o kontrolowanej impedancji; które linie muszą mieć zrównane długości; rozmiary elementów; które ścieżki muszą być utrzymywane z dala (lub blisko) siebie; które elementy muszą znajdować się blisko (lub daleko) od siebie; które elementy muszą znajdować się na górze i na dole płytki. Nikt nigdy nie skarżył się na nadmiar dużej ilości informacji — ich znikomy zakres może być przyczyną narzekania, acz zbyt duży, niekoniecznie.
Jako przykład takiego stanu rzeczy autor artykułu z Analog Dialogue podaje własne doświadczenie: „Około 10 lat temu zaprojektowałem wielowarstwową płytę z montażem powierzchniowym — z elementami po obu jej stronach. Całość była przykręcona do pozłacanej obudowy aluminiowej wieloma śrubami (ze względu na rygorystyczne wymagania co do wibracji). Wyprowadzenia do podawania napięcia przechodziły przez płytkę. Wyprowadzenia były drutowane do PCB. To była skomplikowana konstrukcja. Niektóre z elementów miały być konfigurowane podczas testów. Jednak nie określiłem, gdzie powinny się one znajdować. Czy potrafisz zgadnąć, gdzie część z nich została umieszczona? Dokładnie! Na dole płytki. Inżynierowie i technicy produkcji nie byli zbyt zadowoleni, gdy musieli rozebrać cały moduł, aby ustawiać pewne wartości, a następnie ponownie wszystko składać. Nie popełniłem już więcej takiego błędu”.
Lokalizacja, lokalizacja, lokalizacja
Podobnie jak w nieruchomościach, lokalizacja na PCB ma ogromne znaczenie. Gdzie umieszczony jest obwód, gdzie znajdują się poszczególne jego elementy, jakie inne obwody są w okolicy, to wszystko jest istotne.
Rys.1. Lokalizacja elementów i wejść w systemach wysokiej prędkości (od lewej): najgorsza (duża powierzchnia pętli prądowej i nieciągła płaszczyzna masy), zła (duża powierzchnia pętli prądowej), lepsza (zmniejszona powierzchnia pętli prądowej), najlepsza (minimalna powierzchnia pętli prądowej).
Zazwyczaj określa się lokalizacje wejść, wyjść i zasilania, ale to, co dzieje się między nimi, jest do dowolnej interpretacji. To miejsce, w którym zwrócenie uwagi na szczegóły układu przyniesie znaczne korzyści. Należy zacząć od rozmieszczenia kluczowych komponentów, zarówno dla poszczególnych obwodów, jak i całej płytki. Określenie krytycznych lokalizacji części i ścieżek prowadzenia sygnału od samego początku pomaga zapewnić, że projekt będzie działać zgodnie z zamierzeniami. Uzyskanie prawidłowego rezultatu za pierwszym razem obniża koszty całego procesu, jak i redukuje stres zespołu oraz czas cyklu projektowego.
Jedną rzeczą, o której wielu ludzi zapomina, jest to, że dla przepływu prądu do punktu musi istnieć ścieżka powrotna, inaczej nie będzie on płynąć. Ponieważ występuje przepływ, to prąd powrotny znajdzie drogę z powrotem do źródła w jakimś kierunku. Gęstość prądu powrotnego jest największa bezpośrednio pod (lub nad) ścieżką sygnałową, z którego pochodzi. Nawet jeśli używana jest jednolita płaszczyzna masy, koncentracja przepływu prądu będzie nadal przylegać do śladu źródłowego sygnału. Jest to szczególnie istotne w przypadku układów RF.
Najniższa impedancja powrotu prądu o dużej prędkości znajduje się bezpośrednio pod ścieżką PCB. To znacznie zmniejsza obszar pętli, jaką formuje obwód (łącznie z masą). Na rysunku 1 pokazano różne przypadki elementów i związanych z nimi ścieżek. Najgorszy przypadek pokazuje, że długa i wijąca się ścieżka tworzy duży obszar pętli prądowej, co jest jeszcze bardziej kłopotliwe z powodu przerwy w płaszczyźnie wylewki masy. Oczywisty problem z tym polega na tym, że płaszczyzna masy jest często używana jako punkt odniesienia dla innych części systemu. Jeśli gęstość przepływu prądu jest wysoka w pobliżu jednego z tych punktów odniesienia, może (i często to robi) powodować występowanie zakłóceń w obwodzie i nierzadko się propaguje w całym przepływie sygnału. Jak pokazuje projekt złego układu, który również przedstawia długą i wijącą się ścieżkę, który nie podąża za zasadą prowadzenia ścieżek po najkrótszej możliwej drodze, miarodajny układ minimalizuje odległość, jednocześnie zmniejszając obszar pętli prądowej. Jednak najlepszym sposobem jest umieszczenie części odbiorczej tak blisko, jak to możliwe od wejścia. To zapewnia najmniejszy obszar pętli i opóźnienia na ścieżce sygnałowej są drastycznie zredukowane. Kluczową korzyścią tego podejścia jest to, że punkty odniesienia dla innych obwodów są utrzymane w: „ciszy” i nie powinny mieć żadnego udziału w niepożądanym przepływie prądu. To również minimalizuje konieczność stosowania ściśle technik stripline, ponieważ ścieżka sygnałowa działa jak obwód skupiony, a nie rozproszony. Obwód skupiony zazwyczaj ma narastające zbocza znacznie mniejsze niż czas opóźnienia linii transmisyjnej, minimalizując tym samym problemy. Konstrukcja linii transmisyjnych naturalnie utrzymuje prądy źródłowe i powrotne blisko siebie. Pomaga to minimalizować obszar pętli prądowej i drastycznie redukuje zakłócenia wzdłuż ścieżki na PCB oraz te elektromagnetyczne (EMI).
Filtrowanie zasilania
Filtrowanie zasilania (odsprzęganie) na pinach zasilania wzmacniacza w celu zminimalizowania zakłóceń jest istotnym aspektem procesu projektowania PCB, zarówno dla wysokoprądowych wzmacniaczy operacyjnych, jak i innych obwodów np. o wysokiej prędkości. Istnieją dwie powszechnie stosowane konfiguracje filtrowania dla wysokoprądowych wzmacniaczy operacyjnych.
Szyny do masy: ta technika, która w większości przypadków działa najlepiej, wykorzystuje wiele kondensatorów równoległych połączonych bezpośrednio od pinów zasilania wzmacniacza operacyjnego i do masy. Zazwyczaj wystarczające są dwa kondensatory równoległe, ale niektóre obwody mogą skorzystać z dodatkowych.
Równoległe kondensatory o różnych wartościach pomagają zapewnić, że piny zasilania wzmacniacza operacyjnego widzą niską impedancję prądu zmiennego w szerokim paśmie częstotliwości. Jest to szczególnie ważne w częstotliwościach, gdzie współczynnik odrzucenia wpływu zasilania wzmacniacza operacyjnego (PSR) jest niski. Kondensatory dają szansę zrekompensować malejący PSR wzmacniacza. Utrzymanie niskiej impedancji ścieżki do masy przez wiele dekad częstotliwości pomoże zagwarantować, że niepożądane zakłócenia nie przedostaną się do wzmacniacza operacyjnego. Rysunek 2 przedstawia korzyści z zastosowania wielu kondensatorów połączonych równolegle. Przy niższych częstotliwościach większe oferują niską ścieżkę impedancji do masy. Gdy osiągną one rezonans samoindukcyjny, jakość pojemności maleje, a kondensatory stają się indukcyjne. Dlatego ważne jest stosowanie wielu: gdy charakterystyka częstotliwości jednego kondensatora jest wygaszana, inny staje się istotny, utrzymując niską impedancję prądu zmiennego przez szereg dziesięcioleci częstotliwości.
Rys.2. Impedancja kondensatora w funkcji częstotliwości.
Rozpocząć należy bezpośrednio od pinów zasilania wzmacniacza operacyjnego, kondensator o najniższej wartości i najmniejszym rozmiarze fizycznym powinien być umieszczony po tej samej stronie płytki co wzmacniacz operacyjny — jak najbliżej wzmacniacza. Pin masy kondensatora powinien być połączony z wylewką masy przy minimalnej długości nóżki lub ścieżki. To połączenie masowe powinno być jak najbliżej obciążenia, aby zminimalizować zakłócenia między szynami zasilania a masą. Rysunek 3 ilustruje tę technikę.
Rys.3. Filtrowanie szyn zasilania przy użyciu równoległych kondensatorów podłączonych do masy.
Ten proces powinien być powtarzany dla kondensatora o wyższej wartości. Dobrym punktem wyjścia jest kondensator 0,01 µF dla najmniejszej wartości. A następnie elektrolityczny o pojemności 2,2 µF lub większej z niską rezystancją szeregową (ESR) dla następnego kondensatora. Kondensator 0,01 µF oferuje niską indukcyjność szeregową i doskonałe właściwości w zakresie wysokich częstotliwości.
Od szyny do szyny: alternatywna konfiguracja wykorzystuje jeden lub więcej kondensatorów filtrujących podłączonych pomiędzy szynami zasilania wzmacniacza operacyjnego. Ta opcja jest zazwyczaj stosowana, gdy trudno jest umieścić wszystkie cztery kondensatory w obwodzie. Wada tego podejścia polega na tym, że rozmiar obudowy kondensatora może się zwiększyć, ponieważ napięcie na nim jest dwa razy większe, niż w klasycznej metodzie filtrowania z pojedynczym zasilaniem. Wyższe napięcie wymaga wyższej wartości napięcia przebicia kondensatora, co przekłada się na większy rozmiar obudowy. Niemniej ta metoda może przynieść poprawę zarówno w zakresie PSR, jak i wydajności zniekształceń.
Ponieważ każdy obwód i układ są inne, konfiguracja, liczba i wartości kondensatorów są określane przez rzeczywiste wymagania obwodu.
Pasożyty
Parazyty to te okropne małe stworzenia, które wkradają się na Twoją płytkę PCB (dosłownie) i sieją spustoszenie w obwodzie. To ukryte kondensatory i cewki, które infiltrują obwody dużej częstotliwości. Obejmują cewki tworzone przez wyprowadzenia obudowy i nadmiar długości ścieżek; kondensatory pomiędzy polami lutowniczymi a masą, padem a płaszczyzną zasilania oraz padem a ścieżką; interakcje z otworami przelotowymi i wiele innych możliwości. Rysunek 4(a) przedstawia typowy schemat odwracającego wzmacniacza operacyjnego. Jednakże, biorąc pod uwagę elementy pasożytnicze, ten sam obwód wyglądałby jak na rysunku 3(b).
Rys.4. Typowy układ wzmacniacza operacyjnego, (a) zgodny z projektem oraz (b) z uwzględnieniem elementów pasożytniczych.
W obwodach o dużej częstotliwości niewiele jest potrzebne, aby wpłynąć na parametry układu. Czasami wystarczy zaledwie kilkadziesiąt pikofaradów. Przykładem może być sytuacja, w której przy wejściu odwracającym obecne jest zaledwie 1 pF dodatkowej pojemności pasożytniczej. Może to spowodować niemal 2 dB wznoszenia charakterystyki w dziedzinie częstotliwości (rysunek 5). Jeśli występuje wystarczająco dużo pojemności, może to prowadzić do niestabilności i oscylacji.
Rys.5. Zmiana charakterystyki układu spowodowana nawet niewielką pojemnością pasożytniczą w układzie.
Ogromną część pasożytniczych elementów można oszacować na bazie parametrów geometrycznych układu. Inne da się ocenić np. na podstawie wpływu na układ lub — po prostu — w ramach własnego doświadczenia. W kolejnej części artykułu przyjrzymy się, jak unikać tych nieprzyjemnych pasożytów, a także jak wyliczać lub mierzyć ich obecność, aby możliwe było — na przykład — wykorzystanie ich wartości w symulacji, dzięki czemu modele będą bliższe rzeczywistym układom.
Źródła:
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-speed-printed-circuit-board-layout.html
https://www.analog.com/media/en/training-seminars/design-handbooks/Basic-Linear-Design/Chapter12.pdf
https://www.ti.com/lit/ml/slyp173/slyp173.pdf
Fajne? Ranking DIY
