logo elektroda
logo elektroda
X
logo elektroda
Adblock/uBlockOrigin/AdGuard mogą powodować znikanie niektórych postów z powodu nowej reguły.

Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2

ghost666 21 Gru 2023 04:09 1068 0
  • W poprzednim artykule przyglądaliśmy się różnym czynnikom, które są ważne dla projektu układów pracujących z sygnałami o wysokiej częstotliwości. Wspominaliśmy między innymi o istotnym aspekcie — elementach pasożytniczych. Przyjrzyjmy się im w tym materiale dokładniej, rozpoczynając od przeanalizowania, w jaki sposób pojemność i/lub indukcyjność elementów PCB zależy od ich kształtu.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2
    Rys.1. Pojemność pomiędzy
    dwoma równoległymi płytkami.
    Na rysunku 1, po lewej stronie, pokazano schematycznie kondensator płytkowy — najprostszy kondensator złożony z dwóch równoległych płytek przewodnika o powierzchni A, które oddzielone są od siebie dielektrykiem na odległość d. Możliwe jest wyliczenie pojemności C pomiędzy tymi dwoma płaszczyznami:

    $$C = \frac {k \times A}{11,3 \times d} pf \qquad (1)$$

    gdzie k to stała dielektryczna wnętrza kondensatora — dielektryka pomiędzy płaszczyznami. A i d wyrażone są odpowiednio w: cm² i cm.

    Taki układ oczywiście obserwujemy często na PCB — jest to nic innego, jak dwie ścieżki oddzielone od siebie dielektrykiem — laminatem płytki.

    Indukcyjność pasywna L ścieżki to kolejny element, który należy wziąć pod uwagę. Wynika ona z nadmiernej długości ścieżki i braku wylewki masy. Równanie 2 przedstawia zależność dla indukcyjności ścieżki.

    $$\Phi = 0,0002 \times L \times [ ln (\frac{2L}{W + H} + 0,2245 (\frac {W+H}{L}) + 0,5)] \mu H \qquad (2)$$

    gdzie W to szerokość ścieżki, L to jej długość i H to jej grubość. Wszystkie wymiary podane są w milimetrach.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2
    Rys.2. Ścieżka, której indukcyjność analizujemy.


    Oscylacja na rysunku 3 przedstawia efekt ścieżki o długości 2,54 cm przy wejściu nieodwracalnym wzmacniacza operacyjnego o wysokiej prędkości. Równoważna indukcyjność przypadkowa wynosi zaledwie 29 nH. Jest to wystarczające, aby wywołać oscylację o niskim poziomie, utrzymującą się przez cały okres odpowiedzi na wejście układu. Wykres pokazuje również, jak użycie wylewki masy (zielony przebieg) łagodzi efekty przypadkowej indukcyjności.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2
    Rys.3. Przebieg obserwowany na wyjściu szybkiego op-ampa z dołączoną ścieżką o długości 25,4 mm do wejścia nieodwracającego (linia czerwona) i po dodaniu do układu wylewki masy (linia zielona).


    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2
    Rys.4. Przelotka wraz
    z kluczowymi wymiarami.
    Przelotki są kolejnym źródłem pasożytniczych elementów w układzie; mogą wprowadzać zarówno indukcyjność, jak i pojemność. Równanie 3 to wzór opisujący indukcyjność pasożytniczą takiego elementu (patrz rysunek 4).

    $$\Phi = 2 \times T [ln \frac {4T}{d} + 1] \qquad (3)$$

    gdzie T to grubość płytki drukowanej, przez którą przechodzi przelotka, a d to średnica przelotki. Wymiary te podane są w centymetrach.

    Przelotki takie związane są również z pasożytniczą pojemnością. Jej wartość wyliczyć można z tych samych wymiarów (patrz rysunek 4), co indukcyjność, korzystając z równania 4.

    $$C = \frac {0,55 k \times T \times D_1}{D_2 - D_1} pf \qquad (4)$$

    k to względna przenikalność materiału płytki drukowanej. D1 to średnica padu wokół otworu przechodzącego przez płytkę, a D2 to średnica otworu przelotowego w płaszczyźnie masy. Wszystkie wymiary są podane w centymetrach.

    Jedno pojedyncze przejście w płytce o grubości 0,157 cm może dodać 1,2 nH indukcyjności i 0,5 pF pojemności; dlatego podczas projektowania płytek należy zachować stałą czujność, aby zminimalizować ilość takich pasożytniczych elementów.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2
    Rys.5. Symulacja gęstości prądu
    w dwuwarstwowej płytce dla
    ścieżki z przelotką.
    Przelotki

    No właśnie — przyjrzyjmy się dokładniej przelotkom — elementom łączącym ścieżki sygnałowe na dwóch różnych warstwach płytki drukowanej. Oprócz tego, że mają one swoją charakterystyczną pojemność i impedancję pasożytniczą, cechuje je kilka innych ciekawych problemów. Jednym z nich jest zapewnienie ścieżki powrotnej dla prądu sygnału, jaki przenoszony jest przez przelotkę w ścieżce.

    Wiemy, że gęstość prądu powrotnego podąża wirtualną ścieżką bezpośrednio pod tą sygnałową. Jednak co się dzieje, gdy ścieżka sygnałowa przechodzi przez przelotkę? Jak prąd powrotny będzie płynąć z dolnej warstwy masy do górnej? Prąd ZAWSZE znajdzie sposób, aby to zrobić, i może się okazać, że jego przebieg w naszym projekcie powoduje poważne problemy... Aby je zminimalizować, za każdym razem, gdy wykorzystywane są przelotki, należy również używać tych zszywających warstwy wylewki masowej obok przelotki sygnałowej, jak pokazano na rysunku 5. Pozwala to na to, aby prąd powrotny przebiegał w pobliżu miejsca przepływu sygnału. Jednak przejście sygnałowe przechodzi istotnie przez cylinder, który 'preferuje', aby prąd powrotny płynął wokół niego w zakresie 360°. Jeśli używana jest pojedyncza przelotka masy dla prądu powrotnego, charakterystyczna impedancja ścieżki ulegnie niewielkiej zmianie i może to stanowić problem. Oczywistym rozwiązaniem, które pomoże utrzymać impedancję charakterystyczną przelotki, jest stosowanie wielu przelotek masy wokół tej sygnałowej. Wykorzystanie 4 takowych daje bardzo dobre wyniki i powinno być praktykowane, jeśli to możliwe (patrz rysunek 6).

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2
    Rys.6. Symulacja gęstości prądu w ścieżce oraz przelotkach z przelotkami masy dookoła przejścia sygnału pomiędzy warstwami.


    Wykresy pokazane na rysunku 7 prezentują różnicę między pojedynczą przelotką masy a konfiguracją z 4 takowymi. Te testy to rzeczywiste rezultaty z badania płytki PCB przeznaczonej do zilustrowania różnic między tymi dwoma scenariuszami. Jak pokazują te wyniki, użycie konfiguracji z 4 przejściami masowymi rozszerza wzorzec oka PBRS (pseudorandom-bit-stream), co wskazuje na lepszy system do pracy w zakresie wysokich częstotliwości. Dodatkowo znacznie poprawia S21 (odbicie wejściowe), a puls TDR (time-domain-reflectometry) pokazuje poprawione dopasowanie impedancji przez przejście.

    Jak projektować płytki drukowane PCB - część 21 - wskazówki projektowania "szybkich" PCB 2
    Rys.7. Rezultaty badania ścieżek z przelotką otoczonych masą z jedną przelotką (linie żółte i linia czerwona) oraz z czterema przelotkami (linie zielone i linia granatowa).


    W ostatnich akapitach przewinęło się hasło impedancji charakterystycznej... Jest ona wynikiem istnienia wyżej opisanych wartości pasożytniczych w układzie, a także szalenie istotna dla sygnałów, dla których ścieżki są liniami długimi, tj. mają zakres porównywalny do długości fali, jaką transmitują. W praktyce przyjmuje się, że linia musi mieć powyżej ¼ lub 1/10 (zależnie od tego, kogo pytamy — to nie jest ścisły wyznacznik) długości fali, aby uznawać ją za znaczącą. Dla miedzianych przewodników długość fali przebiegu 10 MHz wynosi ok. 20 m (przy założeniu prędkości propagacji równej 200 000 km/s, około 2/3 prędkości światła). Dla 1 GHz długość ta to już 20 cm, co oznacza, że każda ścieżka powyżej 20-50 mm jest linią długą... W praktyce, aby utrzymać straty wynikające z niedopasowania impedancji na poziomie poniżej 0,1 dB (czyli spadek sygnału o około 1%) należałoby przyjąć raczej współczynnik 1/16 lub 1/20, co redukuje nam wspomniane wyżej granice do 10-12 mm, czyli bardzo niewielu. W przypadku sygnałów cyfrowych, gdzie różnica amplitudy nie jest tak istotna, za kryterium służyć może czas narastania/opadania sygnału. Dla dosyć starych już pamięci DDR2 przyjmuje się, że czas narastania/opadania sygnałów wynosić może 100 ps, co dla typowego laminatu FR4 oznacza, że ścieżka o długości 3,5 mm i większej powinna być traktowana, jak linia długa.

    Powyższy opis powinien przekonać o tym, jak ważne są linie długie w: „szybkich” układach elektronicznych. W kolejnej, trzeciej części, przyjrzymy się, w jaki sposób wyliczać impedancję charakterystyczną ścieżek itp., by zadbać o jej dopasowanie i uniknąć problemów w transmisjach sygnałów o wysokiej częstotliwości.

    Źródła:
    https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-speed-printed-circuit-board-layout.html
    https://www.ti.com/lit/ml/slyp173/slyp173.pdf
    https://citeseerx.ist.psu.edu/document?repid=rep1&type=pdf&doi=109f28afa7727cac12c0dc4151447410434d0951[/quote]

    Fajne? Ranking DIY
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    https://twitter.com/Moonstreet_Labs
    ghost666 napisał 11960 postów o ocenie 10197, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
REKLAMA