Правила разводки печатных плат: Что нужно знать для успешного проектирования печатных плат

Содержание

Что нужно знать для успешного проектирования печатных плат

В статье рассматриваются некоторые важные вопросы проектирования двухслойных печатных плат, и даются проверенные практикой рекомендации. Кроме того, обсуждаются особенности анализа схем с сосредоточенными и распределенными элементами.

Многие потребительские изделия, микроконтроллеры и IoT-приложения построены на двухслойных печатных платах. Возможности двухслойной печатной платы ограничены – как правило, на ней трудно осуществить разводку BGA-корпуса ПЛИС или выводов современного микроконтроллера. В этой статье мы обсудим правила проектирования для плат не самого высокого уровня.

На рисунке 1 в качестве примера двухслойной печатной платы показана Arduino Uno – платформа для разработки на базе микроконтроллера ATmega.

Рис. 1. Пример недорогой печатной платы Arduino Uno

Arduino Uno очень «живуча» – она всегда заработает, каким бы правилом проектирования вы ни воспользовались, что, к сожалению, расхолаживает разработчиков. Можно смело утверждать, что разработка на основе Arduino являет собой образец того, как не следует проектировать, чтобы затем не переделывать схему.

 

Две проблемы, которые необходимо избежать

Схема определяет лишь используемые в ней компоненты и способ их соединения, но не позволяет установить целостность сигнала или питания.

Межсоединения могут ухудшить рабочие характеристики изделия. К наиболее частым и сложным проблемам целостности сигналов и питания относятся перекрестные помехи, обусловленные взаимной индуктивностью между контурами сигнала и обратного тракта (помехи по земле) и коммутационный шум на шинах питания, вызванный в переходных процессах током большой амплитуды. На рисунке 2 показан результат измерения помехи по земле платы Arduino Uno при одновременном включении и выключении нескольких выходных каскадов цифровых микросхем.

Рис. 2. Результаты измерения помехи по земле на плате Arduino Uno при замыкании и размыкании нескольких ключей

При физическом проектировании платы, включающем создание топологии, необходимо соблюдать основные правила проектирования, чтобы уменьшить влияние этих двух проблем. Без тщательного анализа, который должен выполнять каждый инженер, можно только следовать некоторым общим рекомендациям, позволяющим уменьшить риск появления указанных проблем. Мы рассмотрим несколько рекомендаций, которые не гарантируют полный успех, но позволяют снизить риски возникновения отказов.

Совет 1. Ширина сигнального проводника должна быть равной 6 мил, ширина питающих проводников – 20 мил, а диаметр отверстий – 13 мил.

Указанные размеры являются минимальными, и их может реализовать любой производитель при наименьшей цене. Выбор самых узких элементов обеспечивает самую высокую плотность трассировки. Проводник шириной 1 мил (0,025 мм) проводит постоянный ток величиной 1 А; при этом его температура заметно не повышается. Сопротивление такого проводника составляет 80 мОм/дюйм при толщине медного покрытия с удельной массой 1 унция/кв. фут. В большинстве приложений сопротивление проводника печатной платы является приемлемым, даже если его величина составляет 1 Ом. Поскольку длина рассматриваемого сигнального проводника составляет 12 дюймов, потери не играют существенной роли, пока ширина полосы пропускания не превысит 1 ГГц.

Характеристический импеданс проводника шириной 6 мил при использовании стандартной двухслойной платы толщиной 62 мил достигает 150 Ом. Если длительность фронта достаточно мала или длина межсоединений настолько велика, что требуется согласование нагрузки, ее так же легко реализовать для 150‑Ом проводников, как и в случае с 50‑Ом проводниками, если проводники не выходят за пределы платы. При этом рассеяние мощности меньше, чем в случае с 50‑Ом проводниками.

Попробуем установить, насколько большой ток может проходить по проводнику печатной платы, показанной на рисунке 3.

Рис. 3. Образец испытательной платы для определения максимального тока, который могут пропускать проводники разной толщины

По проводнику шириной 20 мил в медном покрытии с удельной массой 1 унция/кв. фут может проходить постоянный ток величиной 3 А, не вызывая заметного повышения температуры. Последовательное сопротивление такого проводника составляет около 25 мОм/дюйм. Сопротивление силового проводника длиной 4 дюйма равно 0,1 Ом, что, как правило, считается незначительной величиной. Если требуется, чтобы по проводникам протекал ток до 10 А, их ширину следует увеличить до 100 мил.

Совет 2. Располагайте компоненты, сигнальные и силовые тракты на слое 1, а обратный заземляющий тракт – на слое 2.

Длину проводника, под которым имеется обратный тракт, можно выбрать сколь угодно большой, не ухудшив рабочие характеристики. Главное – использовать непрерывный обратный тракт под сигнальной линией. Проще всего это сделать, задействовав сплошной заземляющий нижний слой платы.

Таким образом, верхний слой будет отведен под размещение всех компонентов, сигнального и силового трактов, что облегчит последующую отладку при проверке сигнальных проводников. Кроме того, появляется возможность отличить сигнальные проводники от проводников питания по ширине линий.

Совет 3. Размещайте компоненты и сигнальные проводники подальше друг от друга.

Старайтесь размещать сигнальные проводники как можно дальше друг от друга во избежание перекрестных помех. У этих проводников – достаточно большой характеристический импеданс. Поскольку они находятся далеко от слоя с обратным током, между ними возникают перекрестные помехи. Чем меньше расстояние между соседними сигналами, тем эти помехи больше: например, при минимальном интервале перекрестная помеха на ближнем конце достигает 25%.

Совет 4. Изоляционный промежуток для сигнальной линии на заземляющем слое должен быть узким. В противном случае в верхнем слое над зазором устанавливается перемычка.

При проектировании печатной платы следует стремиться к тому, чтобы импеданс обратного тракта каждой сигнальной линии был настолько мал, чтобы обеспечить низкую взаимную индуктивность между соседними парами обратных трактов. При трассировке сигнальной линии по заземляющему слою приходится создавать вокруг нее изоляционный промежуток. Сигнальные проводники, проходящие над этим зазором в обратном тракте, генерируют перекрестные помехи, распространяющиеся на другие сигналы, которые пересекают зазор.

Чтобы минимизировать помехи, следует делать зазоры небольшими, сузив, таким образом, тракт обратного тока. Если же этот зазор велик, в верхний слой добавляется обратный тракт, проходящий над зазором. На рисунке 4 приводятся примеры расположения зазоров в местах их пересечения с проводниками; для обратного тока в верхнем слое установлены перемычки.

Рис. 4. При пересечениях зазоров и проводников используются перемычки для прохождения обратного тока над зазорами
Совет 5. Устанавливайте развязывающие конденсаторы как можно ближе к выводу питания ИС так, чтобы по возможности минимизировать индуктивный контур.

Рекомендуется использовать конденсатор в малом корпусе, выбрав максимальную емкость для этого типоразмера с номинальным напряжением, которое, по меньшей мере, в два раза больше предполагаемого напряжения шины питания. Как правило, в таких случаях применяется многослойный керамический конденсатор емкостью 22 мкФ. Величина его емкости зависит от тока, потребляемого развязываемыми компонентами. Согласно известному эмпирическому правилу, емкость 22 мкФ «справится» с током величиной 22 мА в переходном процесс при минимальном провале напряжения.

Величина емкости не так важна, как минимизация индуктивных контуров между выводами питания и земли ИС и развязывающими конденсаторами. Как правило, с этой целью конденсаторы, установленные как можно ближе к выводам микросхемы, используют короткие широкие проводники силового и заземляющего трактов. На рисунке 5 приведен пример корректного и некорректного использования нескольких конденсаторов в соответствии с этой рекомендацией.

Рис. 5. Пример:
а) корректного и
б) некорректного размещения развязывающих конденсаторов на печатной плате
Совет 6. На всех разъемах по возможности назначайте один обратный тракт каждому цифровому сигналу.

Помехи по земле или коммутационный шум создают несколько сигналов, которые совместно используют один вывод для обратного тока. У многих разъемов – только один или два таких вывода с множеством переключающихся сигналов, в результате чего возникают помехи по земле. Например, у одного заземляющего вывода разъема платы Arduino – 13 цифровых вводов/выводов, которые могут переключаться.

Совет 7. Не следуйте двум известным рекомендациям.

К первой из них относится запрет на использование конденсаторов с разными емкостями 10 мкФ, 1 мкФ и 0,1 мкФ на каждом выводе питания. Мало того, что такое ограничение ничего не дает – в некоторых случаях из-за него возникают дополнительные проблемы. Если на плате имеется место для трех конденсаторов, установите их так, чтобы минимизировать контур индуктивности.

Вторая рекомендация – никогда не использовать медную заливку. Такое ограничение тоже неэффективно и иногда создает ненужные проблемы. Вместо медной заливки используйте проводники для слоя питания. Таким образом можно отслеживать силовые тракты при проверке подключений и отладке. Требование к обеспечению минимального контура индуктивности относится ко всем соответствующим компонентам, начиная с ИС и заканчивая развязывающими конденсаторами. Например, для тока величиной 10 А достаточно, чтобы ширина проводника составляла всего 100 мил.

Что касается заливки для заземления, то для него рекомендуется использовать нижний слой платы с обратными трактами. В случае использования верхней медной заливки в качестве заземления может незаметно произойти разрыв импеданса в обратном тракте.

Не следует думать, что добавление медной заливки, подключенной к заземляющему слою, позволяет уменьшить перекрестные помехи – для их минимизации достаточно обеспечить непрерывные обратные тракты, не перекрывающие друг друга. Медная заливка большой площади между сигнальными проводниками часто становится причиной увеличения перекрестной помехи.

 

Выводы

Следование этим практическим рекомендациям не гарантирует успеха, но позволяет уменьшить риск возникновения отказа из-за перекрестной помехи или шума на шине питания.

Рис. 6. Двухслойная плата Arduino с микроконтроллером ATmega 32U4, реализованная в соответствии со всеми рекомендациями

В качестве примера следования этим советам на рисунке 6 представлена двухслойная плата Arduino с установленным микроконтроллером ATmega 32U4. Из этого рисунка видно, что в схеме реализованы все упомянутые рекомендации:

  1. Ширина сигнальных проводников равна 6 мил, проводников питания – 20 мил, а диаметр сигнальных переходных отверстий – 13 мил.
  2. На слое 1 (обозначен красным цветом) находятся компоненты, сигнальные и силовые проводники. На слое 2 (синим цветом) находится сплошной заземляющий слой.
  3. Расстояние между сигнальными проводниками достаточно велико.
  4. Ширина зазоров у сигнальных проводников в заземляющем слое минимальная. Если же она велика, используются перемычки для обратного тока.
  5. Развязывающие конденсаторы располагаются рядом с силовыми выводами, которые образуют малые контуры по питанию и заземлению.
  6. В стандартный разъем Arduino добавлен внешний ряд заземляющих выводов.
  7. Ни на одном слое нет медной заливки, и используется только одно значение развязывающего конденсатора.

 

Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами

Для проектирования двухслойных плат достаточно использовать модели схем с сосредоточенными параметрами. Это простой и удобный способ анализа. К сожалению, он не всегда годится. Рассмотрим примеры использования моделей с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Для упрощенного анализа электронных схем применяется модель с сосредоточенными параметрами. Эта методология предполагает, что параметры схемы, к которым относятся сопротивление, емкость и индуктивность, рассматриваются как идеализированные электрические компоненты, соединенные в цепь идеально проводящими проводами. При этом физическими размерами элементов можно пренебречь и независимой переменной является только время (протекающих в них процессов). Однако на практике это не всегда так.

По мере повышения частоты импульсов и уменьшения длительности их фронтов эти элементы равномерно распределяются по подложке вдоль всей длины проводника. Медный проводник и соседствующие с ним диэлектрические материалы становятся линией передачи. Под влиянием поверхностного эффекта ВЧ-ток начинает протекать преимущественно в поверхностном слое, а на качество сигнала влияют зависящие от частоты потери. Проводник печатной платы становится распределенной системой с паразитной индуктивностью и емкостью, которая характеризуется временем задержки и рассеянными отражениями. Описываемое поведение проводника происходит в частотной области.

В [1] показано, что импеданс определяется и во временной, и в частотной областях. Во временной области полное сопротивление резистора R определяется взаимосвязью между напряжением и током (законом Ома), а идеальный конденсатор С – взаимосвязью между запасенным зарядом и напряжением на пластинах. В свою очередь, поведение индуктивности L определяется тем, как быстро изменяется во временной области ток, протекающий через дроссель.

Три элемента R, L, C относятся к категории сосредоточенных компонентов схемы в том смысле, что их свойства можно локализовать в одной точке. Такой подход существенно отличается от свойств идеальной линии передачи, которая тоже состоит из этих трех элементов, но их параметры распределены равномерно по длине диэлектрического слоя. Модель с распределенными элементами применяется, если длина волны становится сопоставимой с физическими размерами схемы, что делает неприменимой модель с сосредоточенными параметрами.

Модель с распределенными элементами используется на высоких частотах, когда длина волны становится короткой. Однако она также применяется в случае очень длинных низкочастотных линий передачи, к которым, например, относятся высоковольтные сети электропитания. В этой модели тремя основными элементами являются распределенная емкость, индуктивность и проводимость (G).

Модель с сосредоточенными параметрами полностью перестает работать, если длина проводника становится больше четверти длины волны сигнала, распространяющегося по проводнику (что соответствует сдвигу фазы синусоидального сигнала на 90°). При этом не только значения, но и свойства компонентов становятся непредсказуемыми. В силу такой зависимости от длины волны модель с распределенными параметрами применяется, главным образом, на высоких частотах. Необходимо понимать, что термины «сосредоточенные» и «распределенные параметры» относятся к длине проводника относительно длины волны сигнала напряжения и токов, проходящих по проводнику.

Системы с сосредоточенными элементами описываются известными дифференциальными уравнениями, поскольку в силу малого размера этих систем (по сравнению с длиной волны) производными по координатам можно пренебречь и рассматривать только производные по времени. С другой стороны, в случае систем с распределенными параметрами требуется учитывать и производные по координатам, и производные по времени, т. е. решить частно-дифференциальные уравнения в частотной области.

Линию передачи можно представить в виде бесконечно большого числа сегментов, в состав которых входят последовательные резистивные и индуктивные, а также шунтирующие емкостные и проводящие элементы (см. рис. 7). Из-за ограниченной скорости распространения в среде сигналу «неизвестно», какая нагрузка находится в конце линии передачи – он «видит» только ее импеданс, который должен быть согласован с импедансом генератора сигналов.

Рис. 7. Линия передачи, состоящая из сегментов с последовательными элементами R-L-C-G

 

Как формируется электромагнитное поле в линии передачи?

Ответ на этот вопрос нельзя получить даже в Google. По идее, электрическое поле образуется, когда к выходному каскаду ИС прикладывается напряжение. При его изменении возникает всплеск тока, который порождает магнитное поле. Заключенная в сигнале электромагнитная энергия передается со скоростью около половины скорости света (из-за ограничения, обусловленного диэлектрической средой) по линии передачи вдоль проводника. Эта энергия проникает в диэлектрик и рядом расположенные элементы, создавая распределенную систему из паразитных элементов. Электромагнитные поля не ограничиваются многослойной подложкой – в отсутствие соответствующих мер по их нейтрализации излучение становится причиной помех.

Модель системы с распределенными параметрами обеспечивает более высокую точность, но сложнее модели с сосредоточенными параметрами. Выбор модели зависит от точности каждого конкретного приложения, поскольку отсутствует четкая граница по частоте, определяющая использование той или иной модели, хотя на практике такой демаркационной областью является диапазон 100–500 МГц. Одно известное эмпирическое правило гласит, что проводники, длина которых превышает 0,1 длины волны, следует рассматривать как систему с распределенными элементами. Эта область определяется примерно тем участком, где две кривые начинают заметно расходиться (см. рис. 8).

Рис. 8. Анализ сосредоточенных и распределенных элементов линии передачи

Модель с сосредоточенными элементами применяется на сравнительно более высоких частотах в тех случаях, если устройства имеют достаточно малые размеры и изготовлены с помощью соответствующих технологий. Размеры печатных плат со сквозными металлизированными отверстиями превышают размеры эквивалентных плат, собранных с использованием технологии поверхностного монтажа. Размеры гибридных ИС, в которых пассивные элементы выполнены в виде пленок на диэлектрической подложке и используются дискретные полупроводниковые электронные приборы, меньше, чем у аналогичного решения, собранного целиком из дискретных компонентов на печатной плате. Размеры монолитных ИС еще меньше. На достаточно высоких частотах микросхемы, в отличие от печатных плат, можно анализировать в виде модели с сосредоточенными параметрами. То же относится к некоторым радиочастотным устройствам.

Выбор модели анализа особенно важен в случае мобильных устройств, поскольку размеры схем с сосредоточенными элементами, как правило, становятся все меньше. Для иллюстрации разницы между сосредоточенной и распределенной моделями для линии передачи мы сравниваем их на рисунке 8, где показана зависимость напряжения нагрузки от длины линии передачи без потерь.

В зависимости от длительности фронта сигналов модель линии передачи с распределенными элементами начинает отклоняться от упрощенной модели сосредоточенных элементов в диапазоне 0,01–0,1 длины волны сигнала. В рассматриваемой симуляции импеданс нагрузки согласован с импедансом линии передачи, и потому отражениями можно пренебречь.

Хотя модель с распределенными параметрами дает хорошее представление о характеристиках типовой НЧ линии передачи, на высоких частотах необходимо также учитывать потери в проводниках и диэлектриках.


На заметку

В модели с сосредоточенными элементами параметры схемы определяются идеализированными электрическими компонентами, соединенными в цепь идеально проводящими проводами. Считается, что размеры сосредоточенных элементов не влияют на происходящие в них физические процессы.

По мере повышения частоты импульсов и уменьшения длительности их фронтов эти элементы равномерно распределяются по подложке вдоль всей длины проводника.

Электромагнитная энергия проникает в диэлектрик и рядом расположенные элементы, создавая распределенную систему из паразитных элементов.

На высоких частотах применяется модель с распределенными параметрами, когда длина волны становится сравнимой с физическими размерами схемы.

Модель с сосредоточенными элементами полностью прекращает работать, если длина проводника начинает превышать четверть длины волны (что соответствует сдвигу фазы синусоидального сигнала на 90°).

Модель системы с распределенными параметрами обеспечивает более высокую точность, но сложнее модели с сосредоточенными параметрами.

Проводники, длина которых превышает 0,1 длины волны, следует рассматривать как систему с распределенными элементами.

Модель с сосредоточенными элементами применяется для схем на сравнительно более высоких частотах в тех случаях, если устройства имеют достаточно малые размеры и изготовлены с помощью соответствующих технологий.

Размеры схем с сосредоточенными элементами, как правило, становятся меньше.

Модель линии передачи с распределенными элементами начинает отличаться от упрощенной модели сосредоточенных элементов при длине проводников в диапазоне 0,01–0,1 длины волны сигнала.

Литература

  1. Сергей Краснов. Преимущества анализа в частотной области. Электронные компоненты. № 12. 2019.

Техника разводки печатных плат. Разводка печатной платы

1 Общие положения

Для предотвращения проблем с электростатикой и шумами необходимо соблюдать определённые правила при разводке печатной платы. Наиболее критичной точкой является вывод С, т.к. он соединён с встроенным 3,3-вольтовым источником питания ядра МК. Поэтому фильтрующий конденсатор следует располагать как можно ближе к выводу.

Также следует внимательно отнестись к разводке цепей питания и земли. Питание разводится «звездой». Мы рекомендуем располагать слой земли со стороны монтажа прямо под корпусом МК. Линии Vcc и Vss должны иметь только одну точку соединения с остальной схемой во избежание помех на МК и со стороны МК. Фильтрующие конденсаторы (DeCaps) должны быть расположены как можно ближе к соответствующим выводам. При слишком большом удалении они перестают выполнять свою функцию.

При использовании кварцевых резонаторов их следует располагать на минимальном расстоянии от выводов Xn(A).

По возможности фильтрующие конденсаторы желательно располагать со стороны монтажа МК.

2 Разводка цепей питания

Шины Vcc и Vss нужно разводить не последовательной цепочкой, а «звездой». Для Vss рекомендуется земляной полигон под корпусом МК соединённый в одной точке с остальной схемой.

Ниже приведены два примера для плохой и хорошей разводки цепей питания.

3 Фильтрация вывода C

4 Фильтрация цепей питания

Фильтрующие конденсаторы (DeCaps) для цепей питания должны располагаться на пути силовых токов, в противном случае их применение не имеет смысла. Следующий рисунок поясняет данное утверждение:

5 Расположение кварцевого резонатора и разводка сигнальных цепей

Кварц должен располагаться как можно ближе к МК. Таким образом, конденсаторы генератора будут расположены «сзади» кварца.

6 Дополнительная документация

Дополнительная более подробная информация содержится в Application Note 16bit-EMC-Guideline.

7 Перечень выводов МК

В таблице приведены выводы МК, критичные к электромагнитным взаимодействиям и краткая информация об их подключении.

Название вывода Выполняемая функция
Vсс
Vss Основное питание для портов ввода-вывода ядра МК, рядом с входом внутреннего регулятора 3,3В, рядом с кварцевым генератором
С Внешний сглаживающий конденсатор для встроенного регулятора 3,3В используемого для питания ядра МК. Обратите внимание – этот вывод является основным источником помех.
AVcc* Питание АЦП
AVss* Питание АЦП
AVRL*
AVRH* Вход источника опорного напряжения для АЦП
DVcc*, HVcc* Питание для сильноточных выходов ШИМ, с Vсс не соединены, должны подключаться к дополнительному источнику питания.
DVss*, HVss* Питание для сильноточных выходов ШИМ, с Vss не соединены, должны подключаться к дополнительному источнику питания.
X0, X0A* Вход генератора. Если не используется, соединить через резистор с «+» питания или землёй (см. DS).
X1, X1A* Выход генератора. Кварцевый резонатор и конденсатор должны быть подключены по самому короткому пути к выводу X1. Если не используется – оставить неподключенным.

* — может не присутствовать в конкретном МК

11 декабря 2016 в 17:48
  • Интернет вещей ,
  • Звук ,
  • Электроника для начинающих
При проектировании плат
Ничто не обходится так дёшево,
И не ценится так высоко,
Как правильная трассировка.

В век интернета вещей и доступности изготовления печатных плат, причём не только по ЛУТ технологии, их проектированием часто занимаются люди, вся деятельность которых связана с цифровой техникой.

Даже при трассировке простой цифровой платы существуют негласные правила, которым я всегда следую в своих проектах, а в случае разработки измерительных устройств с цифроаналоговыми участками схем это просто необходимо.

В данной статье я хочу обратить начинающих проектировщиков на ряд элементарных приёмов, которые следует соблюдать чтобы получить устойчиво работающую схему и снизить погрешность измерения или минимизировать коэффициент искажений звукового тракта. Для наглядности информация изложена в виде рассмотрения двух примеров.

Пример номер два. Трассировка простой схемы операционного усилителя



Рис. 1. Схема усилителя на ОУ


Рис. 2. Два варианта трассировки платы усилителя на ОУ

Небольшой оффтопик, прямо не относящейся к теме сегодняшней статьи

Настоятельно советую применять этот же приём при подаче питания и на другие типы микросхем, особенно АЦП, ЦАП и многочисленные выводы питания микроконтроллеров. Если вы используете встроенные аналоговые модули микроконтроллера — ADC, DAC, компараторы, источники опорного напряжен не поленитесь заглянуть в даташит и посмотреть какие блокировочные конденсаторы в каком количестве и куда необходимо ставить. Не помешает цепь развязки в виде фильтра или хотя бы сопротивления между основным цифровым питанием микроконтроллера и аналоговым. Аналоговую землю лучше размещать отдельным полигоном или экранным слоем, и соединять с основной землёй в одной точке, в некоторых случаях полезно через фильтр


Элементы цепи обратной связи должны быть расположены как можно ближе к неинвертирующему входу, что минимизирует возможность наводок на высокоомную входную цепь.

Переходим к более серьёзному и интересному случаю из области измерений, где трассировка бывает архи важна.

Пример номер один. Трассировка монитора тока потребления на инструментальном усилителе


Рис. 3. Схема монитора тока с использованием инструментального ОУ

На рисунке представлена схема измерителя потребляемого тока. Измерительным элементом служит сопротивление шунта включенное в цепь питания. Нагрузка на которой измеряется ток — R load. Измеряемое напряжение снимается с сопротивления R shunt и фильтруется с помощью симметричной цепи на элементах R1,R2,C1-C3. Микросхема U2 служит для подачи опорного напряжения. R4, C5 — выходной фильтр.

При трассировке разумеется необходимо соблюдать все рекомендации которые были даны выше.


Рис. 4. Два варианта трассировки платы усилителя на инструментальном ОУ

Разберём недочёты, которые имеет левая схема:

  • Поскольку мы имеем дифференциальный вход, необходимо выполнить две его сигнальные цепи как можно более симметричными. Проводники сигнальных линий должны иметь одинаковую длину и располагаться близко друг к другу. В идеале на одинаковом расстоянии друг от друга;
  • Микросхему повторителя опорного источника необходимо располагать как можно ближе к входу опорного напряжения инструментального усилителя.
Соблюдая очень простые правила вы облегчаете себе жизнь. В одних случаях они просто не приносят вреда, в других могут существенным образом улучшить как устойчивость работы схемы в целом, так и точность измерений.

Не держите на стене заряженное ружьё. Однажды оно обязательно выстрелит и выберет для этого самый неудобный момент.

В данном разделе мы рассматриваем, как избежать искажений цифрового сигнала, связанных с его передачей по проводнику на печатной плате. Несмотря на то, что это в первую очередь задача для инженера-схемотехника, разработчик печатной платы тоже зачастую повинен в проблемах с передачей сигналов по плате, а также в возникающих на плате наводка и перекрестных искажениях.

Почему сигнал искажается при передаче?
Прежде всего, искажения свойственны высокочастотным сигналам, с частотой 1 ГГц и более. Это связано с эффектами резонансов и отражений на отдельных сегментах проводников, переходных отверстий, разветвлений на плате, а также на входах приемников. Однако проблема состоит в том, что и сигналы частотой до 500 МГц, типовые для стандартных цифровых схем, как мы увидим далее, зачастую могут быть существенно искажены, а значит, их тоже можно отнести к высокочастотным.

В чем идея передачи без искажений?
Принцип передачи сигналов без искажений состоит в том, что проводник выполняется как линия передачи (или «длинная линия» ) с заданным характеристическим (волновым) сопротивлением, т.е. импедансом Z 0 , одинаковым на всем протяжении от источника к приемнику сигнала, чем обеспечивается однородность линии. Вторым требованием является согласованность линии с источником и приемником сигнала. В отличие от обычного проводника такая линия передачи не приводит к резонансу, искажениям и отражениям при передаче сигнала, какой бы длинной она ни была. Линии передачи могут быть легко реализованы на печатной плате путем применения материалов с известными параметрами и обеспечения требуемых размеров элементов печатного рисунка. Различают последовательное и параллельное согласование линии, при этом необходимо использовать определенные согласующие резисторы на выходе источника и/или входе приемника сигнала. Линии передачи, сформированные на плате, разумеется, могут быть продолжены за пределами платы с помощью соединителей и кабелей с контролируемым волновым сопротивлением Z 0 .

Для каких сигналов искажения становятся существенными?
Сопоставляя длину проводника на плате с длиной волны, которую имеет самая высокочастотная составляющая передаваемого сигнала (при распространении, например, в материале FR4), можно определить так называемую электрическую длину проводника. Электрическая длина может быть выражена в долях от минимальной длины волны или же в долях от обратной ей величины — длительности фронта. Если проводник имеет слишком большую электрическую длину, то для предотвращения чрезмерных искажений сигнала надо выполнять этот проводник как линию передачи. Заметим, что при передаче высокочастотных сигналов следует использовать линии передачи не только для уменьшения искажений, но и для снижения уровня электромагнитных излучений (ЭМИ).

Правило «половины длительности фронта»
Грубое правило состоит в том, что проводник является «электрически длинным» (то, что в электротехнике называется «длинная линия » ), если время прохождения фронта сигнала от источника к самому дальнему приемнику превышает половину длительности фронта сигнала. Именно в этом случае отражения в линии могут существенно исказить фронт сигнала. Предположим, что в устройстве предусмотрены микросхемы с длительностью фронта 2 нс (например, по документации для серии FastTTL). Диэлектрическая постоянная материала печатной платы (FR4) на высоких частотах близка к 4,0, что дает скорость движения фронта около 50% скорости света, или 1,5.10 8 м/с. Это соответствует времени распространения фронта 6,7 пс/мм. Имея такую скорость, за 2 нс фронт пройдет около 300 мм. Отсюда мы можем заключить, что для подобных сигналов следует использовать «линии передачи», только если длина проводника превышает половину данного расстояния — то есть 150 мм.

К сожалению, это неверный ответ. Правило «половины длительности фронта» слишком упрощенное и может привести к проблемам, если не учитывать его недостатки.

Проблемы упрощенного подхода
Данные по длительности фронта, приведенные в документации на микросхемы, отражают максимальное значение, и зачастую реальное время переключения существенно меньше (скажем, оно может быть в 3-4 раза меньше, чем «максимальное», и вряд ли можно гарантировать, что оно не будет меняться от партии к партии микросхем). Более того, неизбежная емкостная составляющая нагрузки (от подключенных к линии входов микросхем) уменьшает скорость распространения сигнала по сравнению с расчетной скоростью, достижимой на пустой печатной плате. Следовательно, для достижения адекватной целостности передаваемого сигнала, линии передачи следует использовать для гораздо более коротких проводников, чем предлагает описанное ранее правило. Можно показать, что для сигналов с длительностью фронта (по документации) 2 нс целесообразно использовать линии передачи уже для проводников, длина которых превышает всего лишь 30 мм (а иногда и меньше)! Особенно это относится к сигналам, несущим функцию синхронизации или стробирования. Именно для таких сигналов характерны проблемы, связанные с «ложным срабатыванием», «пересчетом», «фиксацией неверных данных» и другие.

Как проектировать линии передачи?
Существует множество публикаций, посвященных тому, какие могут быть виды линий передачи, как их проектировать на печатной плате, как проверять их параметры. В частности, стандарт IEC 1188-1-2: 1988 дает детальные рекомендации на этот счет. Имеется также множество программных продуктов, позволяющих подобрать конструкцию линии передачи и структуру печатной платы. Большинство современных систем проектирования печатных плат поставляются со встроенными программами, позволяющими конструктору проектировать линии передачи с заданными параметрами. В качестве примера можно назвать такие программы, как AppCAD, CITS25, TXLine. Наиболее полные возможности обеспечивают программные продукты фирмы Polar Instruments.

Примеры линий передачи
В качестве примеров рассмотрим наиболее простые виды линий передачи.

Как сконструировать линию передачи наилучшим образом?
Наиболее высокоскоростные (или наиболее критические) сигналы должны находиться в слоях, соседних с планом «земли» (GND), причем желательно с тем, который является парным с планом питания для развязки. Менее критичные сигналы могут быть проведены относительно планов питания, если в этих планах адекватно выполнена развязка и они не очень зашумлены. Каждый такой план питания должен быть ассоциирован с микросхемой, с которой или на которую поступает данный сигнал. Наилучшую помехозащищенность и ЭМС обеспечивают полосковые линии, проведенные между двумя планами GND, каждый из которых является парным со своим планом питания для развязки.
Линия передачи не должна иметь отверстий, разрывов или расщеплений в любом из опорных планов, относительно которых она проведена, так как это приводит к существенным изменениям Z 0 . Более того, полосковая линия должна находиться как можно дальше от любых разрывов в плане или от края опорного плана, и данное расстояние не должно быть меньше десятикратной ширины проводника. Соседние линии передачи должны быть разнесены не менее чем на три ширины проводника, для устранения перекрестных помех. Очень критичные или «агрессивные» сигналы (например, связь с радиоантенной) могут выиграть в ЭМС от использования симметричной линии с двумя рядами близко расположенных переходных отверстий, как бы загораживающих ее от других проводников и создающих коаксиальную структуру в печатной плате. Однако для таких структур вычисление Z 0 производится по другим формулам.

Как можно удешевить проект?
Описанные выше виды линий передачи почти всегда требуют использования многослойной платы, поэтому могут быть не применимы для создания массовых продуктов низшей ценовой категории (хотя при больших объемах 4-слойные печатные платы всего на 20-30% дороже, чем двусторонние). Однако для низкостоимостных проектов используются и такие виды линий, как сбалансированная (однородная), или копланарная, которые могут быть сконструированы на однослойной плате. Следует иметь в виду, что однослойные виды линий передачи занимают в несколько раз большую площадь на плате, чем микрополосковая и полосковая линии. Кроме того, экономя на стоимости печатной платы, вы будете вынуждены платить больше за дополнительное экранирование устройства и фильтрацию шумов. Есть общее правило, гласящее, что решение проблем ЭМС на уровне корпусирования изделия стоит в 10-100 раз дороже, чем решение той же проблемы на уровне печатной платы.
Поэтому, сокращая бюджет разработки путем урезания количества слоев печатной платы, будьте готовы к тому, что придется потратить дополнительное время и деньги на несколько итераций заказа образцов плат, чтобы обеспечить требуемый уровень целостности сигналов и ЭМС.

Как ослабить негативный эффект от смены слоев?
По типовым правилам разводки, около каждой микросхемы имеется как минимум один развязывающий конденсатор, так что мы можем менять слой вблизи микросхемы. Однако следует учитывать общую длину сегментов, которые не расположены в «полосковом» слое. Грубое правило таково: общая электрическая длина этих сегментов не должна превышать одной восьмой длительности фронта. Если на каком-то из этих сегментов может произойти слишком большое изменение Z 0 (например, при использовании ZIF-розеток или других видов панелек под микросхемы), лучше стремиться минимизировать эту длину до одной десятой времени фронта. Используйте указанное правило для определения максимально допустимой общей длины ненормированных сегментов и старайтесь минимизировать ее в этих пределах, насколько возможно.
Исходя из этого, для сигналов с временем фронта (по документации) 2 нс мы должны менять слой не далее чем 10 мм от центра микросхемы или от центра согласующего резистора. Это правило выработано с учетом 4-кратного запаса на то, что реальное время переключения может быть существенно меньше, чем максимальное по документации. Примерно на таком же расстоянии (не более) от места смены слоев должен находиться как минимум один развязывающий конденсатор, соединяющий соответствующие планы «земли» и питания. Такие маленькие расстояния сложно обеспечить при использовании микросхем большого размера, поэтому в разводке современных высокоскоростных схем не обойтись без компромиссов. Однако это правило обосновывает то, что в скоростных схемах предпочтительны микросхемы малого размера, и объясняет факт бурного развития технологий BGA и flip-chip, которые минимизируют путь сигнала от проводника на плате до кристалла микросхемы.

Моделирование и тестирование прототипов
Из-за наличия множества вариантов микросхем и еще большего количества вариантов их применения некоторые инженеры могут найти эти практические правила недостаточно точными, а кто-то сочтет их преувеличенными, однако такова роль «практических правил» — это всего лишь грубое приближение, позволяющее интуитивно конструировать корректно работающие устройства.
Сейчас все более доступными и продвинутыми становятся средства компьютерного моделирования. Они позволяют вычислять параметры целостности сигналов, ЭМС, в зависимости от реальной структуры слоев и разводки сигналов. Конечно, их применение даст более точные результаты, чем применение наших грубых приближений, поэтому мы рекомендуем как можно более полно использовать компьютерное моделирование. Однако не стоит забывать, что реальное время переключения микросхем может быть существенно короче, чем указанное в документации, и это может привести к получению неверных результатов, так что позаботьтесь о том, чтобы модель выходных и входных каскадов соответствовала реальности.
Следующий шаг — проверка прохождения критического сигнала на первом «прототипном» образце печатной платы, с использованием высокочастотного осциллографа. Следует убедиться в том, что форма сигнала не искажается при прохождении по печатной плате по всей длине проводника, и только следование приведенным выше правилам вряд ли даст превосходный результат с первого раза, хотя он может быть достаточно неплохим. Использование анализатора электромагнитных ВЧ полей, или анализатора спектра излучений, может быть еще одним способом изучения проблем целостности сигналов и ЭМС на уровне «прототипа» печатной платы. Методики такого анализа не являются темой данной статьи.
Даже если вы используете комплексное моделирование схемы, не пренебрегайте проверкой целостности сигналов и ЭМС на самых первых прототипах ПП.

Обеспечение волновых сопротивлений на этапе изготовления ПП
Типовой материал FR4, предназначенный для изготовления печатных плат, имеет значение диэлектрической постоянной (E r) около 3,8…4,2 на 1 ГГц. Реальные значения E r могут колебаться в пределах ±25%. Существуют материалы типа FR4, у которых значение E r нормируется и гарантируется поставщиком, и они ненамного дороже обычных, но производители печатных плат не обязаны использовать «нормированные» виды FR4, если это специально не указано в заказе на печатную плату.
Производители печатных плат работают с диэлектриками стандартных толщин («препрегами» и «ламинатами»), и их толщина в каждом слое должна быть определена перед запуском платы в производство, с учетом допусков на толщину (около ±10%). Чтобы обеспечить заданное Z 0 , для определенной толщины диэлектрика можно подобрать соответствующую ширину проводника. Для одних производителей надо указывать фактическую требуемую ширину проводника, для других — с запасом на подтрав, который может достигать 25-50 мкм относительно номинальной ширины. Оптимальным вариантом является указание производителю, какая ширина проводника в каких слоях спроектирована с учетом обеспечения заданного Z 0 . В этом случае производитель может скорректировать ширину проводника и структуру слоев для обеспечения заданных параметров в соответствии со своей технологией производства. Кроме того, производитель проводит измерение фактического волнового сопротивления на каждой заводской заготовке и сам отбраковывает платы, на которых Z 0 не попадает в допуск ±10% или точнее.
Для сигналов частотой выше 1 ГГц может оказаться необходимым применение более высокочастотных материалов, с лучшей стабильностью и другими диэлектрическими параметрами (такими как Duroid фирмы Rogers и т. д.).

Литература
1. Design Techniques for EMC & Signal Integrity, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2 : 1998 Printed Boards and Printed Board Assemblies — Design and use. Part 1-2: Generic Requirements — Controlled Impedance, www.iec.ch.
3. Проектирование многослойных печатных плат высокой сложности. Семинар PCB technology, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Проектирование аппаратной части. Уолт Кестер.

    Определения :

    Электромагнитная совместимость, ЭМС (Electromagnetic compatibility, EMC) : способность в процессе функционирования не вносить чрезмерно большой вклад в окружающую обстановку электромагнитным излучением. Когда это условие выполняется, все электронные составляющие совместно работают корректно.

    Электромагнитные помехи, ЭМП (Electromagnetic interference, EMI) : электромагнитная энергия, излучаемая одним устройством, которая может приводить к нарушению качественных характеристик другого устройства.

    Электромагнитная помехоустойчивость, ЭМПУ (Electromagnetic immunity, или susceptibility, EMS) : толерантность (устойчивость) к воздействию электромагнитной энергии.

    Проектирование с учетом ЭМС: 4 главных правила

    Проблема правил: чем больше Вы их имеете, тем сложнее выполнить их все. Расстановки приоритетов их выполнения различны.

    Предположим, при создании многослойной печатной платы Вам нужно развести трассу высокочастотного сигнала от аналогового компонента к цифровому. Естественно, что при этом Вы хотите минимизировать вероятность возникновения проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС). Занявшись поиском в интернете, Вы находите три рекомендации, которые, кажется, имеют отношение к Вашей ситуации:

    1. Минимизировать длины шин высокочастотных сигналов
    2. Разделить шины питания и земли между аналоговой и цифровой частями схемы
    3. Не разрывать полигоны земли высокочастотными проводниками

    Ваше видение трех возможных вариантов разводки показано на рис.1.

    В первом случае трассы разводятся непосредственно между двумя компонентами, и полигон земли остается сплошным. Во втором случае формируется разрыв в полигоне, и трассы проходят поперек этого разрыва. В третьем случае трассы прокладываются вдоль разрыва в полигоне.

    В каждомиз этих трех случаев происходит нарушение одного из вышеперечисленных правил. Являются ли эти альтернативные случаи одинаково хорошими, поскольку они удовлетворяют двум из трех правил? Все ли они плохи, поскольку каждый из них нарушает хотя бы одно правило?

    Эти вопросы стоят перед разводчиками печатных плат каждый день. Правильность или неправильность выбора стратегии разводки может привести к результатам, при которых плата либо будет удовлетворять всем требованиям по ЭМС, либо будет иметь проблемы с восприимчивостью к внешним сигналам. В этом случае выбор должен быть четким, но мы вернемся к этому позже

    Проблемы уменьшаются после расположения рекомендаций по приоритетам. Рекомендации к конструктивному исполнению полезны в том случае, если они хороши поняты и если они составляют часть полной стратегии. После того, как дизайнеры научатся распологать рекомендации по приоритетам и понимать, как эти рекомендации должны использоваться, они могут квалифицировано проектировать хорошие печатные платы.

    Далее приведены четыре главных правила по ЭМС, основаные на общих особенностях изделий электроники. Во многих случаях, дизайнеры печатных плат преднамеренно нарушают одно из этих правил в попытках выполнить более важные.

    Правило 1. Минимизируйте путь сигнального тока

    Это простое правило присутствует в почти каждом списке рекомендаций ЭМС, но часто оно либо игнорируется, либо значение его приуменьшается в пользу других рекомендаций.

    Часто дизайнер печатных плат даже не задумывается о том, где протекают сигнальные токи и предпочитает думать о сигналах в величинах напряжения, а должен бы думать в величинах тока.

    Есть две аксиомы, которые должен знать каждый дизайнер печатных плат:

    — сигнальные токи всегда возвращаются к своему источнику, т.е. путь тока представляет собой петлю
    — сигнальные токи всегда используют путь с минимальным импедансом

    На частотах несколько мегагерц и выше путь сигнального тока относительно просто определить потому, что путь с минимальным импедансом есть, в общем случае, путь с минимальной индуктивностью. На рис. 2 показаны два компонента на печатной плате. Сигнал частотой 50 МГц распространяется по проводнику над полигоном от компонента А к компоненту Б.

    Мы знаем, что такой же по величине сигнал должен распространяться обратно от компонента Б к компоненту А. Предположим, что этот ток (назовем его возвратным) протекает от вывода компонента Б, обозначенного GND, к выводу компонента А, обозначенного также GND.

    Поскольку обеспечена целостность (неразрывность) полигона, и выводы, обозначенные как GND, обоих компонентов расположены близко друг от друга то, это склоняет к заключению, что ток выберет самый короткий путь между ними (путь 1). Однако, это не правильно. Высокочастотные токи выбирают путь наименьшей индуктивности (или путь с минимальной областью петли, путь наименьшего витка). Большая часть сигнального возвратного тока течет по полигону по узкому пути прямо под трассой сигнала (путь 2).

    Если полигон был сделан по какой-либо причине с вырезом, как показано на рисунке 3, то вырез 1 будет иметь небольшое влияние на целостность сигнала и на излучение. Другой же вырез 2, может приводить к значительным проблемам; он вступает в противоречие с рекомендацией 2. Область петли увеличивается значительно; обратные токи настолько интенсивны, что текут вдоль границы разрыва.

    На низких частотах (в общем случае, кГц и ниже), путь наименьшего импеданса стремится быть путем с наименьшей частотой сигнала. Для печатной платы со сплошными полигонами возвратных токов, сопротивление полигонов стремится рассеять ток так, чтобы протекающий между двумя отдаленными точками ток мог распространяться по большей площади платы, как показано на рисунке 4.

    На плате со смешанными сигналами, с низкочастотными аналоговыми и цифровыми компонентами, это может создавать проблему. Рисунок 5 иллюстрирует, как хорошо расположенный разрыв в земляном полигоне может исправить ситуацию, зафиксировав низкочастотные возвратные токи, текущие по полигону, в специально отведенной для этого области.

    Правило 2. Не расчленяйте полигон возвратного сигнала

    Это правильно. Мы только продемонстрировали Вам превосходный пример в ситуации, где формирование разрыва в полигоне возвратного сигнального тока было правильным решением. Однако, как типичные ЭМС-инженеры, мы советуем Вам никогда не делать этого. Почему? Потому что много разработок хорошо понимающих людей, с которыми мы столкнулись, были результатом непреднамеренно нарушенного Правила 1 и создания разрывов в полигонах возвратных сигналов. Более того, часто разрыв был неэффективным и ненужным.

    По одному из мнений, аналоговый возвратный сигнальный ток должен всегда изолироваться от цифрового возвратного сигнального тока. Эта идея возникла, когда аналоговые и цифровые схемы работали на килогерцовых частотах. Например, в платах, которые использовались для цифровой звукозаписи, часто возникали шумовые проблемы из-за влияния низкочастотных цифровых сигнальных токов, распространяющихся под областью платы, где были расположены чувствительные аналоговые усилители. Некоторое время назад, аудиодизайнеры пытались избежать этой проблемы разделением полигонов возвратных токов для управления путями возврата и удалением цепей аналоговых токов от цифровых.

    Нашим студентам предлагается решить конструкторскую задачу, требующую защитить чувствительные аналоговые компоненты (обычно усилители звуковой частоты или генераторы с фазовой синхронизацией) от цифровой части схемы посредством разделения полигона возвратного сигнального тока таким способом, при котором токи НЧ были бы изолированы, а токи ВЧ не формировали бы помех. Обычно бывает не очевидно, как это может быть выполнено, и достаточно часто разрывы в полигонах создают проблемы большие, чем решают.

    Подобная ситуация возникает при разводке шин автомобильного или авиационного радиоэлектронного оборудования. В таком оборудовании возвратные токи цифровой схемы часто изолируются от общего корпуса для того, чтобы защитить цифровые схемы от повреждения большими токами НЧ, которые могут течь по металлической конструкции транспортного средства. Фильтрация электромагнитных помех и защита от переходных процессов обычно требуют соединений на корпус, в то время как сигнал должен передаваться относительно цифровой шины возвратного сигнала.

    Когда цепь корпуса и полигоны цифровых возвратных токов совместно используют одну и ту же шину, они выглядят как единый полигон с разрывом. Это иногда создает замешательство относительно того, к какой земле должен быть подсоединен какой-нибудь отдельный компонент. В этой ситуации обычно хорошей идеей является проводка шины корпуса и цифрового возвратного сигнала отдельными шинами. Полигон цифрового возвратного сигнала должен быть цельным и занимать область под всеми цифровыми компонентами, трассами и разъемами. Соединение с корпусом должно быть ограничено областью платы около разъемов.

    Несомненно, существуют такие ситуации, когда хорошо расположенный разрыв в полигоне возвратного тока требуется. Однако, самый надежный метод – один сплошной полигон для всех возвратных сигнальных токов. В случаях, когда отдельный низкочастотный сигнал восприимчив к наводкам (способен смешиваться с другими сигналами платы), используется трассировка на отдельном слое для возврата этого тока к источнику. Вообще, никогда не используйте разбиение или вырезку в полигоне возвратного сигнального тока. Если же Вы все-таки убеждены, что вырез в полигоне необходим для решения проблемы низкочастотной развязки, посоветуйтесь с экспертом. Не полагайтесь на рекомендации к конструктивному исполнению или на приложения и не пробуйте реализовать схему, которая работала у кого-то в другой подобной конструкции.

    Теперь, когда мы знакомы с двумя главными правилами ЭМС, мы готовы повторно обратиться к проблеме на рис. 1. Который из альтернативных вариантов лучший? Первый – единственный, который не противоречит правилам. Если по каким-то причинам (вне дизайнерского желания), разрыв в земляном полигоне потребовался, то третий вариант разводки более приемлем. Трассировка вдоль разрыва минимизирует область сигнальной токовой петли.

    Правило 3. Не располагайте высокоскоростные схемы между разъемами

    Это – одна из наиболее общих проблем среди конструкций плат, которые мы пересмотрели и оценили в нашей лаборатории. В простых платах, которые не должны были иметь никаких сбоев при всех требованиях ЭМС безо всяких дополнительных затрат и усилий, хорошая экранировка и фильтрование сводились на нет, потому что было нарушено это простое правило.

    Почему размещение разъемов так важно? При частоте ниже нескольких сотен мегагерц, длина волны – порядка метра или более. Проводники на плате – возможные антенны – имеют относительно малую электрическую длину и поэтому работают неэффективно. Однако, кабели или другие устройства, соединенные с платой, могут быть достаточно эффективными антеннами.

    Сигнальные токи, текущие по проводникам и возвращающиеся через сплошные полигоны создают малые падения напряжений между любыми двумя точками полигона. Эти напряжения пропорциональны протекающему по полигону току. Когда все разъемы размещены с одного края платы, падение напряжения незначительно.

    Однако, высокоскоростные элементы схем, размещенные между разъемами, могут легко создавать разность потенциалов между разъемами до нескольких милливольт и более. Эти напряжения могут наводить токи возбуждения на подключенные кабели, увеличивая их излучение.

    Плата, у которой выполняются все технические требования, когда разъемы расположены у одного края, может стать кошмаром для инженера по ЭМС, если хотя бы один разъем с подключенным кабелем расположен у противоположной стороны платы. Изделия, которые обнаруживают этот тип проблемы (кабели передающие напряжения, индуцированные через целостный полигон), особенно трудно привести в нормальное состояние. Часто при этом требуется достаточно хорошая экранировка. Во многих случаях, эта экранировка была бы совсем не нужна, если бы разъемы распологались у одной стороны или в углу платы.

    Правило 4. Переходное время управляющего сигнала

    Плата, работающая на тактовой частоте 100 МГц, никогда не должна соответствовать требованиям при работе на частоте 2 ГГц. Хорошо сформированный цифровой сигнал будет иметь большую мощность на низших гармониках и не так много мощности на высших. Управляя переходным временем сигнала, можно управлять мощностью сигнала на высших гармониках, что предпочтительно для ЭМС. Чрезмерно большое переходное время может приводить к нарушению целостности сигнала и к тепловым проблемам. В процессе разработки и дизайна должен быть достигнут компромисс между этими конкурирующими необходимыми условиями. Переходное время, равняющееся приблизительно 20% от периода сигнала, приводит к приемлемой форме сигнала, уменьшая проблемы, возникающие из-за перекрестных помех и излучения. В зависимости от применения, переходное время может быть более или менее, чем 20% от периода сигнала; однако, это время не должно быть неконтроллируемым.

    Имеется три основных способа изменения фронтов цифровых сигналов:
    — использование цифровых микросхем серии, быстродействие которой совпадает с требуемым быстродействием,
    — размещение резистора или индуктивности на феррите последовательно с выходным сигналом, и
    — размещение конденсатора параллельно с выходным сигналом

    Первый способ является часто самым простым и наиболее действенным. Использование резистора или феррита предоставляет дизайнеру большую возможность управления переходным процессом и меньше воздействует на изменения, которые происходят в логических семействах спустя некоторое время. Преимущество использования конденсатора для управления это то, что он может быть легко удален, если в нем нет необходимости. Однако, необходимо помнить, что конденсаторы увеличивают ток источника ВЧ сигнала.

    Обратите внимание на то, что пробовать фильтровать однопроводный сигнал в пути возвратного тока – это всегда плохая идея. Например, никогда не разводите низкочастотную трассу через разрыв в полигоне возвратного сигнала, пытаясь отфильтровать высокочастотный шум. После рассмотрения первых двух правил, это должно быть очевидно. Однако, платы, использующие эту неверную стратегию, иногда выявляются в нашей лаборатории.

    Вообще говоря, в процессе дизайна конструкции и разводки платы необходимо расставить приоритеты для выполнения правил ЭМС. Эти правила не должны быть предметом компромисса в попытках следования другим рекомендациям ЭМС. Однако, имеется несколько дополнительных, заслуживающих внимания рекомендаций. Например, важно обеспечить адекватное разделение шины питания, делать проводники ввода-вывода короткими и предусматривать фильтрацию выходных сигналов.

    Хорошей идеей также является тщательный выбор активных устройств. Не все совместимые по выводам полупроводниковые компоненты эквивалентны с точки зрения шума. Два устройства с одинаковыми техническими параметрами, но сделанные различными фирмами-изготовителями, могут значительно отличаться по шуму, который они создают на входных и выходных выводах, а также на выводах питания. Это особенно справедливо для микросхем с высокой степенью интеграции, таких как микропроцессоры и большие специализированные интегральные схемы (ASIC). Хорошей идеей является оценка компонентов от различных продавцов всякий раз, когда это возможно.

    И, наконец, пересмотрите еще раз ваш дизайн. Даже если вы – опытный разводчик печатных плат и эксперт по ЭМС, хорошо иметь кого-то, кто хорошо осведомлен относительно анализа ЭМС и знаком с конструированием печатных плат. Пусть он критически рассмотрит Ваш дизайн.

    Чьим же советам Вы можете верить? Доверяйте любому, чьи рекомендации четко помогают Вам выполнить четыре главные правила. Немного дополнительного внимания во время дизайна поможет сохранить много времени, денег и усилий, которые были бы потрачены впустую в попытках заставить правильно работать неуступчивое изделие.

    Перевод статьи:
    Dr. Todd Hubing, Dr. Tom Van Doren
    Designing for EMC: The TOP 4 GUIDELINES
    Printed Circuit Design & Manufacture, June 2003

    Др. Тодд Хьюбинг , заслуженный профессор электротехники и вычислительной техники, дважды награжденный призом “Лучшие Публикации Симпозиума” Международного Симпозиума Института инженеров по электротехнике и электронике.

    Др. Том Ван Дорен , профессор электротехники и компьютерной инженерии Лаборатории Электромагнитной Совместимости Университета Миссури-Ролла.

Немного о «граблях» при проектировании плат.
Наиболее типовая ошибка разводки цепей питания во многих конструкциях: емкости блокировки по «+» и по «-» питаний ОУ брошены на земляной слой далеко друг от друга, то есть по земляному слою течет контурный ток потребления ОУ. Эти емкости надо располагать так, чтобы расстояние между точками их присоединения к земляному слою было минимальным. Высокочастотные блокировки — под корпус DIP-8 легко влезают SMD конденсаторы типоразмера 1206, а при некотором умении — и 1210. Естественно, площадь образующегося контура протекания токов тоже должна быть минимальной, это само собой разумеется.

Резисторы в цепях питания каждой ИМС сильно упрощают разводку, т.к. служат перемычками, и позволяют «+» и «-» питания развести вплотную друг к другу, что весьма желательно для снижения излучений сигнальных/выходных токов цепями питания.

Существует также изящный (но весьма трудоемкий) метод подавления помех по «земле» без явного разделения земель, особенно полезный при использовании двусторонних плат — максимальное сохранение цельного слоя «земли» на одной из сторон (т.е. фактически однослойная разводка схемы на другой стороне, с минимумом «перемычек»), тщательный анализ контуров протекания токов питания по этой земляной плоскости и нахождение эквипотенциальных точек, т.е. точек, разность потенциалов между которыми при протекании по «земле» токов в цепях питания/нагрузки остается близкой к нулю. Эти точки и используются в качестве выводов «сигнальной» земли. Вид контуров протекания токов при необходимости можно изменять, вводя дополнительные разрезы или наоборот, делая перемычки в возникших по условиям разводки разрезах земляного слоя.

Самое подробное изучение вопросов топологии/протекания токов и т.п. было выполнено при создании методик проектирования устройств, устойчивых к ЭМИ импульсу, возникающему при взрыве ядерных боеприпасов или ЭМИ-генераторов импульсного действия. К сожалению, публикации на эту тему разрознены, и к тому же часто до сих пор «под грифом». Одну из иллюстративных статей я отсканировал, но не могу сюда прикрутить — выбран лимит на число вложений.

О конструировании ПП.
Необходимо сразу отметить, что иногда встречающийся прямолинейный подход — «чем больше слоев — тем лучше» — для чисто аналоговых (а частично и для цифровых) схем «не катит». Слишком много привходящих факторов.

Одно/двухслойные ПП на гетинаксе/стеклотекстолите без металлизации отверстий — в настоящее время адекватны только для очень простых устройств в большой (>>10000) серии. Главные минусы — низкая надежность в жестких условиях эксплуатации (из-за отслоения контактных площадок/проводников при механических вибрациях и термоциклах, набора влаги/флюсов через стенки отверстий), а также сложность (и дороговизна) качественной разводки сколько-нибудь сложных схем. Плотность монтажа низкая (обычно не более 3…4 выводов на квадратный сантиметр общей площади платы). Достоинство — крайняя простота и дешевизна в производстве (при больших объемах и проектных нормах порядка 0.38 мм — менее $0.3/кв. дм) за счет отсутствия металлизации и возможности замены сверления отверстий их пробивкой.

Требования по повышению плотности монтажа при сохранении надежности в производстве BGA корпусов и портативной техники привели к разработке технологии микропереходов (microvia), когда кроме обычных (сквозных) переходных отверстий на плате с одной или обоих сторон формируются (обычно лазером) глухие отверстия-переходы на нижележащий слой, металлизируемые в одном цикле с металлизацией сквозных отверстий. Размер контактной площадки под такой переход (0.2…0.3 мм) гораздо меньше, чем под сквозное отверстие, не нарушается трассировка в остальных слоях. К тому же в ряде случаев microvia может быть размещен на контактной площадке SMD элемента без риска ухода заметной части припоя в отверстие ввиду его малого размера и глубины (не более 0.1…0.15 мм). Это очень сильно повышает плотность разводки, т.к. обычные переходные отверстия на площадках SMD элементов размещать, как правило, нельзя. Microvia можно также сформировать и во внутренних слоях, но это существенно сложнее и дороже в производстве.

Несколько слов про толщину меди и покрытия плат. Основная часть плат делается на материалах с толщиной фольги 35, 18 и 9 мкм, при этом во время металлизации отверстий на наружных слоях наращивается еще по 15-25 мкм меди (в отверстиях должно быть ~ 20 мкм). Платы с проектными нормами 0.127 и менее, как правило, делаются на материале с толщиной фольги ~9 мкм (чем тоньше фольга, тем меньше искажение формы рисунка из-за бокового подтрава проводников). Беспокоиться о «малости сечения меди» не стоит, т.к. печатные проводники ввиду хорошего охлаждения допускают гораздо бОльшие плотности тока (~100 А/кв.мм), чем монтажный провод (3…10 А/кв. мм). Итоговая толщина во внешних слоях за счет осаждения меди при металлизации отверстий, естественно, оказывается больше, чем у исходной фольги. Cопротивление плоских проводников зависит от их геометрии в плане по простому закону: сопротивление квадрата х число квадратов. Сопротивление квадрата не зависит от его абсолютного размера, а только от толщины и проводимости материала. То есть, сопротивление проводника шириной 0,25 мм и длиной 10 мм (т.е. 40 квадратов) такое же, как при ширине 2,5 и длине 100. Для медной фольги 35 мкм это около 0,0005 Ом/квадрат. На промышленных платах при металлизации отверстий на фольгу наращивается дополнительный слой меди, так что сопротивление квадрата падает еще процентов на 20 по сравнению с приведенным выше. Облуживание же, даже «жирное», мало влияет на сопротивление, его цель — повысить теплоемкость проводников, чтобы они не сгорали от кратковременного ударного тока. Применяя коррекцию фотошаблонов (т.е. вводя поправки на подтравы) и анизотропное травление, изготовителям удается обеспечить производство плат с толщиной исходной фольги до 30-40% от проектных норм, т.е. при использовании самой толстой фольги 105 мкм (а с учетом осаждения меди — где-то 125-130 мкм) проектные нормы могут быть от 0.3…0.35 мм.

Более существенным ограничением для силовых схем является то, что допустимый ток, пропускаемый через переходное отверстие, зависит в основном от его диаметра, так как толщина металлизации в нем невелика (15…25 мкм) и, как правило, не зависит от толщины фольги. Для отверстия диаметром 0.5 мм при толщине платы 1.5 мм допустимый ток порядка 0.4 А, для 1 мм — примерно 0.75 А. При необходимости пропустить по переходным отверстиям бОльший ток рациональным решением будет использование не одного большого, а набора мелких переходных отверстий, особенно при их плотном размещении в «шахматном» или «сотовом» порядке — в вершинах сетки из шестиугольников. Дублирование переходных отверстий также дает выигрыш в надежности, поэтому часто применяется и в критических цепях (в том числе сигнальных) при разработке аппаратуры для особо ответственных применений (например, системы жизнеобеспечения).

Покрытия проводников плат бывают изолирующие и/или защитные. «Паяльная маска» — это защитное изолирующее покрытие, в котором сформированы окна в местах контактных площадок. Проводники могут быть оставлены медными, или покрыты слоем металла, защищающего их от коррозии (оловом/припоем, никелем, золотом и пр.). Каждый вид покрытия имеет достоинства и недостатки. Покрытия бывают тонкослойные, толщиной в доли микрона (как правило, химические), и толстослойные (гальванические, горячее лужение). Паяльную маску лучше всего наносить на голую медь или тонкослойное покрытие, при ее нанесении на луженые дорожки она держится хуже и при пайке проявляется капиллярный эффект — затекание припоя/отрывы маски. Золотое покрытие бывает обоих видов, химическое (тонкое) и гальваническое (требующее для своего выполнения электрического соединения проводников, например, на разъеме). В крупносерийном производстве также популярен вариант покрытия чисто медных (нелуженых) контактных площадок плат флюсоподобным лаком (organic coating). Выбор вида покрытия зависит от технологии монтажа и типа деталей. Для ручного монтажа (и автоматического при деталях типоразмера 0805 и крупнее) в подавляющем большинстве случаев оптимальный вариант — горячее лужение площадок (HASL) с маской по меди. Для более мелких деталей и автоматического монтажа, если нет требований по особо малым утечкам на плате, один из лучших вариантов — химическое (иммерсионное) золото (Flash Gold) или иммерсионное олово. Химзолото стоит в нормальном мире очень дешево, столько же, сколько горячее лужение, и при этом обеспечивает идеально ровные посадочные места для элементов, без бугорков припоя. Однако при изготовлении плат в РФ зачастую лучше заказывать покрытие не иммерсионным золотом, а оловом — его растворы не так экономят. При пайке плат с тонкими покрытиями, в том числе Flash Gold, их надо паять быстро и/или заливать нейтральным флюсом во избежание окисления меди через поры покрытия, а при автоматической пайке — желательно еще и использовать среду нейтрального газа (азот, фреон).

Ниже приложена наиболее доходчивая (на мой взгляд) литература по данному вопросу, а также пример разработанной мной около 10 лет назад двухслойной компьютерной платы измерителя микропрофилей (профилометра), в которой меры по обеспечению качества топологии применены без фанатизма, только частично. Однако и этого оказалось достаточно, чтобы безо всяких экранировок, в работающем ПК с его помехами (и собственной силовой частью — управлением коллекторным двигателем) обеспечить разрешение в несколько атомов, многократно превзойдя требования ТЗ (использованные ОУ — всего лишь TL084/LM324). Прибор выпускался до самого последнего времени и был единственным в РФ профилометром 1 класса точности.

Пользователь форума: sia_2

Общие вопросы трассировки печатных плат

Перед тем как приступить к этапу трассировки необходимо загрузить список цепей и проект библиотеки с посадочными местами в редактор печатных плат, сформировать контур печатной платы, выполнить компоновку. Кроме того, важным этапом предшествующим компоновке и трассировке является настройка редактора печатных плат. Далее рассмотрим этот вопрос подробнее на примере САПР Altium Designer.

Прежде всего, необходимо определить правила проектирования печатных плат. На рисунке 1 приведены все доступные правила проектирования.

Рисунок 1

Как правило, конструктор применяет те из них, которые оказывают влияние на интерактивную трассировку, которая применяется как эффективный метод реализации топологии. Именно интерактивная трассировка, по сравнению с ручной трассировкой, позволяет в режиме «реального времени» отслеживать прокладку печатных проводников в соответствии с заданными настройками в редакторе правил проектирования. Следует отметить, что правила проектирования печатных плат должны соответствовать определенному классу точности печатной платы, требованиям технического задания, а также технологическим требованиям предприятия-изготовителя, на котором будет реализована спроектированная печатная плата.

В первой группе — Electrical (электрические), расположены правила, учитывающие электрическое соединение компонентов. Для интерактивной трассировки для этой группы представляет интерес правило Clearance (Зазоры) – см. рисунок 2. Здесь задаются минимально допустимые зазоры для заданного класса точности между конструктивными элементами печатной платы. Так для простой (simple) настройки это: зазоры между проводниками (Track to Track), зазоры между планарной контактной площадкой и проводником (SMD Pad to Track), зазоры между планарной контактной площадкой сквозного отверстия и проводником (TH Pad to Track), зазоры между сквозным отверстием и проводником (Via to Track) и так далее.

Рисунок 2

Во второй группе — Routing , расположены правила, которые в большей степени учитываются при интерактивной трассировке. Это, прежде всего, настройка правил для ширины печатного проводника — Width (см. рисунок 3). Здесь задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения. При интерактивной трассировке автоматически берется рекомендованное значение, тем не менее, в процессе трассировки можно переключаться на другую ширину печатного проводника из заданного в правилах диапазона.

Рисунок 3

Также необходимо настроить стиль переходных отверстий – Routing Via Style (см. рисунок 4). Здесь, аналогично правилам Width, задаются минимальное, максимальное и рекомендованное значения диаметра отверстия и его контактной площадки.

Рисунок 4

Кроме того, необходимо настроить правило для угла изгиба проводников Routing Corners (см. рисунок 5).

Рисунок 5

Если в проекте имеются дифференциальные цепи, то следует задать правила проектирования и для них в подгруппе Differential Pairs Routing (см. рисунок 6).

Рисунок 6

После настройки правил проектирования можно приступить к компоновке электронных компонентов в пределах контура (габаритов печатной платы), а затем к трассировке.

Как правило, в списке цепей, загруженных в редактор печатных плат, могут присутствовать: сигнальные цепи, цепи питания (VCC), аналоговой «земли» (AGND), цифровой «земли» (DGND), дифференциальные цепи, DDR-цепи. Рекомендуется сначала осуществлять трассировку сложных цепей, таких как дифференциальные цепи, DDR-цепи. Далее следует трассировать сигнальные цепи, а затем цепи питания и земли, которым отводятся отдельные слои (как правило, внутренние), выполненные в виде медных полигонов.

Ниже приводится перечень рекомендаций по трассировке печатных плат:

  1. Принцип минимизации длины соединений. Сигнальные проводники выполняйте максимально короткими.
  2. При переходе со слоя на слой, размещайте горизонтальные проводники на одной стороне печатной платы, а вертикальные на другой, либо соблюдайте этот принцип в местах пересечения проводников угол пересечения 90 градусов, проводники на верхней стороне печатной платы не должны выполняться параллельно проводникам на противоположной стороне).
  3. Ширину печатного проводника выполняют в зависимости от протекающего тока. Для слаботочных аналоговых и цифровых цепей их выполняют, как правило, шириной 0,25 мм, что соответствует 3 классу точности печатных плат. Для цепей, по которым течет ток больше 0,3 А, ширину проводников следует увеличить. При выборе ширины сигнального печатного проводника используют правило 3/4: ширина проводника, подключаемого к контактной площадке не должна превышать ширину контактной площадки умноженную на 0,75. Для силовых цепей правило 3/4 можно не применять и использовать большую ширину печатного проводника.
  4. Правильно располагайте переходные отверстия относительно контактных площадок и печатные проводники между контактными площадками (см. рисунок 7).

    Рисунок 7

  5. Соединения между контактными площадками микросхем должны трассироваться вне зоны пайки. В противном случае неправильная трассировка приведет к некачественному контакту (см. рисунок 8).

    Рисунок 8

  6. Правильно подсоединяйте печатные проводники к контактным площадкам SMD-компонентов с учетом пайки с целью избежать поворота этого компонента. Стрелками на рисунке показано направление миграции припоя, слева предпочтительный вариант, справа вариант, который может привести к повороту компонента (см. рисунок 9).

    Рисунок 9

  7. При трассировке включите шаг сетки, совпадающий с шагом расположения компонентов (как правило, с шагом микросхем) – 1,27 мм, 0,635 мм. Для компонентов с другим шагом сетки следует либо уменьшить шаг сетки, либо отключить привязку к сетке.
  8. При смене направления проводника следует применять угол изгиба 45 градусов или в виде дуги, так как при повороте в 90 градусов ток распределяется неравномерно (как следствие, перегрев проводника), кроме того на высоких частотах это приведет к тому, что данная часть схемы будет работать как антенна (см. рисунок 10).

    Рисунок 10

  9. Если печатная плата многослойная, то выполняйте цепи питания и земли в виде полигонов (заливка медью желательно по всей площади печатной платы) и размещайте каждую из этих цепей на отдельном внутреннем слое друг относительно друга. Если печатная плата двусторонняя, то свободное пространство печатной платы, как на верхней стороне (Top), так и на нижней (Bottom), выполнить в виде полигона, подключенного к цепи земли (GND). Цепи питания развести широкими максимально прямолинейными проводниками без образования лишних перегибов и минимизацией количества сквозных отверстий между слоем Top и Bottom.
  10. Для печатных плат с более чем четырьмя слоями следует располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.
  11. Следует разделять земли на аналоговую (AGND) и цифровую части (DGND) для подавления шума. При этом нельзя допускать перекрытий аналоговых и цифровых полигонов. Однако разделение не означает электрической изоляции аналоговой от цифровой земли, они должны соединяться вместе в узле с низким импедансом. Данный узел, будет являться выводом заземления для систем с питанием от сетевого переменного напряжения или общим выводом для систем с питанием от постоянного напряжения. Все сигнальные токи и токи питания в этой схеме должны возвращаться к этой земле в одну точку, которая будет служить системной землей.

    При этом точка соединения должна располагаться максимально близко к месту входа тока питания на плату. Здесь возможны три случая:

    — одноточечное соединение для печатных плат, работающих в диапазоне частот от 1 Гц до 10 МГц (последовательное соединение увеличивает импеданс земли) и при максимальной длине печатного проводника равной 1/20 длины волны;

    — многоточечное соединение рекомендуется применять на высоких частотах, так как такое соединение имеет меньший импеданс по сравнению с одноточечным соединением. При этом следует учитывать, что если имеются на печатной плате функциональные узлы и высокочастотные и низкочастотные, то ближе к земле располагают высокочастотные узлы, а низкочастотные располагают ближе к линии питания;

    — комбинированное соединение рекомендуется применять, если на печатной плате имеется цифрой, аналоговый или силовой функциональные узлы.

  12. Шины питания и земли должны находиться под одним потенциалом по переменному току, что подразумевает использование конденсаторов развязки и распределенной емкости. Следует отметить, что развязывающие конденсаторы допустимо использовать на частотах более низких, чем частота их собственного резонанса, до тех пор, пока их импеданс на этих частотах остается достаточно низким.
  13. Располагайте шины и полигоны аналогового питания над полигоном аналоговой земли (аналогично для шин цифрового питания). Аналоговые сигнальные проводники располагайте над/под аналоговой землёй (AGND), следите, чтобы аналоговые сигнальные проводники пересекали только аналоговые проводники.
  14. Правильно разделяйте контактные площадки от полигонов. Контактные площадки, которые соединяются полигоном необходимо отделять термобарьером, который позволяет предотвратить неравномерный прогрев площадки при пайке (см. рисунок 11).

    Рисунок 11

  15. На высоких частотах (ГГц) полигоны в многослойной печатной плате нужно соединять в нескольких местах сквозными отверстиями по принципу &quotклетка Фарадея&quot (см. рисунок 12).

    Рисунок 12

  16. Не забывайте использовать термобарьеры для пайки для штыревых компонентов и SMD-компонентов, подключенных к полигону залитому медью. Термобарьеры позволяют улучшить технологичность платы для процесса монтажа, в особенности для пайки «волной припоя» (см. рисунок 13).

    Рисунок 13

  17. Полигоны необходимо размещать с обеих сторон печатной платы равномерно. Здесь следует различать сплошную заливку при реализации полигона и в виде сетки. Сплошная заливка может привести к деформации печатной платы при неравномерном их распределении, но позволяет получить меньший импеданс, по сравнению с заливкой в виде сетки. При заливке в виде сетки следует применять шаг не более 13 мм.
  18. При реализации полигонов могут образовываться изолированные медные участки, которые на высоких частотах могут создавать помехи. В связи с этим такие участки должны быть удалены.

После того как трассировка печатной платы выполнена, необходимо проверить корректность трассировки согласно правилам проектирования, заданных в настройках правил проектирования. Для этого необходимо просто запустить модуль проверки правил DRC (design rule checker). Если ошибок не обнаружено, то этап трассировки печатной платы можно считать завершенным. Дополнительно о трассировке печатных плат вы можете прочитать в статье, перейдя по ссылке Основы трассировки печатных плат. Высокоскоростной дизайн. Часть 1.

ТОП-10 советов по конструированию высокочастотных печатных плат

Совсем недавно слово «высокочастотная» не существовало в словаре конструкторов печатных плат. Но сейчас, похоже, всё перевернулось с ног на голову.

Раньше все заботы сводились к тому, чтобы собрать все детали головоломки вместе и продумать путь прохождения сигнала путем разработки топологии печатной платы. В чем же отличия при конструировании высокочастотных печатных плат? Необходимо беспокоиться о множестве невидимых сил, таких как электромагнитные помехи, взаимные помехи, отражение сигнала, и этот список можно продолжить. В этой статье мы предлагаем вам несколько практических советов, которые позволят добиться успеха при проектировании вашей первой высокочастотной печатной платы.

Больше данных — больше электромагнитных помех

В 2005 году скорость 3 Гбит/с считалась типичной для высокоскоростной передачи данных, но сегодня инженеры имеют дело со скоростями передачи в 10 Гбит/с и даже 25 Гбит/с. И делается это не только потому, что мы стремимся достичь все больших тактовых частот, но и потому, что мы стремимся уменьшать размеры устройств, чтобы поспевать за растущими запросами потребителей. Какое бы устройство вы не проектировали сегодня, скорее всего, вы уже включали в него различные узлы, работающие на высоких скоростях, будь то DDR, PCI Express, USB, SATA и т. д.

Сложность и плотность размещения компонентов на плате для применения

в высокоскоростных устройствах может слегка ошеломлять.

Основной задачей при конструировании высокочастотных печатных плат является устранение помех. Чем выше скорость передачи данных, тем сложнее становится сохранить целостность ваших сигналов. Большинство из этих проблем связано с излучением электромагнитных волн. Это излучение относительно безвредно при слабых взаимодействиях с электрической схемой. Однако когда оно начинает создавать помехи работе вашего электронного устройства в целом, то излучение превращается в помехи, открывающие перед вами новый мир задач, которые необходимо решать. Если вы когда-либо слышали или сталкивались с проблемами, связанными с шумом, то вы точно знаете, о чем мы говорим.

Любой ток создает магнитное поле. Так начинается распространение электромагнитного излучения.

Итак, вам может быть интересно, как вообще понять, что вы работаете над высокочастотным проектом, если при этом не обнаруживаются проблемы с электромагнитным излучением? Есть несколько научных теорий, но мы сократим их до 3 самых популярных:

  1. Частота. Первая теория заключается в том, что высокочастотная конструкция является таковой вследствие рабочей частоты печатной платы, и ее способностью влиять на производительность электронной схемы. Некоторые считают, что этот порог начинается с 50 МГц. Другие делят скорости устройств на группы: низкочастотные (<25 МГц), среднечастотные (25-100 МГц), высокочастотные (100-1000 МГц), а выше – сверхвысокочастотные, которыми занимаются конструкторы радиопередающих устройств.

  2. Токопроводящие дорожки. Существует теория, которая говорит о том, что можно использовать физические размеры токопроводящих дорожек для определения высокочастотности устройства. Ее руководящий принцип заключается в том, что если время прохождения сигнала по дорожке больше 1/3 времени переключения сигнала устройства, то вы имеете дело с высокочастотным устройством.

  3. Модульность. Последняя точка зрения использует общий подход, в котором рассматривается конструкция схемы в целом и задается следующий вопрос – работает ли ваша система физически в виде единой системы? Или у вас набор подсхем, из которых собрана одна большая схема, в которой отдельные модули работают независимо? В последнем случае вы имеете дело с царством высокочастотных устройств.

Итак, вы определили, что ваш будущий проект является высокочастотным. Замечательно. Теперь рассмотрим все возможные «фоновые шумы», с которыми вам придется иметь дело. Давайте подробно рассмотрим 10 лучших советов для достижения успеха в конструировании устройств.

№ 1 – Всегда начинайте проектирование вашего высокочастотного устройства с планирования

Мы начнем с наиболее очевидного совета, но на это есть своя причина. Без плана и стратегии создания вашего высокочастотного проекта, вы, скорее всего, столкнетесь с задержками, затруднениями и неожиданными проблемами. Поэтому прежде чем нарисовать хоть один символ или выполнить одно соединение, вам нужно создать своего рода лист контрольных проверок. Вот ряд вопросов, которые прежде всего необходимо задать самому себе:

  • Организация системы – есть ли у меня визуальная диаграмма, которая поможет мне визуализировать взаимные соединения всех моих подсхем и надежное проведение обратного тока?

  • Скорость сигнала – известна ли мне максимальная частота и наибольшая скорость переключения каждого из моих сигналов?

  • Источник питания – отражено ли в документации каждое требуемое напряжение и требуемая мощность для питания всех моих интегральных схем, и нужно ли мне разделить слои питания?

  • Чувствительные сигналы – есть ли у меня план по выполнению требований к дифференциальным сигналам, согласованию полных сопротивлений и длине токопроводящих дорожек или распространению сигналов?

Это не полный перечень вопросов, на которые следует ответить себе на этапе планирования, но он послужат хорошей отправной точкой. Скорее всего, вам придется поработать с изготовителем вашего устройства, чтобы определить его минимальные требования к допускам. И еще вам понадобится согласовать стратегию развития для уменьшения уровня шума ваших высокочастотных сигналов при помощи множества способов трассировки токопроводящих дорожек, в том числе используя микрополосковые линии передачи или полосковые дорожки.

Широко известная настольная книга по конструированию

высокочастотных устройств. Начните разработку вашего плана с ее изучения!

№ 2 – Документируйте каждую деталь каждого слоя вашей платы для дальнейшего производства

Для создания плана, описанного в совете №1, самое время определить и тщательно задокументировать требования к слоям вашей платы. Это идеальный момент для взаимодействия с изготовителем, при котором выбирается материал вашей платы, и определяются ограничения, которые необходимо внести в проектные нормы. Поскольку речь зашла о материалах, скорее всего вы будете работать с одним из нижеперечисленных материалов:

  • FR-4 – это великолепный материал при работе с тактовыми частотами < 5 Гбит/с. Он считается низкоскоростным материалом. FR-4 позволяет достаточно точно задавать полное сопротивление, также он широко известен благодаря низкой стоимости.

  • Nelco, SI или Megtron – в царстве высокочастотных устройств, скорее всего, вы будете работать с этими материалами. Каждый из них пригоден для работы с тактовыми частотами 5-25 Гбит/с.

  • Rogers – если ваше первое высокочастотное устройство работает на частоте свыше 56 Гбит/с, то скорее всего в конце концов вы остановитесь на многослойном материале Rogers. Этот материал способен работать на высоких частотах и при высоких температурах, он известен благодаря своей высокой равномерности полного сопротивления, но также он дорог в производстве.

Rogers немного отличается по внешнему виду от FR4, обратите внимание на толщину!

После того, как необходимый для производства платы материал выбран, пора определиться с другими стратегиями формирования слоев вашей платы.

  • Во-первых, сигнальный слой Signal у вас всегда должен быть по соседству со слоем типа Plane, чтобы дать вашим сигналам эффективный путь обратного тока.

  • Также стоит разместить все высокоскоростные сигнальные цепи на внутренних слоях между слоями типа Plane для обеспечения экранирования от всех внешних источников электромагнитных излучений.

  • И, наконец, в наборе слоев печатной платы следует рассмотреть возможность использования несколько слоев заземления. Это поможет снизить номинальное полное сопротивление и уменьшить синфазное излучение, влияющее на вашу схему.

№ 3 – Компоновка – разбейте вашу плату на логические фрагменты

Наряду с планированием требований к конструкции вашего высокоскоростного устройства и назначения слоев, вам также необходимо решить, как будет организована ваша печатная плата. Помните, выше мы говорили о том, что высокочастотные устройства представляют собой набор подсхем? Вам необходимо решить, как будут располагаться эти подсхемы на общей плате.

Особенно это касается цифровых и аналоговых модулей, которые необходимо тщательно изолировать друг от друга для уменьшения любых возможных помех. При планировании физической компоновки вашей платы, пользуйтесь чем-то вроде схемы, показанной на рисунке ниже. Инженер, разработавший эту плату, явно разделил цифровую и аналоговую схемы, а также изолировал модуль питания как от цифрового, так и от аналогового модуля.

Знаете, где будет располагаться каждая схема?

№ 4 – Определиться с использованием слоев питания и заземления

Теперь, после того, как полностью определено расположение подсхем и конфигурация слоев, пора обратить внимание на мельчайшие подробности, которые необходимо уточнить во время конструирования платы. Во-первых, это слой заземления, который должен быть сплошным. Под этим мы подразумеваем, что слой заземления не должен быть разбит какими-либо сигнальными дорожками. Если вы разбиваете этот слой, сигналам придется искать обходные пути, что может привести к неприятным электромагнитным помехам и проблемам с задержками прохождения сигналов. Если вам все же необходимо разбить слой заземления, не забудьте установить резистор 0 Ом вдоль сигнальной дорожки, чтобы обратному сигналу было проще найти путь прохождения.

Превосходный пример того, как сигналам приходится

проделывать дополнительный путь по разделенному слою.

№ 5 – Размер контактных площадок следует делать как можно меньше

Конструкция любых плат, над которыми вы работали раньше, возможно имели контактные площадки большего размера, чем это необходимо. Это делалось по очевидным причинам. Так проще наносить припой на площадку, быстрее проводить их контроль, точность размещения компонентов платы при этом не так актуальна.

Однако в конструкции высокочастотных печатных плат ценность каждого миллиметра поверхности взлетает до небес – каждый миллиметр, который вам удастся сэкономить, обязательно пригодится. В свете этого мы рекомендуем соблюдать минимальные припуски всех контактных площадок на уровне 0-5% от размеров выводов устанавливаемых деталей. Сравните эту цифру с традиционными припусками в 30% для обычных электронных устройств.

Почему следует экономить место? Это не только поможет нам улучшить механическую прочность, но также позволит уменьшить паразитные емкости, которые играют значительную роль, когда дело касается высоких частот. И, что еще более важно, чем меньше места вы отведете под контактные площадки, тем больше места у вас будет для дифференциальных пар проводников, переходных отверстий, а также деталей с высокой плотностью выводов, таких как ПЛИС и интегральных микросхем.

№ 6 – Выполняйте разводку сигналов, добиваясь максимального экранирования

Высокочастотные сигналы на вашей плате создают массу электромагнитных излучений по мере прохождения от источника к потребителю. Последнее, что бы вы хотели получить – это чтобы два сигнала вызывали взаимные наводки друг на друга или влияли бы на расположенные рядом детали. Во избежание этого выполняйте разводку сигнальных дорожек, добиваясь максимального экранирования, следуя нижеприведенным правилам:

  • Протяженные параллельные сигнальные дорожки должны быть как можно короче во избежание взаимного воздействия сигналов друг на друга или возникновения перекрестных помех.

  • Между сигнальными дорожками должно выдерживаться как можно большее расстояние, и даже их следует размещать на разных слоях, особенно если от них ожидается сильная помеха.

  • При трассировке сигнальных дорожек на различных слоях убедитесь, что они пролегают друг относительно друга под прямым углом. Таким образом, если на одном сигнальном слое дорожки пролегают горизонтально, то на другом они должны пролегать вертикально, под углом в 45 градусов и т. п.

Дорожки на каждом слое размещены в разных направлениях под прямым углом друг к другу во избежание взаимного воздействия сигналов друг на друга.

№ 7 – Обеспечьте эффективный путь обратного тока

В конструкциях высокоскоростных плат каждый из сигналов пытается отыскать путь от источника к потребителю с наименьшим полным сопротивлением. Для тактовых сигналов и других высокоскоростных устройств ввода-вывода задача обеспечения кратчайшего пути прохождения может потребовать использования переходных отверстий. Без них вы можете столкнуться с распространением токов вокруг разрывов заземляющего слоя, что приводит к потере целостности сигнала.

Переходные отверстия могут обеспечить кратчайший путь от источника до потребителя в топологии высокочастотных печатных плат.

Если вы решили использовать переходные отверстия для обеспечения прохождения токов от нагрузки до потребителя, обязательно используйте сильно связанные отверстия с согласованным полным

сопротивлением, чтобы обеспечить своевременное прохождение сигнала. При размещении переходных отверстий для обратных токов располагайте их как можно ближе к переходным отверстиям для сигнала, чтобы минимизировать длину пути прохождения сигнала.

№ 8 — Используйте правило 3W для минимизации связи между дорожками

Связанные линии передачи могут сыграть дурную роль при сохранении целостности сигнала при его передаче. Для минимизации этого риска существует обязательное общее правило как можно дальше разносить дорожки друг от друга, хотя при конструировании реальной платы это правило выполнить трудновато.

Если вы когда-либо задумывались, насколько вообще далеко друг от друга нужно располагать дорожки для минимизации связи между ними, то воспользуйтесь правилом 3W. Оно гласит о том, что расстояние между дорожками, измеренное между продольными осями дорожек, должно быть в три раза больше, чем ширина отдельной дорожки. Вы можете также увеличить расстояние с 3 до 10 раз, чтобы получить куда меньшее влияние сигнала одной дорожки на сигнал другой дорожки и уменьшить перекрестные помехи.

Правило 3W говорит о том, что дорожки необходимо разносить на достаточное расстояние друг от друга для минимизации взаимного воздействия сигналов.

№ 9 – Используйте правило 20H для минимизации связи между слоями

Кроме риска возникновения взаимосвязи сигналов между отдельными дорожками, также следует задуматься о связи между слоями питания и заземления платы. При возникновении такой связи, с краев платы начинает срываться излучение в радиочастотном диапазоне, называемое краевым потоком (fringing).

Чтобы предотвратить это явление, следует делать слой питания меньше по размеру, чем соседний слой заземления. Это позволит поглотить краевой поток слоем заземления вместо излучения его во внешнюю среду. Однако насколько должен быть слой питания меньше? Воспользуйтесь правилом 20H, которое говорит о том, что слой питания должен быть меньше 20-кратной толщины диэлектрика между соседними слоями питания и заземления.

Правило 20H помогает уменьшить связь между слоями питания и заземления.

№ 10 – В заключение – общие правила трассировки печатной платы

В заключение наших ТОП-10 советов упомянем о трассировке платы, которая сама по себе заслуживает отдельной статьи, а возможно и книги, в которой бы рассказывалось о таких вещах, как излучение в радиочастотном диапазоне, микроволнах и о конструировании антенн. Этот список не закрытый, поэтому обязательно обратитесь за помощью к опытному инженеру по трассировке печатных плат, используемых в задачах, подобной вашей. Итак:

  • Не используйте 90-градусные искривления дорожек. Во-первых, избегайте использования искривления дорожек под 90 градусов. Дорожки, согнутые под прямым углом могут вызвать отражения сигнала.

  • Дифференциальные пары. Вы можете получить взаимное подавление электромагнитных полей, если обе сигнальные линии в вашей дифференциальной паре имеют одинаковую длину и постоянное расстояние между ними. Скорее всего, это потребует подгонки длин дорожек в приложении для разработки конструкции печатных плат.

  • Линии передачи. Уделите время тщательному проектированию линий передач с использованием микрополосковых линий и полосковых дорожек. Микрополосковые линии используют лишь один опорный слой, отделенный диэлектриком. При необходимости лучшего экранирования, воспользуйтесь полосковой линией передачи, располагающейся между несколькими заземляющими слоями и слоями диэлектрика.

Новые решения при конструировании высокочастотных устройств

При работе над вашим первым проектом по проектированию высокочастотных печатных плат вы наверняка столкнетесь с новыми, неизвестными ранее, проблемами. Они больше не будут заключаться только в том, чтобы собрать все детали головоломки вместе. Теперь нужно будет думать о том, как именно ведут себя сигналы, проходя по дорожкам, и как они влияют на все детали печатной платы. И, в конце концов, все это сводится к проблемам с электромагнитными помехами. По мере погружения глубже в мир высокоскоростных устройств, вы овладеете новыми стратегиями и знаниями по борьбе с электромагнитными помехами при обеспечении электромагнитной совместимости или EMC. Так что воспользуйтесь этими советами из списка ТОП-10, чтобы начать работу над вашим первым проектом. Однако есть еще многое, что предстоит узнать!

Вы готовы приступить к разработке вашего первого высокочастотного проекта?

Если вам необходима помощь в разработке высокочастотных печатных плат на профессиональном уровне, вы можете связаться с нашими специалистами и они проконсультируют вас по любым интересующим вопросам.

Правила разводки печатных плат | RCL-electro

Выскажу свое мнение по поводу правил разводки печатных плат для усилителей и источников сигнала.
Дополнения и замечания приветствуются.

1.Разводку полигонов питания выполняем максимально короткими и широкими проводниками.

2.Выполняем цепи диффкасадов/ОУ/цепей ООС предельно компактно.

3.Полигоны входных и выходных цепей выполняем раздельно и соединяем их в одной точке.
Есть еще вариант их разделения резистором в несколько Ом, но к этому стоит отнестись с осторожностью.Например:http://www.electroclub.info/other/gnd_separate.htm

4.Проводники питания должны заходить прямо на выводы конденсаторов фильтров питания.

5.Сервисные цепи например компенсатор/интегратор располагаем сбоку-с краю ПП,а не по центру.
Хорошим примером может являться компоновка печатных плат Лепехина для УМ ВВ 2010/11:
сервисные цепи-входные каскады-цепи ООС-реле защиты-УН-ВК.

6.Ни в коем случае не располагаем катушку выходного ФНЧ на печатной плате,она станет не только источником помех,но и получит наводки от шин питания ВК за счет протекающих в ней токов и ее
места расположения.(Привет КВОДУ-там их целых три,из них две в цепях питания.)

7.В случае охвата этой катушки ООС ,RC цепь выполняем на плате УМ,
вывод ООС выполняем экранированным проводом с правого вывода резистора ООС.

8.Избегаем земляных петель и петель в питании-это антенны.

9.Конденсаторы фильтров питания ВК располагаем максимально близко к выводам выходных транзисторов и шунтируем их пленкой или керамикой X7R.
Хороший вариант расположение УМ и БП на одной плате ,если позволяет компоновка.
Иначе конденсаторы фильтра 2000-4000 мкФ размещаем на плате УМ,и желательно короткими
проводами большого сечения подсоединяем ее к БП.

Выражаю благодарность Виктору и Вадиму ака Vadim161 за ответы на мои вопросы по разводке
печатных плат.Надеюсь на развитие темы пользователями,ведь иногда одна неверно проведенная
дорожка может уничтожить все результаты кропотливого труда разработчика.

Разводка печатных плат: проектирование высокоскоростных схем PCB

Разводка печатных плат. В этой статье представлено подробное объяснение как выполнить проектирование высокоскоростной печатной платы. В этом руководстве представлены важные рекомендации, советы и правила, которые помогут упростить проектирование высокоскоростной печатной платы.

Спустя несколько десятилетий после изобретения электронных ламп и их использования в качестве первых компьютерных процессоров, то транзисторы застали нас принимать их всерьез.

Разводка печатных плат для высокоскоростного интерфейса

Точно так же интегральная схема (ИС), после своего изобретения затмила транзистор, и с тех пор мы мало что изучали о последнем. Также и печатные платы в этом смысле ничем не отличаются. В наши дни почти все устройства работают на высокоскоростных печатных платах.

Разводка печатных плат выполненных для устройств с низкой скоростью передачи данных означает, что они передают более низкую частоту импульсов, низкую тактовую частоту и высокие значения шума. Эти аспекты не нуждались в таких вещах, как контроль импеданса или целостность питания, но поверьте мне, современные устройства, у которых разводка печатных плат выполнена для высокоскоростных интерфейсов, сильно отличаются.

Давайте узнаем, как это сделать

Что такое разводка печатных плат для высокоскоростного дизайна?

Разводка высокоскоростной печатной платы применяется к устройствам, которые синхронизируют высокие частоты, поскольку для этого потребуются интерфейсы с высокой скоростью. Однако термин «высокая скорость» может ошибочно относиться к тактовой частоте в этом контексте, что неверно. Буквально, разводка высокоскоростной печатной платы вращается вокруг граничной скорости.

Так как же отличить высокоскоростную разводку печатной платы от низкоскоростной конструкции? Обратите внимание на любую из этих характеристик:

  • Наличие высокоскоростных интерфейсов, включая HDMI, Ethernet, Thunderbolt, USB, SATA или любой другой интерфейс высокоскоростной передачи данных.
  • Каждая схема состоит из других интегральных схем, соединенных между собой через высокоскоростные интерфейсы, такие как LVDS, DSI, DR3 и т.д.
  • По трассе время распространения сигнала не опускается ниже 1/3 времени нарастания сигнала.
  • Частота цифрового сигнала составляет не менее 50 МГц.
  • Физический размер печатной платы невелик, и найти отдельные компоненты сложно.

Рекомендации по разводке высокоскоростных печатных плат

Как мы уже упоминали, разводка печатной платы для обеспечения передачи высокой скорости информации — довольно сложная задача, особенно с учетом того, с какой тщательностью следует прокладывать трассы. Есть несколько рекомендаций, которые вы должны использовать, чтобы сделать правильный макет любой разводки высокоскоростной печатной платы. Это:

Минимальное использование переходных отверстий

Да, они полезны, но неправильная трассировка приведет к отражению и ослаблению сигнала. Вот почему у вас должно быть максимум два (2) переходных отверстия для одного межсоединения.

Выравнивание длины

Два конца дифференциальной пары должны быть одинаковой длины. Это гарантирует, что приемник может адекватно сгладить синфазный шум. Убедитесь также, что несимметричные сигналы направляются параллельно в случае нескольких сигналов, чтобы сигналы могли достигать пункта назначения одновременно.

Короткая длина трассы

Для уменьшения затухания используйте по возможности более короткие трассы. Затухание происходит, когда сигналы теряют энергию в результате диэлектрического поглощения.

Расстояние между трассами

Чтобы свести к минимуму перекрестные помехи, расстояние между дорожками должно быть как минимум в пять раз больше ширины дорожек (5W).

Советы по разводке высокоскоростной печатной платы

Лучший способ научиться разрабатывать высокоскоростные печатные платы — это не только тренироваться, но и продолжать делать это до тех пор, пока не накопится опыт. Опыт, в свою очередь, позволяет выполнить весь процесс проектирования правильно и без ошибок.

Если вы не уделяли много времени разводке высокоскоростных печатных плат, возможно, вы не сделаете это так быстро и эффективно, как сделал бы специалист. Однако есть несколько советов, которые вы можете использовать в своих интересах и разработать качественные высокоскоростные печатные платы.

Эти советы также применяются профессионалами, чтобы упростить себе работу. Ознакомьтесь с ними ниже:

Первое правило заключается в том, что длина дорожек должна быть подобрана примерно на одинаковую длину для высокоскоростного проектирования. При наличии современного программного обеспечения САПР, у вас есть возможность контролировать всю длину дорожек.

Поскольку время распространения сигнала различается на разных слоях, общая длина трасс и участков дорожек на каждом слое должны быть выровнены. Это необходимо только тогда, когда дорожки высокоскоростного интерфейса проходят на нескольких слоях.

Для большей точности настройки контролируйте длину секций с помощью удобной электронной таблицы Excel или Google. Этот ручной подход позволяет вам складывать длины дорожек на разных слоях, что приводит к более высокой точности.

Импеданс — еще один важный аспект в разводке высокоскоростной печатной платы. Поскольку вы не хотите возится с одним значением импеданса, убедитесь, что производитель вашей печатной платы четко указал параметры из таблицы данных и дорожек. Если вы не можете связаться с производителем, вы должны хотя бы знать, как читать спецификации и руководства по проектированию оборудования.

Даже имея технический паспорт, вы должны понимать, что фактический импеданс может незначительно отличаться от того, что вы рассчитали. Тем не менее, характеристики материалов компонентов от разных производителей различаются.

При разработке правил разводки на вашей плате вы должны выбрать идеального производителя компонентов и убедиться, что все детали соответствуют проекту. Некоторые вещи, вы можете узнать непосредственно у производителя, например, какие варианты укладки они имеют для желаемого количества слоев, а также длину дорожек и расстояния между ними. Эта информация похожа на получение точных дифференциальных и несимметричных импедансов, которые вам нужны.

Некоторые изготовленные платы могут потребовать выделения дорожек, для которых требуется определенное сопротивление.

Наконец, даже если это приведет к увеличению стоимости производства печатной платы, вам следует поручить производителю выполнить процедуру контроля импеданса. Это один из самых простых способов повысить качество сигнала с самого начала разводки высокоскоростной печатной платы.

Правила и проблемы разводки печатной платы для высокоскоростных схем

Чтобы спроектировать и развести высокоскоростную печатную плату, существуют определенные правила проектирования, которых необходимо придерживаться для достижения оптимальной эффективности. Далее мы рассмотрим эти направления и проблемы.

Настройка длины трассы

Высокоскоростные интерфейсы часто требуют, чтобы длина трассы была настроена для синхронизации сигналов перед передачей по линиям данных, иначе плата не будет работать на максимальной частоте или, что еще хуже, не сможет работать вообще.

Как правило, чем выше частота интерфейса, тем выше требования к согласованию длины. Поэтому, вы должны настроить длину трассировки для всех параллельных интерфейсов. Настраивая длину трассы, убедитесь, что вы получаете правильную длину для данной группы сигналов.

Импеданс

При разводке высокоскоростной печатной платы обратите особое внимание на несимметричный и дифференциальный импедансы (Zo и Zdiff соответственно). Другие распространенные типы импеданса включают нечетный режим, общий режим и четный режим.

Использование неправильного импеданса приведет к отражению сигнала внутри дорожки. Фактически это снижает рабочую частоту, генерирует нежелательные электромагнитные помехи и приводит к потере качества сигнала. Чтобы избежать всего этого, используйте правильный импеданс.

Форма дорожки

Несмотря на то, что стандартные требования к формам дорожек должны быть круглыми, с ровными углами и без резких изгибов. Обычно это занимает много времени, но вы должны избегать изгибов на 90 градусов. Однако у вас есть возможность сделать дорожки под углом 45 градусов.

Более острый угол приведет к отражениям и изменениям импеданса, а также к более высоким значениям несвязанной длины в дифференциальных парах.

Согласование

Согласование — это размещение резистора между дорожками дифференциальной пары в конце линии, как можно ближе к приемнику. Прерывание помогает избавиться от отражений сигнала, тем самым улучшая качество передачи данных.

Следует отметить, что номинал резистора должен быть равен или немного выше разницы в случае дифференциальных пар, отказ которых приведет к перегрузке, ухудшающей качество сигнала.

Вы также должны внимательно ознакомится с техническими паспортами и руководствами по проектированию оборудования, поскольку они могут подсказать вам, есть ли внутри IC, которая у вас есть, согласующий резистор. Включение внешнего резистора в таких случаях может привести к перегрузке.

Заземление

Разводка высокоскоростного интерфейса на одном слое — это то, о чем вы действительно не мечтаете. Вам понадобятся переходные отверстия, чтобы вы могли перемещать трассу по другим слоям.

При работе с разными слоями размещайте заземляющие проводники как можно ближе к слоям. Это позволяет обеспечить однородные потенциалы полигонов GND вблизи сигнальных переходных отверстий. Таким образом, вы сможете поддерживать один и тот же уровень GND на всем протяжении трассировки.

Расположение компонентов

Длина трасс обычно не очень велика. Вы должны иметь это в виду, когда начинаете подключать компоненты, которые связаны между собой через высокоскоростные интерфейсы, это необходимо, чтобы оставить достаточно места для настройки длины.

Высокоскоростные интерфейсы также не следует размещать близко к краю печатной платы, так как это повлияет на качество сигнала.

Размещение полигонов земли на слоях, близких к сигнальным слоям

Общее правило здесь состоит в том, что все дорожки высокоскоростных интерфейсов должны проходить через сплошную плоскость GND.

Таким образом, чтобы избежать дополнительных электромагнитных помех, задержек сигнала, помех, нарушения целостности и ухудшения качества сигнала, никогда не прокладывайте дорожки над полигонами-разделителями или полигонами-вырезами.

Любая дорожка, пересекающая разделенный многоугольник, должна быть исправлена ​​путем размещения керамических развязывающих конденсаторов там, где находится разделение многоугольника, чтобы минимизировать ухудшение качества сигнала.

Перекрестные помехи

Для любых двух соседних дорожек сигнал, передаваемый через одну дорожку, вызывает нежелательное воздействие на другую — явление, известное как перекрестные помехи. Поскольку величина перекрестных помех зависит от длины, на которой дорожки проходят параллельно друг другу, необходимо обеспечить, чтобы зазор между парами был по крайней мере в пять раз больше ширины дорожки. Вы должны обеспечить одинаковое расстояние между дифференциальной парой и любой другой дорожкой по всей длине первой.

Заключение по разводке высокоскоростной печатной платы

Разработка печатной платы может быть одной из самых сложных задач, связанных с PCB. Это становится труднее, если размер платы невелик и трудно найти различные компоненты. В этом руководстве представлены важные рекомендации, советы и правила, которые помогут упростить проектирование высокоскоростной печатной платы.

Советы по разводке печатных плат

Советы по разводке печатных плат

Хорошей разводки печатной платы не так трудно достичь, если следовать нескольким простым правилам:
1.    Проверяйте расположение устройств по отношению к разъёмам. Убедитесь, что быстродействующие и цифровые устройства расположены как можно ближе к разъёмам.
2.    Проектируйте печатную плату как минимум с одним земляным слоем.
3.    Делайте дорожки питания более широкими, чем остальные проводники на плате.
4.    Просмотрите дорожки обратных токов и возможные источники помех по земляной шине, для чего определите плотность тока во всех точках земляного слоя и, исходя из этого, потенциальный уровень шумов.
5.    Правильно выполняйте развязку цепей питания всех устройств. Размещайте конденсаторы как можно ближе к выводам питания устройства.
6.    Делайте все дорожки как можно короче.
7.    Присмотрите все дорожки, ведущие к узлам с высоким импедансом, на предмет возможной ёмкостной связи с соседними дорожками.
8.    Убедитесь, что фильтрация сигналов в цепях со смешанными сигналами выполнена правильно.

Разводка аналоговых и цифровых схем различаются незначительно. Когда дело касается влияния появляющихся на плате паразитных компонентов, то аналоговые схемы проявляют более высокую чувствительность, хотя и цифровые схемы не такие уж и неуязвимые. Устройства, которые выполняют аналоговые и цифровые функции, например АЦП, следует рассматривать как аналоговые и применять соответствующие методы разводки. Хотя двухслойные платы проектировать сложнее, но при тщательной ручной трассировке все проблемы можно решить, тем более что неудачную разводку всегда можно переделать.
При разводке смешанных аналого-цифровых схем только тщательная разводка позволяет разработать хорошую печатную плату. Стратегия разводки состоит в выполнении набора определенных правил, чтобы получить качественный продукт, поскольку обойтись только тестированием платы в лаборатории будет довольно сложно. Даже при некотором сходстве в методике разводки плат с цифровыми и аналоговыми схемами следует четко понимать различия в подходах к проектированию.

Основные рекомендации по компоновке печатных плат для проектировщиков печатных плат | Блог о проектировании печатных плат

Независимо от того, работаете ли вы с высокой скоростью или проектируете высокоскоростную печатную плату, передовые методы проектирования помогут гарантировать, что ваша конструкция будет работать так, как задумано, и ее можно будет производить в больших объемах. В этом руководстве мы собрали некоторые основные рекомендации по компоновке печатных плат, применимые к большинству современных печатных плат. Для специальных проектов может потребоваться соблюдение дополнительных рекомендаций по компоновке печатной платы, но приведенные здесь рекомендации по компоновке печатных плат являются хорошей отправной точкой для большинства проектов.

Приведенные здесь рекомендации сосредоточены на нескольких ключевых областях, которые помогут вам в трассировке, технологичности, базовой целостности сигнала и сборке:

Приступая к разработке новой печатной платы, иногда легко забыть о важных правилах проектирования. которые будут управлять вашим проектом. Есть несколько простых зазоров, которые, если они определены на ранней стадии проектирования, устранят множество смещений и повторных маршрутов компонентов позже. Итак, где вы можете получить эту информацию?

Первое, с чего нужно начать, это поговорить с вашим производителем печатных плат.Хороший производитель обычно публикует свои возможности в Интернете или предоставляет эту информацию в документе. Если это не очевидное место на их веб-сайте, отправьте им электронное письмо и спросите об их возможностях. Лучше всего сделать это до того, как вы начнете размещать компоненты. Пока вы это делаете, обязательно отправьте предложенный стек на рассмотрение или найдите их стандартные данные стека и используйте их.

После того, как вы нашли их список возможностей, вам следует сравнить их с любым отраслевым стандартом надежности, с которым вы будете работать (класс 2 или класс 2).Класс 3 или специальный стандарт). Как только эти точки определены, вы должны выбрать более консервативные ограничения компоновки проекта, необходимые для обеспечения технологичности и надежности, и вы можете закодировать их в свои правила проектирования.

По мере прохождения процесса компоновки правила проектирования помогут вам устранить большинство ошибок проектирования, которые приведут к проблемам при изготовлении и сборке. После установки правил проектирования можно приступать к процессу размещения.

#2 — Точная настройка размещения компонентов

Этап размещения компонентов в процессе проектирования компоновки вашей печатной платы — это и искусство, и наука, требующие стратегического рассмотрения в отношении основной площади, доступной на вашей плате.Целью размещения компонентов является создание платы, которую можно легко развести, в идеале с минимальным количеством переходов между слоями. Кроме того, дизайн должен соответствовать правилам проектирования и удовлетворять обязательным требованиям к размещению компонентов. Эти точки может быть трудно сбалансировать, но простой процесс может помочь разработчику разместить компоненты, отвечающие следующим требованиям:

  1. Сначала разместите обязательные компоненты. Часто есть компоненты, которые необходимо размещать в определенных местах, иногда из-за механических ограничений корпуса или из-за их размера.Лучше сначала разместить эти компоненты и зафиксировать их положение, прежде чем переходить к остальной части макета.
  2. Место для больших процессоров и микросхем.  Компоненты, такие как микросхемы с большим количеством выводов или процессоры, обычно должны подключаться к нескольким компонентам в конструкции. Централизованное расположение этих компонентов упрощает разводку трасс на печатной плате.
  3. Старайтесь избегать пересечения сетей.  Когда компоненты размещаются на топологии печатной платы, обычно видны неразведенные цепи.Лучше попытаться свести к минимуму количество пересекающихся сетей. Каждое пересечение сети потребует перехода слоя через переходные отверстия. Если вы сможете устранить пересечения цепей с помощью творческого размещения компонентов, вам будет проще реализовать наилучшие рекомендации по трассировке для топологии печатной платы.
  4. Правила проектирования печатных плат SMD. Рекомендуется размещать все компоненты устройств поверхностного монтажа (SMD) на одной стороне платы. Основная причина этого возникает во время сборки; для каждой стороны платы потребуется отдельный проход по линии пайки SMD, поэтому размещение всех SMD на одной стороне поможет вам избежать дополнительных затрат на сборку.
  5. Эксперимент с ориентацией. Можно вращать компоненты, чтобы попытаться устранить пересечения цепей. Старайтесь ориентировать соединенные контактные площадки так, чтобы они были обращены друг к другу, так как это может помочь упростить разводку.

Если вы будете следовать пунктам № 1 и № 2, будет намного проще разместить остальную часть доски без слишком большого пересечения маршрутов. Кроме того, ваша плата будет иметь современный внешний вид благодаря компоновке, в которой центральный процессор передает данные всем остальным компонентам по периметру платы.

Основной процессор на этой печатной плате расположен в центре, а дорожки выведены от краев. Это идеальное место для более крупных микросхем и периферийных устройств.

#3 — Размещение линий питания, заземления и сигналов

После размещения компонентов пришло время проложить трассы питания, заземления и сигналов, чтобы обеспечить чистый и безотказный путь прохождения сигналов. Вот несколько рекомендаций, которые следует учитывать на этом этапе процесса макета:

Где разместить силовые и заземляющие платы

Обычно питание и земля размещаются на двух внутренних слоях.Для двухслойной платы это может быть не так просто, поэтому вы можете разместить большую заземляющую пластину на одном слое, а затем развести сигналы и силовые дорожки на другом слое. С 4-слойными стеками печатных плат и большим количеством слоев вам следует использовать заземляющие плоскости вместо того, чтобы пытаться проложить дорожки заземления. Для компонентов, которым требуется прямое подключение к источнику питания, рекомендуется использовать общие шины для каждого источника питания, если плата питания не используется; убедитесь, что у вас достаточно широкие дорожки (100 милов достаточно для 5–10 А), и не соединяйте линии электропередач последовательно от части к части.

В некоторых рекомендациях указано, что размещение плоского слоя должно быть симметричным, но это не обязательно для производства. В больших платах это может быть необходимо, чтобы уменьшить вероятность деформации, но это не проблема для меньших плат. Сосредоточьтесь на доступе к питанию и заземлению, а также убедитесь, что все дорожки имеют сильную связь обратного пути с ближайшей плоскостью заземления, а затем позаботьтесь об идеальной симметрии в стеке печатной платы.

Инструкции по разводке печатных плат

Далее, соедините ваши сигнальные дорожки, чтобы они соответствовали цепям на вашей схеме.Лучшие практики компоновки печатных плат рекомендуют всегда размещать короткие прямые дорожки между компонентами, когда это возможно, хотя это не всегда практично на больших платах. Если расположение компонентов требует горизонтальной прокладки дорожек на одной стороне платы, всегда прокладывайте дорожки вертикально на противоположной стороне. Это одно из многих важных правил проектирования двухслойных печатных плат.

Правила проектирования печатных плат и рекомендации по компоновке печатных плат усложняются по мере увеличения количества слоев в стеке.Ваша стратегия трассировки потребует чередования горизонтальных и вертикальных трасс в чередующихся слоях, если только вы не разделяете каждый сигнальный слой базовой плоскостью. В очень сложных платах для специализированных приложений многие из широко рекламируемых передовых методов печатных плат могут больше не применяться, и вам нужно будет следовать рекомендациям по проектированию печатных плат, которые относятся к вашему приложению.

Определение ширины трассы

В макетах печатных плат

для соединения компонентов используются дорожки, но какой ширины должны быть эти дорожки? Требуемая ширина трассы для разных цепей зависит от трех возможных факторов:

  1. Технологичность. Следы не могут быть слишком тонкими, иначе их нельзя надежно изготовить. В большинстве случаев вы будете работать с шириной дорожек, намного превышающей минимальное значение, которое может произвести ваш производитель.
  2. Текущий. Ток, протекающий по дорожке, определяет минимальную ширину, необходимую для предотвращения перегрева дорожки. Когда ток выше, след должен быть шире.
  3. Импеданс. Высокоскоростные цифровые сигналы или РЧ-сигналы должны иметь определенную ширину трассы, чтобы достичь требуемого значения импеданса.Это не относится ко всем сигналам или цепям, поэтому вам не нужно применять контроль импеданса для каждой цепи в ваших правилах проектирования.

Для дорожек, которым не требуется удельный импеданс или большой ток, ширина дорожки 10 м подходит для подавляющего большинства слаботочных аналоговых и цифровых сигналов. Дорожки на печатной плате с током более 0,3 А, возможно, должны быть шире. Чтобы проверить это, вы можете использовать номограмму IPC-2152, чтобы определить ширину дорожки вашей печатной платы для требуемой допустимой нагрузки по току и предела повышения температуры.

Предпочтительная трасса (стрелки указывают направление смещения компонента)

 

Непредпочтительная трассировка (стрелки указывают направление смещения компонента)

Терморазгрузочные соединения с плоскостями для сквозных компонентов

Плоскость заземления может выступать в качестве большого радиатора, который затем равномерно распределяет тепло по всей плате. Таким образом, если конкретное сквозное отверстие соединено с заземляющей пластиной, отсутствие теплозащитных прокладок на этом переходном отверстии позволит отводить тепло к заземляющей пластине.Это предпочтительнее, чем удерживать тепло вблизи поверхности. Однако это может создать проблему, если компоненты со сквозными отверстиями будут собираться на плате с помощью пайки волной припоя, поскольку вам необходимо удерживать тепло вблизи поверхности.

Термические рельефы — это одна из особенностей компоновки печатной платы, которая может потребоваться для обеспечения возможности изготовления платы методом пайки волной припоя или, другими словами, для сквозных компонентов, соединяемых непосредственно с плоскостями. Поскольку может быть сложно поддерживать температуру процесса, когда сквозное отверстие является точкой пайки непосредственно на плоскости, рекомендуется использовать тепловые разгрузки для обеспечения поддержания температуры пайки.Идея теплового рельефа проста: он замедляет скорость рассеивания тепла в плоскость во время пайки, что помогает предотвратить холодные соединения.

 

Типовой терморельеф

Некоторые проектировщики советуют вам использовать шаблон теплового рельефа для любого переходного отверстия или отверстия, которые подключены к внутренней плоскости заземления или силовой плоскости, даже если это всего лишь небольшой многоугольник. Этот совет часто чрезмерно обобщается. Необходимость теплового перехода на любом компоненте со сквозным отверстием будет зависеть от размера медной плоскости или многоугольника, который будет соединяться с внутренним слоем, и это то, что вы должны запросить у производителя перед запуском платы в производство. .

#4 — Раздельное хранение вещей

Существуют некоторые рекомендации по компоновке платы о том, как группировать и разделять компоненты и дорожки, чтобы обеспечить простоту разводки и предотвратить электрические помехи. Эти рекомендации по группировке также могут помочь в управлении температурным режимом, поскольку вам может потребоваться разделить компоненты высокой мощности.

Группировка компонентов

Некоторые компоненты лучше размещать на топологии платы, сгруппировав их вместе в одной области. Причина в том, что они могут быть частью схемы и могут соединяться только друг с другом, поэтому нет необходимости размещать компоненты на разных сторонах или участках платы.Затем разводка печатной платы превращается в упражнение по проектированию и размещению отдельных групп схем, чтобы их можно было легко соединить вместе с дорожками.

Во многих компоновках у вас будут некоторые аналоговые и некоторые цифровые компоненты, и вы должны предотвратить взаимодействие цифровых компонентов с аналоговыми компонентами. То, как это было сделано несколько десятилетий назад, состояло в том, чтобы разделить наземные и силовые самолеты на разные регионы, но это недопустимый выбор дизайна в современных проектах. К сожалению, об этом до сих пор сообщается во многих руководствах по компоновке плат, и это приводит ко многим неправильным методам разводки, которые создают электромагнитные помехи.

Вместо этого используйте полную заземляющую пластину под компонентами и физически не разбивайте заземляющую пластину на секции. Поддерживайте аналоговые компоненты с другими аналоговыми компонентами, работающими на одной частоте. Кроме того, храните цифровые компоненты вместе с другими цифровыми компонентами. Вы можете визуализировать это так, как если бы каждый тип компонента занимал свою область над плоскостью заземления в топологии печатной платы, но плоскость заземления должна оставаться одинаковой в большинстве проектов.

Пример цифровых и аналоговых секций на печатной плате.

Разделение компонентов высокой мощности

Также целесообразно разделить компоненты, которые будут рассеивать много тепла на плате, в разные области. Идея разделения этих мощных компонентов состоит в том, чтобы выровнять температуру вокруг топологии печатной платы, а не создавать большие горячие точки в топологии, где высокотемпературные компоненты сгруппированы вместе. Этого можно добиться, сначала найдя рейтинги «термического сопротивления» в техническом описании вашего компонента и рассчитав повышение температуры на основе расчетного рассеивания тепла.Радиаторы и охлаждающие вентиляторы могут быть добавлены для снижения температуры компонентов. Возможно, вам придется тщательно сбалансировать размещение этих компонентов с сохранением короткой длины трасс при разработке стратегии маршрутизации, что может быть непростой задачей.

Завершение проектирования и компоновки печатной платы

Ближе к концу дизайнерского проекта легко устать, пытаясь собрать оставшиеся детали для производства. Двойная и тройная проверка вашей работы на наличие ошибок на этом этапе может означать разницу между производственным успехом или неудачей.

Чтобы помочь в этом процессе контроля качества, всегда рекомендуется начинать с проверки электрических правил (ERC) и проверки правил проектирования (DRC), чтобы убедиться, что вы соблюдаете все установленные ограничения. С помощью этих двух систем вы можете легко определить ширину зазоров, ширину дорожек, общие производственные требования, требования к высокоскоростным электрическим характеристикам и другие физические требования для вашего конкретного приложения. Это автоматизирует рекомендации по проверке компоновки печатной платы для проверки вашей компоновки.

Обратите внимание, что во многих процессах проектирования указано, что проверку правил проектирования следует выполнять в конце этапа проектирования при подготовке к производству.Если вы используете правильное программное обеспечение для проектирования, вы можете запускать проверки на протяжении всего процесса проектирования, что позволяет заранее выявлять потенциальные проблемы проектирования и быстро их устранять. Когда ваши окончательные ERC и DRC дали безошибочные результаты, рекомендуется проверить маршрутизацию каждого сигнала и убедиться, что вы ничего не пропустили, просматривая схему по одному проводу за раз.

Вот и все — наши основные рекомендации по компоновке печатных плат, применимые к большинству конструкций печатных плат! Несмотря на то, что список рекомендаций короток, эти рекомендации могут помочь вам в кратчайшие сроки разработать функциональную, технологичную плату.Эти рекомендации по проектированию печатных плат являются поверхностными, но они формируют основу для построения и закрепления практики постоянного совершенствования всех ваших методов проектирования.

Если вы хотите начать работу с лучшим программным обеспечением для проектирования печатных плат со встроенным механизмом проектирования на основе правил, который поможет вам оставаться точным, используйте передовые инструменты проектирования в Altium Designer ® . Когда проект завершен и готов к выпуску в производство, платформа Altium 365 упрощает совместную работу и совместное использование ваших проектов.

Мы только поверхностно рассмотрели возможности Altium Designer на Altium 365. Начните бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.

Ознакомьтесь с Altium Designer ®   в действии…

Современный интерфейс

«Раньше мне не приходилось знакомиться с возможностями трехмерного проектирования печатных плат. Как относительно новый пользователь ALTIUM, я должен сказать, что проектирование гибких и жестких печатных плат в 3D с использованием Altium намного проще, чем я думал.Обмен файлами 3D-макетов печатных плат с моими механическими коллегами для обзора никогда не был таким простым!»

Келли Дак, CID+ CIT
Разработчик печатных плат / Инструктор IPC

Зарегистрируйтесь и попробуйте Altium Designer уже сегодня.

Руководство по компоновке печатных плат

— советы и подсказки » Electronics Notes

Обзор или учебное пособие по основам руководств по проектированию печатных плат и моментам, на которые следует обратить внимание при проектировании печатных плат и компоновке печатных плат.


Проектирование печатных плат Включает:
Основы проектирования печатных плат Захват схемы и рисунок Компоновка / разводка печатной платы Рекомендации по проектированию печатных плат Целостность сигнала печатной платы


Печатная плата, дизайн печатной платы, является одним из наиболее важных элементов дизайна электронного продукта.В большинстве случаев инженер-конструктор электронного оборудования проектирует схему, а затем специалист по компоновке печатных плат выполняет компоновку и дизайн печатной платы на основе схемы, предоставленной с использованием системы САПР для печатных плат.

Компоновка и проектирование печатных плат — это специальные навыки, требующие знания не только программного обеспечения для проектирования печатных плат и системы САПР печатных плат, но также различных стандартов и методов, используемых для обеспечения успешного переноса базовой схемы на общую печатную плату. которые могут быть изготовлены в среде производства электронных схем.

Для того, чтобы печатная плата могла быть спроектирована удовлетворительно, часто бывает полезно иметь некоторые рекомендации, которым можно следовать, хотя ничто не заменит опыт.

Проект печатной платы с указанием компонентов и дорожек

Руководство по проектированию печатных плат

Существует множество идей и руководств по проектированию и компоновке печатной платы. Приведенный ниже список охватывает некоторые из них. Очевидно, что их больше, и приведенный ниже список рекомендаций по проектированию печатных плат не следует рассматривать как полный список.

Для облегчения следования рекомендациям по проектированию печатных плат, рекомендации разбиты на разделы:

  • Руководство по проектированию ограничений платы — те, которые охватывают исходные ограничения на плате
  • Общее руководство по проектированию компоновки
  • Направляющие, связанные с плоскостями или слоями
  • Руководство по проектированию гусениц
  • Тепловые проблемы
  • Целостность сигнала и рассмотрение РЧ

Это основные области, которые необходимо учитывать при проектировании печатной платы.Для некоторых проектов некоторые из рекомендаций по проектированию печатных плат будут более важными, чем другие, и часто необходимо принимать решения, чтобы сбалансировать одно требование с другим.

Руководство по проектированию платы ограничения

Эти рекомендации по проектированию печатных плат связаны с ограничениями всей платы: размером, формой и некоторыми факторами, влияющими на общий дизайн или концепцию печатной платы. Это должны быть некоторые из первых факторов, на которые следует обратить внимание.

  • Выберите контрольные точки, соответствующие производственному процессу.   Обычно на плате должны быть контрольные отверстия или точки. Они используются для машин выбора и размещения и испытательных приспособлений. Их следует выбирать в соответствии с производственным процессом печатной платы. Часто это могут быть отверстия для приспособлений, но они также могут быть перекрестными метками для оптических датчиков. Они должны быть очищены от компонентов и не затемнены.
  • Обеспечьте достаточную площадь платы для схемы   Часто размеры платы будут определяться общим размером продукта, но до начала проектирования печатной платы следует оценить размер платы и возможность размещения на ней компоненты и их треки.
  • Определите необходимое количество слоев   Целесообразно определить количество слоев дорожек, которые необходимы на печатной плате, в начале проектирования. Дополнительные слои увеличивают производственные затраты, но могут означать, что гусеницы можно разместить. В сложных проектах может быть много дорожек, и может быть невозможно развести их, если не будет доступно достаточное количество слоев.
  • Учитывать способ монтажа платы   В начале проектирования необходимо учитывать способ монтажа печатной платы.Различные способы монтажа могут потребовать, чтобы разные области платы оставались свободными, или они могут занимать разные области на плате.

Общая компоновка печатной платы. Руководство по проектированию

Эти рекомендации по проектированию печатных плат следует изучить до начала проектирования основной схемы. Они должны быть одними из первых элементов размещения компонентов.

  • Начертить и просмотреть план расположения различных областей схемы   Одна из первых частей схемы схемы — начертить примерный план расположения основных компонентов и областей компонентов.Таким образом можно оценить критические участки гусеницы и выбрать наиболее удобную конструкцию

Руководство по проектированию печатных плат, связанное с используемыми плоскостями или слоями

Общепринято использовать целый слой или плоскость для заземления или шин питания. Наиболее эффективные способы их использования должны быть рассмотрены на ранней стадии проектирования печатной платы.

  • Подумайте, будут ли использоваться полные плоскости для питания, заземления и т. д.   Общепринятой практикой является использование полных плоскостей для заземления и некоторых основных силовых шин.Это имеет преимущества с точки зрения шума и пропускной способности по току.
  • Избегайте частичных плоскостей   Целесообразно не оставлять больших зазоров в плоскостях заземления или силовых плоскостях, а также не иметь частичных плоскостей в определенной области платы. Это может создать напряжения в плате, которые могут привести к деформации во время изготовления платы или позже, когда плата нагревается в процессе пайки. Деформация после добавления компонентов для поверхностного монтажа может привести к поломке компонентов и, следовательно, к высокому уровню функциональных отказов.

Руководство по проектированию гусениц

Рассмотрение аспектов самих дорожек на печатной плате необходимо уделить на ранней стадии, так как могут потребоваться компромиссы.

  • Определите стандартную ширину колеи, которая будет использоваться   Необходимо сбалансировать стандартный размер колеи, который будет использоваться в проекте. Если дорожки слишком узкие и расположены слишком близко, существует большая вероятность короткого замыкания.Кроме того, если они слишком широкие и слишком далеко друг от друга, это может ограничить количество дорожек в данной области, и это может потребовать использования дополнительных плоскостей на платах, чтобы обеспечить возможность разводки конструкции печатной платы.
  • Учитывайте размер дорожек для токопроводящих линий   Тонкие дорожки, используемые в современных печатных платах, могут проводить только ограниченный ток. Необходимо учитывать размер трассы для всех, по которым проходят шины питания, а не сигналы низкого уровня.В приведенной ниже таблице указаны значения ширины дорожек или повышение температуры на 10°C для медных плат разной толщины.

Рекомендуемый максимальный ток для дорожек печатной платы
 
Ток
(Ампер)
Ширина для картона в 1 унцию
(тыс.)
Ширина для картона 2 унции
(тыс.)
1 10 5
2 20 15
3 50 25
  • Закрепите контактную площадку печатной платы по отношению к отверстию и размеру   В начале проектирования печатной платы необходимо определить размеры контактной площадки и отверстия.Обычно используется соотношение около 1,8: 1 (прокладка : отверстие), хотя иногда в качестве меры используется прокладка на 0,5 мм больше отверстия. Это допускает допуски на сверление отверстий и т. д. Изготовитель печатной платы сможет посоветовать стандарты, которые требуются для их процесса. Соотношение становится более важным по мере уменьшения размера контактных площадок и отверстий, и оно особенно важно для переходных отверстий.
  • Определение форм контактных площадок печатных плат   Библиотеки компонентов, связанные с системами САПР печатных плат, будут содержать библиотеки для схем и посадочных мест печатных плат для различных компонентов.Однако они могут варьироваться в зависимости от производственного процесса. Обычно они должны быть больше для пайки волной припоя, чем для инфракрасной пайки оплавлением. Таким образом, производственный процесс должен быть определен до начала проектирования, чтобы можно было выбрать оптимальные размеры контактных площадок и использовать их в системе САПР для печатных плат и, следовательно, на самой печатной плате.

Тепловые проблемы

Хотя для многих небольших печатных плат тепловые проблемы не представляют проблемы, при более высоких скоростях обработки и более высокой плотности компонентов для современных печатных плат тепловые проблемы часто могут стать серьезным препятствием.

  • Обеспечьте достаточное пространство для охлаждения вокруг горячих компонентов   Компоненты, которые рассеивают большое количество тепла, могут потребовать дополнительного пространства вокруг них. Оставьте достаточно места для радиаторов, которые могут потребоваться.

Целостность сигнала и рассмотрение радиочастот

Существует множество проблем с конструкцией печатной платы, связанных с целостностью сигнала, соображениями по РЧ и ЭМС. Многие способы избежать проблем связаны с маршрутизацией дорожек.

  • Избегайте параллельного прохождения дорожек   Дорожки, которые идут параллельно любой длины, будут иметь более высокий уровень перекрестных помех, так как сигналы на одной дорожке появляются на другой. Перекрёстные помехи могут привести к множеству проблем в схеме, и их может быть очень трудно устранить после того, как печатная плата спроектирована и изготовлена.
  • Когда дорожки должны пересекаться, они должны пересекаться под прямым углом   Чтобы уменьшить уровень перекрестных помех, когда две сигнальные линии должны пересекаться, они должны пересекаться под прямым углом, чтобы уменьшить уровень емкости и взаимной индуктивности между двумя линии.

Существует множество руководств по проектированию печатных плат, которые можно задокументировать. Приведенные здесь рекомендации по проектированию печатных плат — лишь некоторые из многих, которые можно было бы разработать, но они могут стать основой набора рекомендаций, которые можно было бы использовать для общего проектирования печатных плат.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
    Вернитесь в меню проектирования схем .. .

Как разработать топологию печатной платы

Процесс проектирования печатной платы начинается с создания схемы. Затем эта схема преобразуется в макет печатной платы с использованием программного обеспечения САПР.

В этой статье мы рассмотрим следующие пункты:

Обзор конструкции печатной платы

Первым шагом при проектировании печатной платы является нанесение концептуальной блок-схемы на бумагу. Затем эта блок-схема преобразуется в схематические проекты с использованием программного обеспечения САПР.Схема состоит из символов компонентов и сетевых соединений между символами. Эти сети станут следами на печатной плате.

Следующим этапом проектирования является этап предварительной компоновки, на этом этапе спецификация из схемы проверяется на наличие компонентов с длительным сроком изготовления и устаревших компонентов. В процессе проверки проверяются номера деталей производителя (MPN) и номера деталей поставщика. На этом этапе также завершается проектирование стека.

Следующий этап разводки печатной платы.На этом этапе завершаются настройка параметров платы, контур платы, размещение компонентов, разводка и создание производственной документации.

Каковы основные этапы проектирования печатных плат?

Процесс проектирования состоит из различных этапов. Каждый этап имеет свои определенные процессы и контрольные списки. Чтобы спроектировать успешную печатную плату, важно следить за процессами и проверять контрольный список на каждом этапе. В этом разделе мы рассмотрим различные этапы проектирования печатной платы с помощью Altium Designer .

Шаг 1: Создание схемы печатной платы

Принципиальная схема представляет собой изображение элементов системы с помощью абстрактных и графических символов. На этом этапе проект вводится в средство создания схем (Altium, Allegro и т. д.). На схеме показаны компоненты, используемые в конструкции, и способы их соединения друг с другом. Если в проекте используется иерархическая схема, в которой множество функциональных схем взаимосвязаны друг с другом, схема определяет отношения между группами компонентов в разных схемах.Пример принципиальной схемы показан ниже.

Пример принципиальной схемы печатной платы

Создание схемы — это процесс создания логического представления электронной схемы. Когда вы создаете схему, вы уникальным образом соединяете набор символов (компонентов), создавая свой уникальный электронный продукт.

Ниже приведены этапы создания схемы печатной платы с помощью Altium Designer:

Чтобы узнать больше о схематических символах и принципиальных схемах, прочитайте нашу статью Что означает схематическая диаграмма?

Создание символа схемы Доступ к инструменту создания символов Altium Designer

можно получить, выбрав команду Опции Инструменты → Мастер символов в главном меню.Процесс генерации символа включает в себя рисование корпуса компонента, добавление контактов и номеров контактов, определение ссылочных обозначений и назначение посадочного места.

Схема размещения символов

Тело символа создается путем размещения объектов графического дизайна в рабочей области редактора библиотеки схем. Altium Designer включает различные формы замкнутых символов, включая прямоугольник, пятиугольник, эллипс и треугольник, как показано ниже.

Формы символов схемы печатной платы

Нумерация контактов

Выводы определяют точки подключения на компоненте для входящих и исходящих сигналов.Нумерация контактов сделана для того, чтобы соединения, показанные на схеме, были правильно соединены медью на печатной плате. Именно выводы компонента придают компоненту его электрические свойства и определяют точки соединения на компоненте для направления сигналов внутрь и наружу. Вывод размещается для представления каждого вывода на фактическом физическом компоненте.

Светодиод с двумя контактами (1 и 2)

Выводы могут быть размещены в документе библиотеки схем с помощью одного из следующих шагов:

  1. Нажмите Place→ Pin в главном меню
  2. Появится диалоговое окно «Параметры символа».Используйте это диалоговое окно, чтобы определить высоту и ширину символа, длину его выводов и стиль его выводов по отношению к портам на исходном листе, и нажмите OK .

Условные обозначения

Справочные обозначения в основном состоят из категории, значения, производителя, номера детали производителя и поставщика. Рекомендуется, чтобы каждый символ на вашей схеме имел собственное уникальное обозначение, чтобы каждую часть можно было легко идентифицировать. Например, каждый резистор должен иметь последовательную последовательность имен R1, R2, R3 и т. д.

Назначение посадочного места

Footprint дает представление о фактическом размере компонента. Например, , когда мы кладем компонент на песок, он оставит там свой отпечаток . Этот отпечаток является его фактическим физическим размером. Некоторые компоненты поставляются в стандартных упаковках, и их следы легко найти. В некоторых случаях нам может потребоваться создать посадочное место вручную. Ниже приведены шаги, которые необходимо выполнить для создания посадочного места в Altium Designer.

  1. Создание площадок
  2. Высота и площадь вводимого компонента
  3. Предоставить информацию о шелкографии
  4. Сохранить след
Соединение символов

Для проектировщика печатных плат очень важно четко показать, как компоненты взаимосвязаны на схеме.Во-первых, всякий раз, когда у вас есть два провода, которые образуют соединение и имеют общее электрическое соединение, это пересечение должно иметь точку соединения. Это стандартная практика в каждом схематическом проекте.

Соединение проводов на схеме печатной платы

Схема соединений: хорошая практика

Схема подключения печатной платы: рекомендуемая практика

Если у вас есть пара пересекающихся проводов, которые электрически не соединены, а просто перекрываются, то точка вам не понадобится.

Пересекающиеся провода на схеме печатной платы

Важные сигналы на плате должны быть отмечены после подключения компонентов.Эта маркировка включает дорожки импеданса, такие как 50 Ом SE и 100 Ом дифференциальные пары. Кроме того, трассы питания должны быть идентифицированы и отмечены.

Контуры компонентов отображаются на схематическом представлении при переносе информации о схеме в топологию печатной платы.

Создать список соединений

Список соединений в любом программном обеспечении для проектирования печатных плат содержит информацию об имени компонента, а также контактную площадку того компонента, который подключен. Netlist также присваивает номера соединениям в последовательном порядке.Диалоговое окно Netlist Manager используется для контроля и управления списком соединений платы. Сети можно редактировать, добавлять или удалять по мере необходимости. Выводы (или контактные площадки) компонентов в цепях также можно редактировать.

Выполнение проверки списка соединений

Экспорт списка соединений Опция используется для экспорта списка соединений платы в текущий документ. После запуска команды документ списка цепей с расширением ‘.Net’ сохраняется в той же папке, где сохранен проект печатной платы.В схеме должна быть проведена проверка цепи за сетью (все ли цепи подключены, как предполагалось).

Создание спецификации

Список материалов (BOM) — это просто список необходимых материалов для изготовления печатной платы. В Altium Designer спецификацию можно создать, выбрав параметры Report → Bill of Materials на схеме платы.

Всегда рекомендуется проводить общую проверку после каждого шага/подэтапа, чтобы обеспечить безошибочный дизайн.

Этап 2. Предварительный макет

На этапе предварительного макета мы инициируем проектирование стека, проверяем спецификацию для всех частей и проверяем, что части активны и не устарели.

Проверка спецификации

Спецификация — это просто список материалов, необходимых для изготовления печатной платы. Первым шагом на этапе предварительного макета является обеспечение наличия всех материалов, необходимых для вашего дизайна.

Во время проверки спецификации проверяется следующее:

  1. Номера производственных деталей (MPN) верны 
  2. Номера деталей поставщика (VPN) верны
  3. Количество деталей правильное
  4. Обозначения соответствуют схеме
  5. Компоненты
  6. DNI (не устанавливать) отмечены в спецификации
Разработка компоновки с помощью контрактного производителя (CM)

Дизайнеры должны иметь подробную информацию о стеке перед началом разработки макета.Дизайнеры всегда проектируют стек, но, как правило, им помогает фабрика, чтобы получить правильное расположение стека. Они могут получить необходимую помощь от производителя печатных плат или использовать инструменты стекирования, такие как наш Stackup Planner.

Параметры, необходимые для планировщика, включают:

  1. Материал печатной платы (FR4, I-Speed, Rogers и т. д.) зависит от требований к частоте и окружающей среды (например, высокая температура)
  2. Количество слоев – сигнальные уровни и уровни мощности
  3. Требуемые импедансы, такие как несимметричный 50 Ом, дифференциальный 90 Ом или дифференциальный 100 Ом
  4. Толщина меди (½/1/2 унции)

ЗАГРУЗИТЕ НАШЕ РУКОВОДСТВО ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ КОНТРОЛЯ ИМПЕДАНСА:

Шаг 3: Этап компоновки печатной платы

Этап компоновки печатной платы включает в себя настройку инструмента проектирования, контур платы, импорт списка соединений, размещение компонентов, маршрутизацию, очистку шелкографии, проверку DRC и создание документов для производства (Gerbers, список соединений и т. д.).

Установка стека

Разметка платы начинается с установки правил стека и дизайна. Стек настраивается в инструменте с помощью инструмента Layer Stackup Manage r. Проект стека, созданный инструментом компоновки от производителя печатной платы, используется в качестве эталона для настройки стека в инструменте компоновки.

Шаги для проектирования вашей печатной платы:

  1. Однослойный стек по умолчанию определяется при создании новой платы.
  2. Текущий выбранный стек дублируется, если вы нажмете кнопку Добавить стек . После добавления нового стека имя и свойства можно изменить на вкладке свойств стека диалогового окна.
  3. Нажмите кнопку Добавить слой , чтобы добавить отдельную паяльную маску и дополнительные слои.
  4. Порядок наложения можно изменить с помощью кнопок Влево и Вправо , которые находятся в правом нижнем углу вкладки наложения.
  5. Для гибких печатных плат в гибком стеке должна быть включена опция Flex . Изгиб определяется путем размещения линии изгиба через область изгиба (меню Design » Board Shape)

На изображении ниже показан инструмент Layer Stackup Manager.

Инструмент менеджера компоновки печатных плат

Установка правил проектирования печатных плат

Правила проектирования — это набор инструкций, которым должен следовать инструмент компоновки печатных плат. Каждый аспект дизайна описан в правилах дизайна.Правила проектирования печатных плат можно в целом классифицировать как:

  1. Правила проектирования электрооборудования: работа с электрическими характеристиками, такими как импеданс, частота и т. д.
  2. Правила физического проектирования: связаны с такими параметрами, как ширина трассы, размеры переходных отверстий, дифференциальные пары и т. д.
  3. Правила проектирования интервалов: учитывайте расстояние между силовыми дорожками высокого напряжения, зазор или конкретную область, если нам нужна дорожка толщиной 5 мил и т. д.

Эти правила определяются в диалоговом окне редактора правил и ограничений платы.

Начертить контур печатной платы

Форма печатной платы называется контуром платы и представляет собой замкнутый контур. Форму платы можно переопределить по-разному:

  1. Вручную:  Путем перемещения существующих вершин платы. Это можно сделать, переключившись в режим планирования платы ( View → Board Planning Mode ) в меню дизайна.
  2. Из выбранных объектов: Обычно это делается на механическом слое   , если у вас есть контур платы, импортированный из инструмента MCAD (файл DWG/DXF).Переключитесь в режим 2D-макета ( View → 2D layout Mode) , выберите примитивы на механическом слое (Edit Select All on Layer), затем используйте Design Board Shape Define из выбранных объектов команда.
  3. Из 3D-тела: Используйте этот параметр, если пустая плата была импортирована из инструмента САПР в объект 3D-тела ( Место → 3D-тело ). Переключитесь в режим 3D-макета ( View → 3D Layout Mode ), затем используйте команду в подменю Design → board shape , чтобы выбрать форму платы.
Размещение компонентов

Первый этап размещения компонентов начинается с разбивки схемы на различные секции в зависимости от функциональности схемы (аналоговые, цифровые, высокоскоростные, сильноточные, источники питания и т. д.)

Планировка печатной платы на основе разделов

Режим перекрестного выбора

Режим перекрестного выбора позволяет сделать соответствующий выбор объекта между компоновкой платы и схемой. Другими словами, если вы выберете объект на топологии, соответствующий объект на схеме также будет выбран.Это обеспечивает точное размещение компонентов на макете. На изображении ниже показаны шаги для активации режима перекрестного выбора в Altium Designer.

Шаги для активации режима перекрестного выбора

Процесс размещения компонентов начинается с размещения компонентов, находящихся в фиксированных местах в соответствии с проектными требованиями. Эти компоненты обычно включают соединители и связанные с ними компоненты. Следующим шагом является размещение основных компонентов, таких как ЦП, память и аналоговые схемы.Третий шаг заключается в размещении вспомогательных компонентов к основным компонентам, таким как кристаллы, развязывающие конденсаторы и последовательные резисторы.

Выполните следующие действия, чтобы разместить объект (компонент) на топологии платы:

  1.   Выберите объект для размещения на одной из панелей инструментов или в меню «Поместить».
  2.   Используйте мышь, чтобы определить положение размещенного объекта в рабочей области платы и его размер (где применимо).
  3.   Щелкните правой кнопкой мыши (или нажмите Esc), чтобы завершить команду и выйти из режима размещения.
Прокладка бортовых сеток

Маршрутизация — это процесс прокладки медных трасс между узлами. Этот токопроводящий путь определяется размещением дорожек, дуг и переходных отверстий на медных слоях для установления соединения между двумя узлами.

Интерактивный метод маршрутизации используется для маршрутизации соединения в конструкторе плат. Доступ к этой интерактивной команде маршрутизации можно получить, выбрав опцию Маршрут интерактивная маршрутизация для маршрутизации одной цепи, Маршрут Интерактивная маршрутизация дифференциальных пар для маршрутизации дифференциальной пары .На изображении ниже показаны шаги для доступа к интерактивной команде маршрутизации.

Интерактивная маршрутизация

После запуска команды щелкните контактную площадку, которую необходимо развести. Интерактивный маршрутизатор определяет путь маршрута от выбранной площадки до местоположения курсора. Размер дорожки соответствует правилам проектирования печатных плат.

Последовательность прокладки такова, чтобы завершить прокладку развязывающих конденсаторов и переходных отверстий питания. Затем разведите критически важные трассы, такие как трассы импеданса и высокоскоростные трассы.Затем проложите некритические трассы. Рекомендуется маршрутизировать трассы ортогонально.

После того, как маршрутизация компонентов завершена, выполняются соединения плоскости питания/земли. Плоскость питания представляет собой слой меди, к которому подключен источник питания. Заземляющий слой представляет собой слой меди, к которому выполнено заземление.

Чтобы узнать о размещении конденсаторов, прочитайте рекомендации по размещению развязывающих конденсаторов при проектировании печатных плат.

Выполнение проверки правил проектирования (DRC)

Проверка правил проектирования (DRC) — это процесс проверки как логической, так и физической целостности проекта.В DRC выполняются проверки на соответствие всем включенным правилам проектирования печатных плат. Эту функцию также можно включить онлайн, чтобы проверки выполнялись параллельно по мере прохождения процесса проектирования. Этот шаг следует выполнить на каждой разводимой плате, чтобы убедиться, что правила минимального зазора соблюдены и нарушений нет. На изображении ниже показано диалоговое окно DRC.

Диалоговое окно проверки правила проектирования

Замечания по сборке/сборке печатных плат

Заметки о производстве печатных плат содержат следующую информацию, связанную с проектированием:

  1. Класс печатной платы (класс 1, класс 2 и класс 3)  
  2. Количество слоев
  3. Общая толщина плиты
  4. Стандарты IPC, которым необходимо следовать
  5. Цвет паяльной маски
  6. Цвет шелкографии
  7. Детали послойного импеданса
  8. Детали выреза
  9. Детали штабеля
  10. Детали отверстий (схема сверления)
  11. Номер версии и дата

Заполнение всей конкретной информации в примечаниях к сборке очень важно, так как это документирует всю важную информацию о дизайне печатной платы для дальнейшего использования.

Если плата разрабатывается для заказчика, рекомендуется получить одобрение от заказчика после вышеуказанного шага. Пример потрясающих заметок показан ниже.

Заметки о производстве печатных плат

Карта сверления

В таблице сверл указано количество и размер отверстий для каждого сверла, которые будут использоваться на доске. Таблицу упражнений рекомендуется вставить в заметки. Пример схемы сверления показан ниже.

Схема сверления печатных плат

Чтобы узнать больше о процессе сверления печатных плат, прочитайте нашу статью «Объяснение сверления печатных плат: что можно и чего нельзя делать»

Шаг 4. Создание производственных файлов

Ниже приведены файлы, которые необходимо создать:

  1. Создание файлов Gerber и других производственных файлов
    :
    1. ВЕРХ – Верхний медный слой (расширение: плата.gtl) Указывает на медные дорожки на верхнем слое печатной платы.
    2. SMT — верхний слой паяльной маски (расширение: board.gts). Паяльная маска используется для защиты от окисления и предотвращения образования паяных мостиков в процессе пайки.
    3. SPT — верхний слой паяльной пасты (расширение: board.gtp). Паяльная паста используется для соединения компонентов поверхностного монтажа с контактными площадками на печатной плате. Паста наносится струйной печатью, трафаретной печатью или шприцем.
    4. SST – Столешница для шелкографии (удлинение: картон.гто). Шелкография — это слой чернил, используемый для идентификации компонентов, меток, логотипов и т. д.
    5. BOT — Нижний медный слой (расширение: board.gbl). Указывает на медные дорожки на нижней стороне печатной платы.
    6. SMB — нижний слой паяльной маски (расширение: board.gbs)
    7. SPB – Нижняя часть паяльной пасты (расширение: board.gbp)
    8. SSB – Нижняя часть для шелкографии (расширение: board.gbo)
    9. Сигнал и питание внутренних слоев /GND (расширение: board.g1)
  2. Файл для сверления с ЧПУ: показывает ориентацию отверстий на печатных платах (расширение: board.текст)
  3. Возьмите и поместите файл
  4. Файл списка соединений IPC 356
  5. Файл ODB++ (открытая база данных). Обмен информацией между этапами проектирования и производства.
  6. PDF схемы и макета
  7. Сборочные чертежи в формате PDF 
Выполнение проверки DFM

Дизайн для технологичности (DFM) — это набор руководств по проектированию, которые проверяют технологичность проекта. DFM-анализ выявляет проблемы компоновки печатной платы, которые могут создавать производственные проблемы во время сборки и изготовления.Проблемы DFM связаны с геометрией и в большинстве случаев остаются незамеченными во время проверок DFM.

Инструмент Better DFM от Sierra Circuits

поможет вам проверить проект на технологичность. Он работает с вашими файлами дизайна печатной платы (формат файла Gerber) и выводит подробную информацию о проблемах с правилами проектирования в ваших файлах. Например, если вы считаете, что ваш проект имеет минимальную трассировку 6 мил, и вы запускаете Better DFM, он выделит все области, где трассировка составляет всего 5 мил.

Чтобы узнать больше о DFM, прочитайте нашу статью о 6 проблемах DFM, которые дизайнеры должны проверить перед изготовлением печатных плат.

Популярное программное обеспечение для проектирования печатных плат

Дизайнеры и инженеры используют программное обеспечение для автоматизации электронного проектирования (EDA), также называемое программным обеспечением электронного автоматизированного проектирования (ECAD), для создания чертежа желаемой печатной платы. Это требует глубоких знаний архитектуры и хорошего понимания связанных библиотек. Созданный шаблон проектирования должен соответствовать стандартам электромагнитной совместимости (ЭМС) IEEE.Эта конструкция воплощена в жизнь (позже запущена в производство) производителем печатных плат.

Основными факторами, которые следует учитывать при выборе программного обеспечения для проектирования печатных плат, являются:

  • Пользовательский интерфейс (UI)
  • Характеристики
  • Библиотеки больших компонентов

Программное обеспечение для автоматизации обеспечивает удобный подход к проектированию печатных плат, которые можно легко преобразовать в физическую плату. См. список программного обеспечения для проектирования печатных плат и узнайте больше об Allegro, Altium Designer, Eagle, OrCAD и т. д.

Теперь мы рассмотрели основные этапы проектирования топологии печатной платы. Дайте нам знать в разделе комментариев, если есть какие-то конкретные темы, о которых вы хотели бы узнать больше.

 

СКАЧАТЬ НАШЕ РУКОВОДСТВО DFM:

 

Рекомендации и рекомендации по компоновке печатных плат

Компоновка печатной платы (PCB) в ее самой простой форме — это средство переноса схемы с макетной платы в более стабильную и постоянную физическую форму.Разводке печатных плат посвящены целые книги и курсовая работа в колледже, далее следует краткий обзор того, что следует учитывать при изготовлении печатной платы.

Схемы

Начните с создания отличной схемы, поскольку схема является и основной документацией, и картой для понимания и построения системы цепей. Принципиальная схема — это схема цепей, компонентов и соединений, расположенная в удобном для понимания виде. Компоненты и связи между компонентами (или сетевыми именами) четко идентифицируются.Хорошая схема включает в себя как можно больше информации, включая допуски и размеры, примечания по тепловым проблемам, процедуры настройки (если таковые имеются), размещение критических компонентов, информацию о печатной плате (например, сборка платы), рекомендации по трассировке с контролируемым импедансом, снижение номинальных характеристик компонентов и, возможно, последовательность операций (если схема еще не является частью руководства). Обозначения на схеме приветствуются. Не думайте, что каждый, кто впоследствии прочитает схему, будет знать столько же, сколько и вы, или то же самое, что и вы.

Высокочастотные сигналы

К платам

, поддерживающим высокочастотные сигналы, предъявляются особые требования. Как правило, вам не нужно сильно беспокоиться о высокоскоростных сигналах, если только вы не работаете с сигналами на частоте 50 МГц или выше. Однако многие из интерфейсов, которые мы используем сегодня, работают на частотах выше 50 МГц (например, USB), поэтому необходимы некоторые знания о том, как избежать проблем с высокоскоростными сигналами. Компоновка печатной платы, особенно на высоких частотах, полностью зависит от физики потока электронов.Рекомендации обычно отражают здравый смысл в отношении того, как электроны ведут себя на уровне платы. Визуализируйте поток воды в речном бассейне через точки защемления и вокруг различных каменных образований, и у вас будет представление о том, как электрический ток будет вести себя через дорожки, вокруг препятствий и через точки защемления на вашей печатной плате. Печатные платы могут иметь один или несколько слоев дорожек, зажатых между армированным стекловолокном эпоксидным ламинатом, и сигналы могут взаимодействовать между слоями.

Существует сложная взаимосвязь между высокочастотными сигналами и длиной дорожек или проводов.Определение высокой скорости относительно; провода начинают действовать как линии передачи по мере увеличения частоты проходящих по ним сигналов. Если импеданс трассы пренебрежимо мал по сравнению с нагрузкой, у вас нет высокоскоростного сценария. Трассировка становится линией передачи, когда длина трассы превышает 1/3, 1/6 или даже 1/10 длины волны синусоидального сигнала, тогда вам нужно обращаться с трассой так, как если бы она была линией передачи. Все три цифры даны отдельно как «эмпирические правила», причем 1/10 является наиболее консервативным (предположительно, для учета очень высоких частот, распространенных сегодня).)

Компоненты маршрутизации и размещения сигналов

Знайте, где на печатной плате будут протекать сигнальные и обратные токи для ваших высокочастотных и низкочастотных сигналов. Держите цифровые сигналы как можно дальше от аналоговых сигналов. Аналоговые схемы чувствительны к цифровым сигналам, в том числе к тактовым сигналам, которые могут создавать помехи в аналоговой части вашей системы, поэтому разделите их и убедитесь, что пути сигналов или токи не пересекаются. Рисунок 1, любезно предоставленный Analog Devices, показывает неправильный способ размещения аналоговых и цифровых схем на печатной плате.

Рис. 1. Размещение компонентов и маршрутизация сигналов: неправильный путь. Не размещайте компоненты таким образом, чтобы аналоговые сигналы проходили рядом, вокруг или через тракты цифровых сигналов, как подающие, так и обратные. (Изображение: Analog Devices, Inc.)

На рис. 2 показаны аналоговые токи (зеленые стрелки), которые не должны пересекаться с токами, протекающими между цифровыми схемами (красные стрелки).

Рисунок 2: Размещение компонентов и маршрутизация сигналов: ПРАВИЛЬНЫЙ способ. Цифровые схемы могут вносить шум в аналоговые схемы, поэтому держите их отдельно друг от друга.(Изображение: Analog Devices, Inc.)

При проектировании печатной платы большое значение имеют расположение и длина линий передачи высокоскоростных сигналов. Делайте следы как можно короче. Размещайте компоненты физически рядом с микросхемами, которые они модифицируют (например, подтягивающие резисторы, обходные конденсаторы). Плоскости заземления и питания могут обеспечивать экранирование, и если у вас простая печатная плата, они должны располагаться на противоположных сторонах печатной платы. (Подумайте об оптимальных схемах потока.) Изолируйте сигналы, используя физическое разделение. Параллельные трассы должны быть короткими, а трассы на соседних слоях — короткими.Трассировки, расположенные рядом друг с другом или поверх друг друга (на соседних слоях), могут создавать паразитную емкость, которая приводит к перекрестным помехам и связи. Если возможно, запускайте трассировки на соседних слоях ортогонально друг другу. Помните об электрической связи с магнетизмом и о том, что дорожки с протекающим по ним током создают магнитное поле, которое меняется в зависимости от сигнала.

Сведите к минимуму перекрестные помехи, увеличив расстояние между дорожками (или иным образом улучшив изоляцию), используя защитные дорожки или используя дифференциальные сигналы для уменьшения электромагнитных помех.Увеличить расстояние между дорожками можно за счет увеличения толщины платы или размещения дорожек как можно дальше друг от друга. Чем меньше площадь дорожки или контактной площадки, тем ниже эквивалентный импеданс для этой области. Следы также имеют индуктивный компонент или приблизительную индуктивность следа или полосы. Нежелательные физические явления, которые могут возникнуть, такие как емкость и индуктивность, могут быть дополнительно подробно исследованы путем изучения физики, лежащей в основе взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. Например, расширение дорожки увеличит емкость дорожки, но уменьшит ее индуктивность.Это одна из причин, по которой необходимы инструменты компоновки и моделирования печатных плат, за которыми следует тестирование прототипа печатной платы, прежде чем пытаться производить его в больших объемах.

С точки зрения топологии печатной платы меньшие корпуса на самом деле лучше справляются с высокочастотными сигналами, чем большие корпуса. Компактная компоновка будет производить меньше паразитных компонентов. Analog Devices имеет «специальную обратную связь» для некоторых операционных усилителей, предназначенную для упрощения оптимальной компоновки печатной платы операционного усилителя. Специальная обратная связь оптимизирует прохождение сигнала и снижает искажения.Analog Devices определяет «выделенную обратную связь» как контакт обратной связи, размещенный непосредственно рядом с инвертирующим входным контактом операционного усилителя. Таким образом, единственным требованием для соединения двух контактов является очень короткая дорожка или резистор, а не прокладка обратной связи вокруг или под усилителем. [i]

В дополнение к тому, что длина дорожки должна быть короткой, необходимо использовать блокировочные конденсаторы. Конденсаторы необходимо размещать как можно ближе к контактам источника питания на микросхемах. Конденсаторы предлагают средства для буферизации роста и падения изменяющихся уровней напряжения и необходимы для хорошей работы в высокоскоростных цепях.Плоскость заземления и плоскость питания жизненно важны для уменьшения паразитных помех и шума. Для печатной платы с несколькими слоями по крайней мере один слой должен быть выделен для заземления. Убедитесь, что вы проанализировали обратный путь на предмет тока по всей раскладке и во всех направлениях. Выделите как можно больше места для заземляющего слоя с дорожками, передающими высокоскоростные сигналы, имеющие особое значение по отношению к заземляющему слою для экранирования. Для многослойных печатных плат используйте несколько переходных отверстий для соединения (одних и тех же) плоскостей заземления вместе.

Искусство и наука

По мере развития технологий частота сигналов, включая цифровые сигналы, стала невероятно высокой. Понимание распространения сигнала становится все более необходимым для инженеров. Чтобы понять почему, в статье доктора Ховарда Джонсона, профессора проектирования высокоскоростных схем, объясняется необходимость устранения разрыва в понимании между цифровым и аналоговым проектированием. И аналоговые, и цифровые дисциплины очень заметно перекрываются на высоких скоростях, но в течение нескольких десятилетий преподаются как отдельные миры (по крайней мере, для студентов).Прочтите книгу доктора Говарда Джонсона «Почему Джонни не может спроектировать высокоскоростную цифровую систему», чтобы получить общее представление о некоторых проблемах, с которыми сталкиваются новые инженеры. интенсивная наука, охватывающая несколько дисциплин с потенциалом чрезвычайной сложности. Компоновка печатной платы может стать сложной, если она определяется требованиями к изделию (например, размером), несколькими слоями, множеством различных компонентов и различными типами сигналов (например, высокоскоростных, низковольтных, высоковольтных, цифровых, аналоговых и т. д.).), которые должны успешно сосуществовать на одной плате. Наконец, правила и экологические стандарты также являются частью процесса проектирования печатных плат. Создание качественных печатных плат — это и наука, и искусство. Эта статья едва коснется поверхности, но, возможно, она даст вам представление об областях, которые вам необходимо изучить более подробно.

[i] http://www.analog.com/en/analog-dialogue/raqs/raq-issue-65.html

[ii] Найдите недорогую версию серии лекций доктора Джонсона на сайте safaribooksonline.ком

Полное руководство по компоновке и проектированию печатных плат

Перейти к:  Основные этапы проектирования печатной платы |   Проектная документация | Компоновка печатной платы и рекомендации по дизайну | Важность тестирования | Решение проблем компоновки печатных плат с помощью САПР | Выбор поставщика печатных плат

Разработка макета вашей печатной платы имеет решающее значение для создания надежной и экономичной платы. Хотя дизайн схемы и выбор компонентов также важны, вы всегда должны следить за тем, чтобы у вас было достаточно времени для разводки печатной платы.Многое уходит на определение оптимального дизайна печатной платы, тем более что современные платы становятся все более сложными, компактными и легкими. Растущая популярность гибких печатных плат также усложняет этот процесс.

Если вы не учтете важные соображения по компоновке печатной платы, вы можете получить проект, который не будет хорошо переноситься в реальный мир. Неправильная компоновка может привести к таким проблемам, как электромагнитные помехи, конфликты компонентов с обеих сторон платы, ограниченная функциональность платы и даже полный отказ платы.Кроме того, если вы не получите правильный макет с первого раза, вам придется его переработать, что может привести к задержкам производства и дополнительным затратам.

Итак, какие правила и соображения при проектировании печатных плат необходимо учитывать? Давайте рассмотрим этапы проектирования компоновки печатной платы и определим некоторые основные соображения для каждого этапа. Конечно, есть и другие соображения, которые вы, возможно, захотите иметь в виду, но это одни из наиболее важных аспектов проектирования разводки печатных плат, о которых вам следует знать.

 

Основные этапы проектирования печатной платы Дизайн печатной платы

играет роль на каждом этапе процесса производства печатной платы с момента, когда вы знаете, что вам нужна печатная плата, до окончательного производства. Базовый процесс проектирования включает шесть шагов.

 

1. Концепция

После определения потребности в печатной плате следующим шагом является определение окончательной концепции платы. Этот начальный этап включает в себя определение функций, которые будет иметь и выполнять печатная плата, ее характеристики, ее взаимосвязь с другими схемами, ее размещение в конечном продукте и ее приблизительные размеры.Кроме того, примите во внимание примерный диапазон температур, в котором будет работать плата, и любые другие экологические проблемы.

2. Схема

Следующим этапом является рисование принципиальной схемы на основе окончательной концепции. Эта диаграмма включает всю информацию, необходимую для надлежащего функционирования электрических компонентов платы, а также такие сведения, как названия компонентов, номинал, номинальные характеристики и номера деталей производителя.

Пока вы создаете схему, вы создаете спецификацию.Эта спецификация содержит информацию обо всех компонентах, необходимых для вашей печатной платы. Всегда обновляйте эти два документа.

 

3. Блок-схема уровня платы

Далее вы создадите блок-схему на уровне платы, рисунок с указанием окончательных размеров печатной платы. Отметьте области, предназначенные для каждого блока, секции компонентов, которые соединены по электрическим причинам или из-за ограничений. Хранение связанных компонентов вместе позволит вам сократить трассировку.

 

4. Размещение компонентов

Следующим шагом является размещение компонентов, которое определяет, где вы будете размещать каждый элемент на плате. Часто вы можете пройти несколько раундов уточнения размещения компонентов.

5. Маршрутизация первого прохода

Затем определите маршрутизацию и приоритет маршрутизации для канала.

 

6. Тестирование

После того, как вы завершили разработку, вы должны провести серию тестов, чтобы убедиться, что она соответствует всем вашим требованиям.Если это так, дизайн готов. Если нет, вы вернетесь к этапам, где вам нужно внести коррективы.

Конструкторская документация

Приступая к созданию печатной платы, вы разработаете множество документов. К таким документам относятся:

  • Габаритные чертежи аппаратного обеспечения: Описывает размер чистой платы
  • Схема: Схема электрических характеристик платы
  • Спецификация: Описывает компоненты, необходимые для проекта
  • Файл компоновки: Описывает базовую компоновку печатной платы
  • Файл размещения компонентов: Описывает расположение отдельных компонентов.
  • Сборочные чертежи и инструкции: Объясняет, как собрать плату
  • Руководства пользователя: Хотя они и не обязательны, они полезны для предоставления пользователю дополнительной информации
  • Набор файлов Gerber: Набор выходных файлов топологии, которые производитель печатных плат будет использовать для создания печатной платы

 

Компоновка печатной платы и рекомендации по проектированию

При компоновке и дизайне печатной платы необходимо учитывать многое.Некоторые соображения применимы ко всему процессу, в то время как некоторые специфичны для отдельных шагов. Вот семь важных факторов, о которых следует помнить.

 

 

1. Ограничители платы

Первые ограничения, на которые следует обратить внимание, связаны с голой платой. Некоторые из этих основных ограничений включают размер и форму доски.

Вам необходимо обеспечить достаточную площадь платы для схемы.Размер конечного продукта, функциональность, которую должна обеспечивать плата, и другие факторы определяют размер платы. Электронные продукты и печатные платы, которые они содержат, становятся все меньше. Прежде чем приступить к процессу проектирования, оцените размер платы. Если у вас недостаточно места для всех функций, требуемых в более простой конструкции, вам может потребоваться использовать многослойную конструкцию или конструкцию межсоединений высокой плотности (HDI).

Стандартная печатная плата имеет прямоугольную форму.Это остается, в подавляющем большинстве, наиболее распространенной формой для печатных плат. Однако можно создавать доски и в других формах. Разработчики печатных плат чаще всего делают это из-за ограничений по размеру или использования в продуктах неправильной формы.

Другим важным соображением является количество слоев, которые вам понадобятся, какие уровни мощности и сложность конструкции помогут решить. Лучше всего выяснить, сколько вам нужно, еще в процессе разработки макета. Добавление большего количества слоев может увеличить производственные затраты, но позволит вам включить больше дорожек.Это может понадобиться для более сложных плат с расширенным функционалом.

Используйте как минимум два переходных отверстия для создания переходов слоев для всех сильноточных путей. Использование нескольких переходных отверстий на переходах между слоями повышает надежность, улучшает теплопроводность и снижает индуктивные и резистивные потери.

 

2. Производственные процессы

Вы также должны учитывать производственные процессы, которые вы хотели бы использовать для производства платы. Различные методы имеют разные ограничения и ограничения.Вам нужно будет использовать эталонные отверстия или точки, которые соответствуют производственному процессу на плате. Всегда следите за тем, чтобы в отверстиях не было компонентов.

Также помните о способе монтажа платы. Различные подходы могут потребовать, чтобы вы оставили открытыми разные области доски. Использование нескольких типов технологий, таких как компоненты для сквозного и поверхностного монтажа, может увеличить стоимость ваших плат, но в некоторых случаях может быть необходимо.

Всегда консультируйтесь со своим изготовителем, чтобы убедиться, что у него есть возможности для производства нужного вам типа платы.Некоторые, например, не могут производить многослойные платы или платы с гибкой конструкцией.

 

3. Материалы и компоненты

На этапе компоновки учитывайте материалы и компоненты, которые вы планируете использовать для своей платы. Сначала вам нужно убедиться, что нужные элементы доступны. Некоторые материалы и детали трудно найти, в то время как другие настолько дороги, что их стоимость непомерно высока. Различные компоненты и материалы также могут иметь разные потребности в дизайне.

Найдите время, чтобы убедиться, что вы выбрали оптимальные материалы и компоненты для своей доски, а также что вы разработали доску, которая соответствует сильным сторонам этих элементов.

 

4. Заказ на размещение компонентов

Одно из самых фундаментальных правил проектирования печатных плат касается порядка размещения компонентов на плате. Рекомендуемый порядок: разъемы, затем силовые цепи, затем прецизионные цепи, затем критические цепи и затем остальные элементы.Уровни мощности, восприимчивость к шуму, возможности генерации и маршрутизации также влияют на приоритет маршрутизации для канала.

 

5. Ориентация

При размещении компонентов старайтесь ориентировать похожие друг на друга в одном направлении. Это сделает процесс пайки более эффективным и поможет избежать ошибок во время него.

 

6. Размещение

Старайтесь не размещать детали на стороне пайки печатной платы, которые будут располагаться за металлизированными деталями со сквозными отверстиями.

 

7. Организация

Логическая организация компонентов может сократить количество необходимых этапов сборки, повысить эффективность и снизить затраты. Стремитесь разместить все компоненты для поверхностного монтажа на одной стороне платы, а все компоненты для сквозного монтажа — на верхней стороне.

 

Вопросы питания, заземления и трассировки сигналов

Приведенные выше советы касались размещения компонентов на печатной плате. Чтобы эти компоненты работали должным образом, вам также необходимо проложить дорожки питания, земли и сигналов.Эффективное выполнение этого шага поможет убедиться, что ваши сигналы имеют надежный путь для правильной работы платы. Вот пять факторов, о которых следует помнить.

 

1. Плоскости питания и заземления

Одно из фундаментальных правил проектирования компоновки печатной платы заключается в том, чтобы силовые и заземляющие слои располагались внутри платы. Они также должны быть центрированы и симметричны, чтобы предотвратить изгиб и скручивание доски. Изгиб может привести к смещению компонентов и потенциальному повреждению платы.Другие рекомендации включают в себя использование общих шин для каждого источника питания, обеспечение надежных и обширных трасс и избегание создания гирляндных цепочек для соединения компонентов.

Высокое напряжение в силовых цепях может создавать помехи для низковольтных и токовых цепей управления. Вы можете использовать расположение заземления питания и заземления управления, чтобы свести к минимуму эти помехи. Старайтесь, чтобы основания для каждого каскада источника питания были разделены. Если вам нужно разместить их вместе, убедитесь, что они находятся ближе к концу вашего пути снабжения.Если ваша заземляющая пластина находится в среднем слое вашей платы, включите путь с небольшим импедансом, чтобы предотвратить помехи в цепи питания.

Аналогичным образом вы должны разделять цифровое и аналоговое заземления. Старайтесь, чтобы аналоговые линии пересекали аналоговую землю, чтобы уменьшить емкостную связь.

 

2. Конструкция гусеницы

Этот шаг также включает в себя подключение сигнальных дорожек в соответствии с вашей схемой. Вы всегда хотите, чтобы ваши следы были как можно более короткими и прямыми.Если у вас есть горизонтальная трассировка на одной стороне печатной платы, разместите вертикальные дорожки на другой стороне.

Для вашей платы может потребоваться несколько цепей с разными токами, которые будут определять необходимую ширину цепи. На этом шаге может помочь калькулятор ширины трассы. Тонкие дорожки могут нести только ограниченный ток. Дорожки толщиной 0,010 дюйма или 10 мил могут выдерживать ток всего около одного ампера, в то время как дорожка толщиной 250 мил может выдерживать до 15 ампер при повышении температуры на 30 градусов по Цельсию.

 

3. Размеры площадки и отверстия

Вам также потребуется определить размеры контактных площадок и отверстий в начале процесса проектирования печатной платы. По мере того, как размер площадок и отверстий уменьшается, становится все более важным получить правильное соотношение размеров площадок и отверстий. Это особенно критично при работе с переходными отверстиями. Производитель голых печатных плат может предоставить рекомендации по стандартам и соотношению сторон, которые им требуются.

Другим важным фактором является форма контактных площадок печатной платы.Размеры печатных плат могут варьироваться в зависимости от производственного процесса. Волновая пайка обычно требует больших площадей, чем, например, инфракрасная пайка оплавлением.

 

4. Целостность сигнала и проблемы с РЧ Конструкция печатной платы

играет решающую роль в обеспечении целостности сигнала и предотвращении электрических проблем, таких как помехи, часто называемые радиочастотными помехами или электромагнитными помехами.

Избежание этих проблем во многом зависит от того, как вы прокладываете свои трассировки.Во избежание проблем с сигналом избегайте параллельного расположения дорожек. Параллельные дорожки будут иметь больше перекрестных помех, что может вызвать различные проблемы, которые трудно исправить после сборки печатной платы. Если дорожки должны пересекаться друг с другом, убедитесь, что они делают это под прямым углом. Это уменьшит емкость и взаимную индуктивность между линиями, что, в свою очередь, уменьшит перекрестные помехи.

Использование полупроводниковых компонентов, генерирующих слабое электромагнитное излучение, также может способствовать целостности сигнала.Однако иногда для других нужд могут потребоваться детали с более высокой электромагнитной генерацией.

При проектировании печатной платы следует исключить антенны, которые могут излучать электромагнитную энергию, а также большие контуры сигнальных и обратных линий, передающих высокие частоты. Вы должны тщательно размещать интегральные схемы, чтобы получить короткие линии межсоединений.

Размещение плотной сетки заземления над печатной платой является еще одним важным правилом проектирования компоновки ВЧ печатной платы, которое помогает обеспечить близкое расположение обратных линий к сигнальным линиям.Это сохраняет эффективную площадь антенны относительно небольшой. В многослойной плате этого можно добиться с помощью заземляющего слоя.

 

5. Тепловые проблемы

Проблемы с температурой могут повлиять на многие аспекты процесса проектирования. Большие платы и платы с более высокой плотностью компонентов и более высокими скоростями обработки, как правило, имеют больше проблем, связанных с нагревом. Для небольших плат они могут не вызывать беспокойства, но для более продвинутых могут стать серьезной проблемой.

Чтобы предотвратить проблемы, связанные с нагревом, необходимо дать теплу рассеяться. Во-первых, определите компоненты, которые выделяют много тепла. Вы должны быть в состоянии найти рейтинги термического сопротивления каждого компонента в его техническом описании. Затем вы можете следовать рекомендуемым рекомендациям по отводу тепла от этого компонента.

Убедитесь, что вокруг всех компонентов, которые могут нагреваться, достаточно места. Чем больше тепла они производят, тем больше площади им нужно для охлаждения. Также крайне важно не размещать важные компоненты рядом с источниками тепла.

В идеале вся плата должна иметь одинаковую рабочую температуру. Используйте теплопроводящие плоскости для рассеивания тепла на большой площади, что ускоряет скорость снижения температуры за счет увеличения площади поверхности, используемой для передачи тепла.

Если проблемы с температурой для вашей платы существенны, вам может потребоваться установка охлаждающих вентиляторов, радиаторов и тепловых заглушек, которые имеют решающее значение для пайки волной припоя на многослойных платах и ​​сборках с высоким содержанием меди. Вы можете создавать радиаторы, используя теплоотводящую пасту, полимер, наполненный мелкодисперсными твердыми частицами.Вы можете нанести эту пасту с помощью трафаретной или трафаретной печати. После процесса сушки или выпечки он фиксируется и действует как теплоотвод.

Всегда рекомендуется использовать термозащиту на компонентах со сквозными отверстиями, что снижает скорость отвода тепла через пластины компонентов. Как правило, используйте шаблон теплового рельефа каждый раз, когда переходное отверстие или отверстие соединяется с заземлением или плоскостью питания. Вы также можете использовать каплевидные формы в местах соединения дорожек и прокладок, чтобы обеспечить дополнительную поддержку и снизить термическую нагрузку.

 

Важность тестирования

На протяжении всего процесса проектирования печатных плат, а также остального процесса изготовления печатных плат вы должны постоянно проверять свою работу. Выявление проблем на ранней стадии поможет свести к минимуму их влияние и снизить затраты на их устранение.

Вы должны выполнить два общих теста: проверку электрических правил и проверку правил проектирования. Эти тесты помогут вам решить многие из наиболее серьезных проблем, с которыми вы можете столкнуться.

После того, как вы сможете без проблем пройти тесты ERC и DRC, вы должны проверить маршрутизацию каждого сигнала и детально сравнить вашу плату со схемой.

 

Решение проблем с компоновкой печатной платы с помощью CAD

Сегодня большинство проектировщиков печатных плат используют передовые системы автоматизированного проектирования (САПР) для создания своих печатных плат. Точно так же производители используют программное обеспечение для автоматизированного производства. Использование этих систем может помочь вам решить многие проблемы макета, с которыми вы можете столкнуться.Некоторые из преимуществ использования этих программных систем включают в себя:

  • Простые, полуавтоматические процессы проектирования: Программы САПР позволяют перетаскивать компоненты туда, где они нужны для вашего проекта. Многие системы даже создают для вас трассировки, после чего вы можете перемещать, добавлять или удалять компоненты или перенаправлять их по мере необходимости. Такой подход может повысить эффективность и точность процесса проектирования.
  • Проверка проекта: Перед отправкой проекта на этап производства вы можете протестировать его с помощью системы САПР, чтобы проверить допуски, совместимость, размещение компонентов и другие аспекты.Многие системы могут даже обнаруживать основные ошибки в режиме реального времени, сводя к минимуму или устраняя их влияние.
  • Генерация производственных файлов: Вы можете создавать файлы Gerber и файлы других форматов, которые могут потребоваться для отправки производителю с помощью системы САПР. Создание этих файлов непосредственно из программного обеспечения для проектирования может помочь повысить их точность и обеспечить плавный переход к стадии производства.
  • Документация: Вы также можете использовать эти системы для создания и сохранения подробной документации, касающейся использования компонентов, отчетов об ошибках, состояния проекта, контроля версий и многого другого, что может помочь в будущих проектах.
  • Создание правил: Некоторые из этих программ позволяют создавать и сохранять пользовательские наборы правил, которыми вы можете поделиться с разработчиками для улучшения функциональности программного обеспечения.
  • Создание шаблона: Вы даже можете создавать шаблоны для использования в будущих проектах. Создав дизайн, вы можете сохранить его и повторно использовать в качестве шаблона для других проектов.
  • Повышение эффективности и снижение затрат: Внедрение автоматизированного проектирования в ваши операции может повысить эффективность и точность процесса проектирования, что снижает общие затраты.

 

Выбор поставщика печатных плат

Нужны печатные платы? Millennium Circuits Limited — ваш надежный источник. У нас есть ряд возможностей печатных плат, которые, несомненно, удовлетворят потребности вашего проекта, и мы гордимся тем, что обеспечиваем превосходное обслуживание клиентов. Мы предлагаем как отечественные, так и офшорные печатные платы, поэтому мы можем предоставить несколько вариантов финансирования и быстрые сроки выполнения работ. Независимо от того, какое решение вы выберете, вы можете быть уверены, что получите печатные платы только самого высокого качества.

Чтобы узнать больше о наших услугах по изготовлению печатных плат и о том, как они могут помочь вашему бизнесу, запросите расценки, указав подробную информацию о вашем проекте, включая файл Gerber. Мы также предлагаем бесплатную проверку дизайна через наш веб-сайт, чтобы вы могли быть уверены, что ваш дизайн готов к производству. Чтобы узнать больше о MCL и наших многочисленных возможностях, свяжитесь с нами, запросите расценки или продолжите изучение нашего веб-сайта сегодня.

 

 

Основные правила проектирования печатных плат и советы

Почему необходимо соблюдать правила проектирования печатных плат

Соблюдение правил проектирования печатных плат необходимо для разработки высокоскоростной печатной платы.Использование правильных правил проектирования помогает предотвратить ненужные затраты на печатные платы и задержки. Обычно при разработке нового дизайна печатной платы можно игнорировать правила проектирования, поскольку большую часть времени вы уделяете выбору компонентов и проектированию схемы. Если вы не будете следовать каждому правилу, это может привести к созданию плохого дизайна от физической реальности до цифровой области. Чтобы печатная плата была адаптирована к удовлетворительным требованиям, необходимо следовать правильным рекомендациям. Зачем следовать этим рекомендациям по проектированию печатных плат? Что ж, чтобы помочь понять, почему людям необходимо следовать этим рекомендациям, правила проектирования можно разделить на несколько разделов, например:

Руководство по ограничениям платы

Эти рекомендации связаны с ограничениями общей формы платы, размера и некоторых аспектов дизайна. которые влияют на концепцию или дизайн печатной платы.Это влечет за собой выбор эталонного центра, который приносит пользу процессу производства печатных плат. Причина этого в том, что на плате должны быть контрольные точки или отверстия, которые используются для тестовых приспособлений и машин для установки и захвата. Это также помогает обеспечить достаточное количество земли на плате для схемы. В большинстве случаев размеры доски объясняются размером изделия; однако перед изготовлением печатных плат необходимо оценить размер платы. Также будет легко оценить слои, необходимые для разработки печатной платы в начале проектирования.Если включено больше слоев, то общая стоимость производства возрастет. Еще в начале проектирования крайне важно подумать о том, как будет монтироваться печатная плата.

Общее руководство по компоновке

Общая компоновка печатной платы должна быть проверена до начала работы над основным проектом. Это можно сделать, нарисовав и просмотрев расположение различных цепей. Одной из начальных частей разводки печатной платы является набросок основных элементов.Это помогает запускать основные треки, а также выбирать лучший дизайн.

Руководство по проектированию дорожек

Факторы дорожек на печатной плате необходимо учитывать на начальном этапе, поскольку они являются компромиссными. Это важно, особенно если вы задумываетесь о стандартной ширине колеи, которая уравновешивает размер колеи. Короткое замыкание может произойти, если используемая дорожка расположена слишком близко или слишком узко. В качестве альтернативы, если дорожки расположены далеко друг от друга, это может повлиять на номер дорожки.

Борьба с температурными проблемами

Хотя для некоторых небольших печатных плат тепловые проблемы не вызывают больших проблем, при высокой плотности компонентов и более высоких скоростях обработки для современных печатных плат, эта тепловая проблема, вероятно, может быть препятствием.Таким образом, правилом является наличие достаточного места для охлаждения горячих компонентов.

Правила проектирования печатных плат для аналоговых схем

Для успешного проектирования печатных плат необходимо соблюдать несколько правил. Это в равной степени сделано как для цифровых, так и для аналоговых раскладок. Вот несколько основных правил, которые необходимо соблюдать при разработке аналоговых схем.

1. Обеспечьте плотное размещение компонентов

Сигналы аналоговых цепей должны быть прямыми и короткими.Чтобы достичь этого трюка, вы должны обеспечить плотное размещение элементов для частей, требующих аналоговых компонентов. Важность покупки этой идеи состоит в разделении цифровых и аналоговых схем и упрощении прямой маршрутизации. Кроме того, не забудьте расположить шумящие аналоговые компоненты по центру, а не по периметру платы. Это позволит схемам и заземляющим слоям на печатной плате помочь уменьшить часть этого шума.

2. Наличие секции, разделяющей цифровые и аналоговые схемы

Причина наличия отдельной секции между цифровыми и аналоговыми компонентами заключается в том, что эти компоненты могут влиять друг на друга из-за шума.При разделении этих двух компонентов вы должны избегать прокладки следов высокоскоростных цифровых компонентов через секции аналоговой схемы. Шум цифрового сигнала может влиять на аналоговую схему и наоборот.

3. Поддерживайте короткие сигналы

Сигналы должны поддерживаться короткими, поскольку несоответствие импеданса вызывает отражения на более высоких частотах в аналоговом сигнале. Это может привести к возникновению электромагнитных помех в других элементах печатной платы.Правильный способ защитить плату — рассмотреть возможность прямой и короткой прокладки аналогового сигнала. Затем вы можете убедиться, что дорожки компонентов расположены на одном слое, и это поможет минимизировать переходные отверстия и уменьшить индуктивность схемы.

4. Использование аналогового заземления

Цифровая заземляющая плоскость платы будет обрабатывать возврат цифрового сигнала и фильтровать ответвление, возникающее в результате быстрого переключения цифровых компонентов. Эти задачи могут создать большие помехи для аналоговых схем.Поэтому идеальной идеей является разработка отдельного или отдельного заземляющего слоя. Аналоговые и цифровые заземляющие плоскости могут быть соединены в центральной точке; однако важно обеспечить их изоляцию.

5. Обеспечьте чистоту обратных путей аналогового сигнала

При разработке печатной платы для аналоговой схемы вы убедитесь, что аналоговые сигналы не только направляются с прямыми и короткими дорожками компонентов, но вы также захотите создать сигнал обратные пути. В большинстве случаев проектировщики печатных плат препятствуют потоку обратного пути с помощью плоскостных разъемов, переходных отверстий, прорезей или вырезов.Это препятствие вынуждает обратный аналоговый сигнал перемещаться вблизи заземляющего слоя, пытаясь найти кратчайший и прямой путь обратно к точке его происхождения. Этот процесс приводит к развитию ненужного шума.

Правила проектирования печатных плат SMD

Знаете ли вы, что разводка SMD-компонентов очень похожа на схему электросети? Что ж, если вы поддерживаете небольшое количество трасс и хорошее расстояние между компонентами, то легко пройти маршрут по поверхности.Но если у вас есть многокомпонентные графики, вам придется оставить некоторые дорожки, возможно, ниже поверхности платы через переходные отверстия. Если вы дизайнер, вы должны стремиться к правильному использованию пространства. Этого можно достичь, оценив тип маршрутизации для компонентов SMD. Для достижения этой цели вам придется следовать правилам проектирования SMD-печатных плат, лучше понимая варианты выбора компонентов и трассировки.

Правило выбора компонентов

Знайте правильный тип упаковки компонентов SMD для использования в SMD или сквозных отверстиях.Выбор, который вы сделаете, будет определять сборку печатной платы и изготовление платы. Несмотря на это, когда размер является аспектом, SMD должны быть включены и классифицированы на основе типа или размера корпуса. Правильный и распространенный размер корпуса для пассивных устройств: 0402.

Варианты маршрутизации Правило

Выбор маршрута зависит от выбранного вами типа SMD-корпуса. Однако на ваш выбор также может повлиять сложность маршрута и пространство разветвления. При поиске доступных вариантов разводки вам нужно будет тщательно выбирать правильные компоненты SMD на поверхности печатной платы.Доступны следующие варианты: односторонняя трассировка печатных плат и двусторонняя трассировка печатных плат. Для односторонней схемы маршрутизации используются наиболее ограниченные и простые схемы. Для этого требуется достаточный зазор для дорожек, края платы, компонентов и просверленных отверстий. Для элементов с адекватным разветвлением поверхности, таких как плоский корпус, достаточное пространство может быть жизненно важным. Для двухсторонней трассировки печатных плат использование нижней и верхней поверхностей дает значительную площадь для трассировки и компонентов.Это идеально, особенно для поверхностного разветвления, но существуют аналогичные препятствия.

Советы по проектированию двухслойных печатных плат

Многие платы для проектирования двухслойных печатных плат имеют ограниченную производительность. Обычно сложно развести корпус BGA, такой как высокопроизводительный микропроцессор или FPGA, на двухслойной печатной плате. Речь идет не о высоких концевых платах печатных плат, а о нескольких потребительских микроконтроллерах, продуктах и ​​приложениях IoT, созданных на двухслойной печатной плате. Хорошо, что создавать эти доски легко, если вы будете следовать приведенным ниже советам.

1. Используйте силовые дорожки шириной 20 мил, сигнальную дорожку шириной 6 мил и диаметр сверления 13 мил

Каждый проектировщик хочет использовать небольшие элементы без дополнительных затрат для достижения максимальной плотности трассировки. Вы можете счесть, что дорожка сигнала шириной 6 мил слишком мала; однако он выдерживает 1 А постоянного тока. Он также обладает сопротивлением 80 мОм/дюйм в массе около 1 унции меди. Для силовых дорожек шириной 20 мил он может использовать 3 А постоянного тока. Он также обладает сопротивлением 25 мОм/дюйм.

2. Пути питания и сигнала на первом уровне, компоненты маршрута и возврат по земле на втором уровне

Если в трассе есть прогрессивный обратный путь, его можно сделать длиннее без влияния на производительность.Хитрость заключается в использовании обратного пути под одной линией. Простой метод заключается в использовании мощного заземляющего слоя под платой.

3. Регулировка компонентов для менее перегруженной трассировки и разнесенных трасс сигналов

Вы можете рассмотреть возможность трассировки сигналов, чтобы свести к минимуму пересечение линий, если у вас есть размещение элементов. Следы обладают высоким импедансом характеристики, и, поскольку они расположены далеко от плоскости возврата, пересечение будет зарегистрировано. Если промежутки между сигналами ближе, то пересечение будет больше.

4. Сделайте короткий маршрут на нижнем слое. Если сложно сделать маршрут коротким, включите возвратный ремень

Общая идея заключается в том, чтобы найти идеальную конструкцию и обеспечить обратный путь с низким импедансом во всех сигнальных линиях. Это необходимо для того, чтобы взаимная индуктивность в обратном пути сигнала поддерживалась на низком уровне.

5. Развязывающие конденсаторы следует размещать рядом с выводом питания микросхемы.

Используйте конденсатор огромных размеров в маленьком корпусе с номинальным напряжением, в 2 раза превышающим требуемое для рельсового применения.Обычно используется конденсатор 22 мкФ MLCC. Величина емкости зависит от тока, потребляемого развязываемыми элементами. Если вы не исследуете, рассмотрите 22 мкФ.

6. Если возможно, создайте один возврат для каждого цифрового сигнала на всех разъемах.

Шум при переключении или дребезг земли в значительной степени обусловлен несколькими сигналами, выделяющими одинаковые контакты возврата. В некоторых разъемах можно использовать один или два возвратных контакта с переключением нескольких сигналов. В основном это относится к отскоку от земли.

7. Не придерживайтесь общих рекомендаций

Это означает, что вам следует избегать использования трех разных конденсаторов 1 мкФ, 10 мкФ и 0,1 мкФ для контакта питания. Их использование не решает никаких проблем. На самом деле, если продукт не разработан тщательно, он может добавить больше проблем. Вы можете рассмотреть возможность разводки трех конденсаторов, возможно, с низкой индуктивностью контура, чтобы все они добавляли 22 мкФ.

Кроме того, вам следует избегать использования медного наполнителя. Это не решает ни одной проблемы. Вы можете рассматривать мощность маршрутизации как трассировку, а не использовать мощность как наполнение сундука.

Правила проектирования 28-слойных печатных плат

Магазин печатных плат имеет богатый опыт проектирования многослойных печатных плат, здесь мы хотим поделиться с вами некоторыми знаниями о правилах проектирования 28-слойных печатных плат.


В этих 28 основных рекомендациях по проектированию печатных плат изложены передовые методы снижения стоимости ваших плат и минимизации риска ошибок, возникающих во время производства. Платы высокой мощности имеют другие правила, особенно в отношении расстояния, размера дорожек и изоляции питания. . У производителей разные требования; убедитесь, что вы прочитали их собственные рекомендации, прежде чем отправлять свой дизайн.Имена и форматы файлов также различаются в зависимости от производителя.

  1. Создайте рамку доски на сетке 0,05″. Сделайте так, чтобы нижний левый угол начинался с 0,0.

  2. Обычно рамка доски прямоугольная. По определенным причинам вы также можете создавать другие типы фигур, такие как многоугольники.

  3. Наклейте детали на сетку 0,05″. Вы не должны нарушать это правило, если у вас нет очень веской причины.

  4. На любом светодиоде должно быть указано его назначение (питание, состояние, D4, блокировка и т. д.).

  5. То же для разъемов: например, Vin, Port1, Batt, 5V и т. д. состояния переключения: например. Вкл., Выкл., USB и т. д.

  6. Когда применимо, при добавлении этикеток лучше избегать сквозных отверстий, проходящих через трафаретную печать.

  7. Сгруппировать компоненты вместе. Например, резисторы, окружающие транзистор на вашей схеме, также будут сгруппированы на печатной плате.

  8. Минимальный размер сверла должен быть 15 мил.

  9. Минимальный размер кольцевого кольца должен составлять 7 мил.

  10. мил — это минимальный размер трасс. 8 мил приемлемо. По возможности старайтесь, чтобы размер трасс не превышал 10 мил.

  11. Используйте более толстые дорожки для линий электропередач. 12 мил = макс. 100 мА, 16 мил = макс. 500 мА и т. д.

  12. Избегайте углов 90 градусов. Предпочтительны прямые линии с углами 45 градусов.

  13. Где применимо, используйте грунтовую заливку верхнего/нижнего слоев.

  14. Чтобы предотвратить замыкание заливки на трассы, убедитесь, что вы используете настройку изоляции 10 мил для любой заливки грунта.

Заключение

Как вы уже убедились, процесс изготовления печатной платы включает в себя трудоемкие этапы и должен выполняться с особой тщательностью. Если вы не выполните правильные шаги, производственный процесс повлияет на общую функциональность, производительность и долговечность.В качестве альтернативы, печатные платы, разработанные с использованием правильного процесса, обеспечат превосходную производительность и будут служить долго.

Если у вас есть какие-либо комментарии или предложения по этому сообщению, оставьте ответ здесь или свяжитесь с нами, и мы сделаем все возможное, чтобы помочь вам!

Связанные материалы: Производство многослойных печатных плат — до 40 слоев

Введение в компоновку печатной платы для EMC

Некоторые схемы изготовлены на крошечных кремниевых пластинах, а другие состоят из различных компонентов, соединенных кабелями.Тем не менее, схемы, которые часто находятся в центре внимания инженера по ЭМС, — это схемы, расположенные на платах из эпоксидной смолы из стекловолокна. Печатные платы, подобные показанной на рисунке 1, можно найти почти во всех электронных системах. Компоненты цепи с металлическими штырьками соединены медными дорожками . Компоненты для поверхностного монтажа (SMT) приклеиваются к верхней и/или нижней части платы. Компоненты Pin-in-hole крепятся к плате своими штырьками, которые проходят сквозь плату и припаяны к дорожкам на противоположной стороне.

На однослойных платах все дорожки проложены на одной стороне платы. Двухслойные доски имеют следы с обеих сторон. Многие платы имеют несколько слоев медных дорожек, разделенных слоями эпоксидной смолы из стекловолокна (или аналогичного диэлектрика). Такие платы называются многослойными. Количество слоев обычно четное. Четырехслойные платы очень распространены в недорогих продуктах. Платы с десятками слоев иногда используются для соединения плотно заполненных плат с большим количеством выводов компонентов.

Рис. 1: Печатная плата.

Многослойные платы обычно имеют целые слои со сплошными медными пластинами, предназначенными для распределения питания между компонентами на плате. Эти плоскости обычно называются по контактам компонентов, к которым они подключены. Например, медная пластина, соединяющая все контакты компонентов V CC с источником питания, часто называется плоскостью V CC .

Размещение компонентов и прокладка дорожек обычно играют решающую роль в определении электромагнитной совместимости продуктов, в которых используются печатные платы.Хорошо расположенные платы сами по себе не будут сильно излучать, и они хорошо справляются с минимизацией токов и полей, которые могут создавать помехи кабелям или другим объектам за пределами платы. Они также сконфигурированы так, чтобы свести к минимуму возможности для внешних токов или полей передавать мешающие сигналы на плату.

Стратегии компоновки печатных плат

Большинство разработчиков плат используют список рекомендаций, помогающих размещать компоненты и трассировать дорожки. Например, типичной рекомендацией может быть «минимизация длины всех трасс, несущих цифровой тактовый сигнал.» Часто дизайнер не знаком с причиной введения руководства или не до конца понимает последствия нарушения руководства для конкретного приложения.

Вопрос викторины

Предположим, вы разводите высокоскоростную многослойную печатную плату и вам необходимо провести дорожку, по которой проходит высокочастотный сигнал от цифрового компонента к аналоговому усилителю. Вы хотите свести к минимуму вероятность возникновения проблем с электромагнитной совместимостью (ЭМС), поэтому вы ищете в Интернете рекомендации по проектированию ЭМС и находите три рекомендации, которые, по-видимому, относятся к вашей ситуации:

  1.   минимизировать длину высокоскоростных трасс;
  2.  все сплошные плоскости между аналоговыми и цифровыми цепями всегда зазоры; и
  3.   никогда не допускайте, чтобы высокоскоростная трасса пересекала зазор в плоскости возврата сигнала.

Вы представляете три возможные стратегии маршрутизации, показанные на рис. 2. Первая стратегия маршрутизации направляет трассу непосредственно между двумя компонентами, но оставляет плоскость между ними сплошной. Вторая стратегия маршрутизации создает промежутки в плоскости, но трассирует трассу поверх промежутка. Третья стратегия маршрутизации направляет трассу вокруг разрыва. Каждая из этих альтернатив нарушает одно из правил. Какой лучший выбор?

Рисунок 2. Какая альтернатива маршрутизации трассировки является наилучшей?

Все ли альтернативы одинаково хороши, поскольку они удовлетворяют 2 из 3 рекомендаций? Все ли они плохие, потому что все они нарушают хотя бы одно правило? Это вопросы, с которыми разработчики печатных плат сталкиваются каждый день.Правильный выбор может быть разницей между платой, отвечающей всем требованиям, и платой, имеющей серьезные проблемы с излучением или чувствительностью. В этом случае один из вариантов намного лучше двух других. Однако прежде чем дать правильный ответ, давайте разработаем стратегию оценки разводки печатных плат. При правильной стратегии правильный ответ на этот вопрос викторины должен стать очевидным.

В этом учебном пособии мы рассмотрим 4 шага, которые должен выполнить каждый инженер по электромагнитной совместимости при компоновке печатной платы или рассмотрении существующего проекта платы.Эти шаги:

  • Выявление потенциальных источников и жертв электромагнитных помех
  • Определить пути критического тока
  • Определите потенциальные части антенны
  • Исследуйте возможные механизмы сцепления.

Если сначала выполнить шаги, описанные выше, решение о размещении компонентов и маршрутизации станет более ясным. Также должно быть гораздо более очевидным, какие рекомендации по дизайну наиболее важны, а какие вообще не важны для конкретного проекта.

Выявление потенциальных источников и жертв электромагнитных помех

Типичная печатная плата может иметь десятки, сотни или даже тысячи цепей. Каждая цепь является потенциальным источником энергии, которая в конечном итоге может быть непреднамеренно подключена к другим цепям или устройствам. Каждая цепь также является потенциальной жертвой непреднамеренно связанного шума. Тем не менее, некоторые схемы с гораздо большей вероятностью, чем другие, будут источником шума, а другие схемы с гораздо большей вероятностью станут жертвами. Инженеры по электромагнитной совместимости (и разработчики плат) должны уметь распознавать схемы, которые являются потенциально хорошими источниками, и те, которые потенциально наиболее уязвимы.Схемы, представляющие особый интерес, обсуждаются ниже.

Схемы цифровых часов

Синхронные цифровые схемы используют системные часы, которые должны быть отправлены каждому активному компоненту (на плате или вне ее), которому необходимо интерпретировать цифровой сигнал. Тактовые сигналы постоянно переключаются и имеют узкополосные гармоники. Они часто являются одними из самых мощных сигналов на печатной плате. По этой причине нередко можно увидеть пики узкополосного излучения на гармониках тактовой частоты, как показано на рисунке 3.

Рис. 3: Излучение изделия с тактовой частотой 25 МГц .

На этом рисунке в излучаемых помехах явно преобладают гармоники 25-мегагерцового тактового генератора. Минимальный уровень шума в диапазоне 200–1000 МГц представляет собой тепловой шум анализатора спектра, который использовался для измерения (с поправкой на коэффициент антенны). Для того, чтобы сделать этот продукт совместимым со спецификацией FCC или CISPR по излучаемому излучению класса B, необходимо уменьшить амплитуду тактового источника, сделать непреднамеренную «антенну» менее эффективной или ослабить тракт связи источник-антенна.

Цифровые сигналы

Большинство дорожек на цифровой печатной плате несут цифровую информацию, а не тактовые сигналы. Цифровые сигналы не такие периодические, как тактовые сигналы, и их случайный характер приводит к более широкополосному шуму. Цифровые сигналы, которые переключаются чаще, могут привести к излучению, подобному тактовым сигналам. Примером этого может быть младший значащий бит на адресной шине микропроцессора, поскольку переход по последовательным адресам может привести к переключению этого сигнала на тактовой частоте.Точная форма и сила излучения цифровых сигналов зависят от многих факторов, включая работающее программное обеспечение и используемую схему кодирования. Как правило, сигналы данных представляют собой менее проблемный источник, чем тактовые сигналы; однако высокоскоростные данные могут по-прежнему создавать значительное количество шума.

Цепи переключения питания

Импульсные источники питания и преобразователи постоянного тока генерируют различные напряжения, быстро включая и выключая ток в трансформаторе. Типичные частоты переключения находятся в диапазоне 10–100 кГц.Всплески тока, генерируемые этим переключением, могут создавать помехи для выходной мощности и других устройств на плате. Хотя этот шумовой сигнал относительно периодический (т. е. узкополосные гармоники), он проявляется как широкополосный шум во время испытаний на излучаемые помехи, поскольку расстояние между частотами гармоник меньше ширины полосы разрешения измерения.

Небольшой выступ в минимальном уровне шума на частоте около 120 МГц на рис. 3 вызван шумом переключения питания. В этом изделии шум переключения пренебрежимо мал по сравнению с тактовым шумом.Однако в других продуктах шум переключения мощности может доминировать, так как только верхние гармоники шума переключения попадают в диапазон частот, в котором измеряется излучаемое излучение. Шум переключения питания всегда можно уменьшить, уменьшив время перехода схемы переключения. Однако это снижает эффективность источника питания, поэтому предпочтительны альтернативные методы. Возможные решения обсуждаются в учебном пособии по кондуктивным электромагнитным помехам.

Аналоговые сигналы

Аналоговые сигналы могут быть широкополосными или узкополосными, высокочастотными или низкочастотными.Если на вашей плате используются аналоговые сигналы, рекомендуется ознакомиться с тем, как эти сигналы выглядят как во временной, так и в частотной областях. Работать с узкополосными высокочастотными аналоговыми сигналами может быть особенно сложно. К счастью, поскольку аналоговые сигналы, как правило, чувствительны к низким уровням шума, проблемы с целостностью сигнала обычно диктуют, что они расположены таким образом, чтобы свести к минимуму излучаемые помехи.

Трассы питания постоянного тока и низкоскоростные цифровые сигналы

Вообще говоря, мощность постоянного тока и низкоскоростные цифровые сигналы не имеют достаточной мощности на частотах излучаемого излучения, чтобы создавать проблемы.Тем не менее, эти следы часто являются источником наиболее серьезных проблем с излучением. Это связано с тем, что непреднамеренные высокочастотные напряжения и токи на этих дорожках могут быть такими же или даже больше, чем напряжения и токи на высокоскоростных дорожках.

Рис. 4: Ближнее магнитное поле над интегральной схемой в корпусе.

На рис. 4 показана карта ближнего магнитного поля над модулем динамической памяти с произвольным доступом, обычно используемым в персональных компьютерах.Ближнее магнитное поле обеспечивает индикацию токов, протекающих в выводной рамке корпуса компонентов. Частота измерения – третья гармоника тактовой частоты. Обратите внимание, что от контактов источника питания постоянного тока потребляется больше тока, чем от сигнальных контактов.

Рис. 5: Рядом с магнитным полем над микропроцессором.

На рис. 5 показан аналогичный график ближних магнитных полей над микропроцессором, реализованным в программируемой пользователем вентильной матрице (FPGA).На этом рисунке мы видим, что токи, вводимые в некоторые низкоскоростные адресные линии, почти такие же сильные, как токи в тактовом сигнале.

Как высокочастотные токи и напряжения появляются на низкочастотных линиях передачи данных? Это может произойти несколькими способами. Большинство из них связано с конструкцией и компоновкой интегральных схем (ИС), подключенных к этим дорожкам. Некоторые микросхемы хорошо справляются с сдерживанием внутреннего шума, а другие нет. Плохая конструкция может привести к высокочастотным колебаниям напряжения на каждой входной и выходной дорожке, подключенной к ИС.Хороший дизайн может быть относительно тихим.

При компоновке печатной платы с незнакомой ИС, которая внутренне тактируется с высокой частотой, рекомендуется рассматривать каждый вывод на этой ИС, как если бы это был высокочастотный источник с теми же характеристиками, что и внутренние часы. . В противном случае силовые или низкоскоростные цифровые трассы могут быть наиболее значительными источниками излучаемых помех.

Определение текущих путей

Возможно, самое важное различие между разработчиками цифровых схем и инженерами по ЭМС заключается в том, что инженеры по ЭМС (и целостности сигналов) уделяют пристальное внимание токам, протекающим в цепи, а также напряжениям.Это очень важный момент. Большинство плохих проектов являются прямым результатом пренебрежения тем, где могут протекать сигнальные токи.

Хотя это уже обсуждалось в предыдущем разделе, тема идентификации пути тока настолько важна для хорошего проектирования печатной платы, что здесь стоит рассмотреть основные концепции. Прежде всего,

  1. Ток течет по петлям.

То же самое количество тока, которое вытекает из одной стороны источника, должно быть втянуто с другой стороны.Также

  2. Ток идет по пути наименьшего сопротивления.

На низких частотах (кГц и ниже) импеданс определяется сопротивлением, поэтому ток идет по пути наименьшего сопротивления. На высоких частотах (МГц и выше) в импедансе преобладает индуктивность, поэтому ток идет по пути наименьшей индуктивности.

Рассмотрим компоновку печатной платы, показанную на рис. 6. Сигнал частотой 50 МГц распространяется по дорожке над плоскостью от компонента A к компоненту B. Мы знаем, что, следовательно, от компонента B к компоненту A должен течь равный ток.В этом случае мы предположим, что этот ток выходит из вывода компонента B, помеченного как GND, и возвращается к выводу компонента A, помеченному как GND. Поскольку обеспечивается сплошная плоскость, а заземляющие контакты обоих компонентов расположены близко друг к другу, возникает соблазн сделать вывод, что ток проходит между ними по кратчайшему пути. Однако теперь мы знаем, что это неверно. Высокочастотные токи идут по пути наименьшей индуктивности или по пути наименьшей площади контура. Таким образом, большая часть сигнального тока, возвращающегося на плоскость, течет по узкому пути (путь 2) непосредственно под сигнальной дорожкой.

Рис. 6. Какой путь проходит сигнал обратного тока?

Если по какой-либо причине плоскость будет иметь зазор, как показано на рис. 7, зазор в положении 2 мало повлияет на целостность сигнала или на излучаемые помехи. Однако пробел в позиции 1 может привести к серьезным проблемам. Ток, возвращающийся на плоскость под трассой, вынужден огибать разрыв. Это значительно увеличивает площадь сигнального контура.

На низких частотах (как правило, кГц и ниже) сопротивление плоскостей имеет тенденцию рассеивать ток, так что ток, протекающий между двумя удаленными точками, может охватывать большую часть платы, как показано на рисунке 8.На платах смешанных сигналов с низкочастотными аналоговыми и цифровыми компонентами это может создать проблемы. На рис. 9 показано, как удачно расположенный зазор в плоскости заземления может защитить схемы, расположенные в определенной области платы, от низкочастотных обратных токов, протекающих в плоскости.

Рис. 7. Какое положение зазора влияет на протекание обратного тока сигнала?

Рис. 8. Цепь низкочастотного обратного тока

Рис. 9: Низкочастотный обратный ток с плоскостью с зазором .

Идентификация антенн

В разделе, посвященном электромагнитному излучению, указано, что для эффективного излучения большинства непреднамеренных антенн, с которыми сталкивается инженер по электромагнитной совместимости, должны быть соблюдены три основных условия:

  1. Антенна должна состоять из двух частей;
  2. обе части не должны быть электрически малы;
  3. что-то должно индуцировать напряжение между двумя частями.

Большинство печатных плат электрически малы на частотах ниже примерно 100 МГц (λ> 3 метра).Это означает, что любые эффективные части антенны должны быть относительно большими по сравнению с большинством компонентов платы. Как правило, на низких частотах единственными жизнеспособными частями антенны являются присоединенные кабели и/или металлическое шасси. Если печатная плата размещена таким образом, что сводит к минимуму возможность наведения напряжения между любыми двумя из этих возможных частей антенны, то вероятность возникновения проблемы излучаемого излучения или восприимчивости к излучению гораздо ниже.

На рис. 10 показаны два макета печатных плат.Разъемы и соединения шасси представляют собой возможные эффективные части антенны. Схема № 2 с меньшей вероятностью будет иметь проблемы с излучаемой связью на частотах ниже 100 МГц, поскольку менее вероятно возникновение значительного напряжения между любыми двумя проводниками, способными служить эффективной антенной. Этого удалось добиться, просто разместив два разъема на одной стороне платы.

Рис. 10. Два макета печатной платы.

На частотах выше 100 МГц длины волн короче, и становится более вероятным, что объекты, установленные на плате (или сама плата), могут служить эффективными частями антенны.Тем не менее, даже на частотах до нескольких ГГц эти части антенны должно быть относительно легко обнаружить. Например, на частоте 1 ГГц длина волны в свободном пространстве составляет 30 см. Четверть длины волны равна 7,5 см. Следовательно, эффективная часть антенны должна иметь длину не менее нескольких сантиметров и управляться относительно чего-то такого же или большего размера. Напомним, что дифференциальные токи (токи, обратный путь которых находится поблизости) являются относительно неэффективными источниками излучения. Это означает, что трасса, лежащая прямо рядом с текущим обратным путем или над ним, не является хорошей частью антенны.Итак, если одна половина нашей антенны представляет собой металлическую плоскость на плате, другая половина должна торчать вверх и в сторону от плоскости. Это помогает сделать эти части антенны легко идентифицируемыми даже на относительно высоких частотах. В Таблице 1 перечислены общие части антенн, которые можно найти на печатных платах выше и ниже 100 МГц.

Таблица 1: Объекты на печатной плате, которые могут быть или не быть частями исправной антенны .

Хорошие детали антенны

Некачественные детали антенны

< 100 МГц

> 100 МГц

< 100 МГц

> 100 МГц

кабели

радиаторы

силовые самолеты

микрополосковые или полосковые дорожки

микрополосковые или полосковые дорожки

высокие компоненты

все, что не большое

швы в защитных кожухах

Идентификация механизмов сцепления

Как только мы идентифицировали потенциальные источники или жертвы и потенциальные антенны, хорошая компоновка платы — это просто вопрос сведения к минимуму связи между ними.Ранее мы узнали, что существует всего 4 категории возможных механизмов электромагнитной связи:

  • Кондуктивная муфта,
  • Муфта электрического поля
  • Муфта магнитного поля
  • Радиация.

Поскольку мы говорим о соединении между источником и его антенной на одной и той же печатной плате, у нас вряд ли будет радиационная связь. Следовательно, нам нужно рассмотреть только три механизма связи.Кондуктивная связь будет иметь место только в том случае, если идентифицированный нами источник непосредственно воздействует на одну исправную часть антенны относительно другой. Примером кондуктивной связи может быть трасса сигнала, достаточно длинная, чтобы быть эффективной частью антенны, управляемой относительно плоскости возврата сигнала, но не проложенной над этой плоскостью. В этом случае источником будет источник сигнала, а антенной будет пара трасс-плоскость. Ясно, что высокочастотные сигналы, подаваемые непосредственно на дорожки или другие проводники, должны возвращаться к их источнику по другим проводникам, которые находятся поблизости, чтобы избежать излучаемых излучений из-за прямой кондуктивной связи между источником и антенной.

Кондуктивную связь, как правило, легко обнаружить после идентификации источника и частей антенны. Однако механизмы взаимодействия полей, как правило, менее очевидны. Чтобы сделать связь поля немного более интуитивной, удобно думать о связи электрического поля как о связи, пропорциональной напряжению источника ( управляемое напряжением ), а о связи магнитного поля как о связи, пропорциональной току источника ( ). текущий управляемый ).

Рис. 11: Соединение дорожки печатной платы с радиатором.

Муфта, управляемая напряжением

Пример управляемой напряжением связи, приводящей к излучаемым помехам, показан на рис. 11(a), на котором показана трасса сигнала, проложенная под радиатором. Если радиатор не является электрически маленьким, он потенциально является эффективной частью антенны. Металлические пластины платы — еще одна потенциальная часть антенны. Трасса не соединяется напрямую с радиатором, поэтому нет кондуктивного пути связи. Однако напряжение на дорожке может управлять радиатором относительно платы, поскольку линии электрического поля между дорожкой и платой пересекаются радиатором, как показано на рис. 11(b).Эта связь электрического поля может быть представлена ​​емкостями, как показано на рисунке 11(c). Напряжение, индуцируемое на радиаторе относительно платы, определяется выражением

.

Обычно разработчики плат избегают прокладки высокоскоростных сигнальных дорожек непосредственно под большими радиаторами. Другой более распространенный пример связи, управляемой напряжением, показан на рис. 12. Активный компонент зажат между печатной платой и радиатором. Опять же, ни плата, ни радиатор не являются электрически малыми на интересующей нас частоте.Среднее напряжение на компоненте не равно напряжению на плате из-за того, что компонент пропускает высокочастотный ток через конечную индуктивность соединения, как показано на рис. 12(а). Это напряжение приводит в движение поверхность компонента относительно поверхности платы, как показано в модели на рисунке 12(b). Прямой связи между радиатором и источником нет, поэтому мы не можем иметь кондуктивную связь. Однако емкость между поверхностью компонента и радиатором обеспечивает непрямую (электрическое поле) связь.

Рис. 12: Напряжение компонента, управляющего радиатором относительно печатной платы.

Обратите внимание, что в данном случае это был ток, управляющий индуктивностью, которая создавала напряжение источника. Другими словами, в процессе связи участвовало магнитное поле. Тем не менее, поле, связывающее компонент с антенной, представляет собой электрическое поле, а излучаемые излучения пропорциональны напряжению компонента относительно платы. Поэтому мы по-прежнему называем это связью, управляемой напряжением.

Токоуправляемая муфта

Когда связь между источником и антенной возникает из-за магнитного поля и пропорциональна току сигнала, это называется связью , управляемой током . Разработчики схем часто думают о сигналах с точки зрения напряжений и, следовательно, с меньшей вероятностью непреднамеренно управляют хорошей антенной сигнальным напряжением. Однако, если они пренебрегают тем, куда текут токи, есть большая вероятность, что их конструкция может управлять двумя хорошими частями антенны с помощью магнитного поля.

Очень распространенный пример связи, управляемой током, показан на рис. 13. Во всем остальном хорошо спроектированная плата имеет разъемы, прикрепленные к каждой стороне. Предположим, что кабели идеально экранированы, а экраны кабелей подключены к «земле» на печатной плате. Цепь, состоящая из одной микрополосковой дорожки, заведенной на одном конце и заделанной на другом конце, расположена между двумя разъемами.

Мы уже знаем, что микрополосковые трассы не являются эффективными источниками излучения, поэтому единственными возможными частями антенны в этой конструкции являются два экрана кабеля, и они оба «заземлены».Мы ожидаем, что две части антенны будут иметь одинаковый потенциал, потому что они соединены друг с другом широкой медной плоскостью. Однако помните, что важным требованием к «заземляющему» проводнику является то, что по нему не должны протекать преднамеренно питающие или сигнальные токи.

Рисунок 13: Пример управляемой током муфты на печатной плате.

Как показано на рис. 13(b), «земля» в этой конструкции действительно несет сигнальные токи. Фактически ток, протекающий по плоскости, создает магнитный поток, который обтекает плоскость.Если мы рассмотрим два кабеля как части антенны и представим путь тока антенны через импеданс антенны, показанный на рисунке 13(c), станет очевидным, что токи, протекающие в цепи микрополосковой дорожки, индуцируют напряжение на плоскости, которое приводит в движение один кабель относительно другого.

Хотя верно то, что напряжения, индуцированные в плоскости, обычно на несколько порядков ниже, чем напряжения сигналов, нескольких милливольт шума на эффективной антенне достаточно, чтобы превысить требования FCC и CISPR к излучаемым помехам.Фактически, когда высокоскоростные цифровые компоненты расположены между разъемами на плате в неэкранированном изделии, очень сложно выполнить требования по излучаемым помехам. С другой стороны, когда два разъема расположены рядом друг с другом, маловероятно, что магнитные поля будут индуцировать достаточное напряжение между ними, чтобы вызвать проблему.

Прямое соединение с вводом/выводом

Хотя, строго говоря, это не независимый механизм связи, распространенной проблемой, возникающей при разводке печатных плат, является связь от источников шума непосредственно с дорожками, способными отводить этот шум от платы.Пример этого показан на рис. 14. Трасса с умеренной скоростью проложена рядом с другой трассой, которая подключается к разъему. Напряжения и/или токи, передаваемые от одной дорожки к другой (через электрические или магнитные поля), могут распространяться по дорожке ввода-вывода и за пределы платы. В примере, показанном на рисунке, две части антенны могут быть либо кабелем ввода-вывода, проложенным относительно платы, либо одним проводом в кабеле ввода-вывода, проложенным относительно другого.

Рис. 14: Возможная проблема со сцеплением.

Вы можете подумать, что это редкая проблема, потому что она довольно очевидна, как только вы ее увидите. Однако на плате с сотнями или тысячами дорожек, проложенных автотрассировщиком, такая ситуация возникает чаще, чем следовало бы. Если ваш автотрассировщик не может проверить трассы ввода-вывода, проложенные рядом с высокоскоростными трассами, то это следует сделать вручную. То же самое относится и к трассам ввода-вывода, проложенным вблизи трасс, подключенных к уязвимым входам, поскольку самый простой способ проникновения излучаемых шумов на плату — через ввод-вывод.

Руководство по проектированию печатных плат

Как указывалось ранее в этих примечаниях, многие разработчики плат используют список рекомендаций, помогающих размещать компоненты и трассировать дорожки. Теперь, когда мы знаем немного больше об источниках шума, антеннах и механизмах связи на печатных платах, мы можем более подробно рассмотреть некоторые из этих рекомендаций по проектированию и понять, почему и когда они важны. Ниже приведен список из 16 руководств по проектированию ЭМС для печатных плат с кратким обоснованием каждого из них.

1. Длины трасс, передающих высокоскоростные цифровые сигналы или часы, должны быть сведены к минимуму.

Высокоскоростные цифровые сигналы и часы часто являются самыми сильными источниками шума. Чем длиннее эти следы, тем больше будет возможностей отводить энергию от этих следов. Помните также, что площадь петли, как правило, более важна, чем длина трассы. Убедитесь, что рядом с каждой дорожкой имеется хороший обратный путь высокочастотного тока.

2.Длина дорожек, подключенных непосредственно к разъемам (трассы ввода-вывода), должна быть минимизирована.

Следы, подключенные непосредственно к разъемам, являются вероятными путями для передачи энергии на плату или за ее пределы.

3. Высокочастотные сигналы не должны проходить под компонентами, используемыми для ввода/вывода платы.

Проводники, проложенные под компонентом, могут емкостно или индуктивно передавать энергию этому компоненту.

4. Все разъемы должны располагаться на одном краю или на одном углу платы.

Разъемы

представляют собой наиболее эффективные части антенны в большинстве конструкций. Размещение их на одном краю платы значительно упрощает управление синфазным напряжением, которое может управлять одним разъемом относительно другого.

5. Между разъемами ввода-вывода не должны располагаться высокоскоростные схемы.

Даже если два разъема находятся на одном краю платы, высокоскоростная схема, расположенная между ними, может индуцировать синфазное напряжение, достаточное для управления одним разъемом относительно другого, что приводит к значительным излучаемым помехам.

6. Критические сигнальные или тактовые дорожки должны быть скрыты между слоями питания/земли.

Разводка трассы на слое между двумя твердыми плоскостями отлично справляется с ограничением полей этих трасс и предотвращает нежелательное связывание.

7. Выберите активные цифровые компоненты, которые имеют максимально допустимое время перехода вне кристалла.

Если время перехода цифрового сигнала больше, чем должно быть, мощность верхних гармоник может быть намного выше, чем необходимо.Если время перехода используемой логики больше, чем должно быть, его обычно можно замедлить с помощью последовательных резисторов или ферритов.

8. Вся внешняя связь с одного устройства должна проходить через один и тот же разъем.

Многие компоненты (особенно большие устройства СБИС) генерируют значительное количество синфазных помех между различными контактами ввода/вывода. Если одно из этих устройств подключено более чем к одному разъему, этот синфазный шум потенциально будет управлять хорошей антенной.(Устройство также будет более восприимчиво к излучаемому шуму, создаваемому этой антенной.)

9. Высокоскоростные (или чувствительные) дорожки должны быть проложены не менее чем в 2 раза от края платы, где X — расстояние между дорожкой и путем обратного тока.

Линии электрического и магнитного поля, связанные с дорожками очень близко к краю доски, менее хорошо локализованы. Перекрёстные помехи и связь с антеннами и от них, как правило, больше из-за этих дорожек.

10.Пары трасс дифференциальных сигналов должны быть проложены вместе и поддерживать одинаковое расстояние от любых сплошных плоскостей.

Дифференциальные сигналы менее восприимчивы к шуму и с меньшей вероятностью генерируют излучаемые помехи, если они сбалансированы (т. е. имеют одинаковую длину и одинаковый импеданс по отношению к другим проводникам).

11. Все плоскости питания (например, напряжения), которые ссылаются на одну и ту же плоскость возврата питания (например, землю), должны быть проложены на одном уровне.

Если, например, плата использует три напряжения 3.3 вольта, 3,3 вольта аналог и 1,0 вольт; тогда вообще желательно минимизировать высокочастотную связь между этими плоскостями. Размещение плоскостей напряжения на одном слое гарантирует отсутствие перекрытия. Это также поможет обеспечить эффективную компоновку, поскольку активным устройствам вряд ли потребуются два разных напряжения в одном месте на плате.

12. Расстояние между любыми двумя силовыми плоскостями на данном слое должно быть не менее 3 мм.

Если две плоскости находятся слишком близко друг к другу на одном слое, может возникнуть значительная высокочастотная связь.В неблагоприятных условиях также могут возникать дуговые разряды или короткие замыкания, если плоскости расположены слишком близко друг к другу.

13. На плате с панелями питания и заземления не должны использоваться дорожки для подключения к питанию или земле. Соединения должны быть выполнены с использованием переходного отверстия рядом с контактной площадкой питания или заземления компонента.

Трассировки на соединении с плоскостью, расположенной на другом слое, занимают место и добавляют индуктивность соединению. Если проблемой является высокочастотный импеданс (как в случае развязывающих соединений шины питания), эта индуктивность может значительно ухудшить характеристики соединения.

14. Если в проекте имеется более одного слоя заземляющего слоя, то любое соединение с землей в данной позиции должно выполняться для всех слоев заземления в этом месте.

Общий руководящий принцип здесь заключается в том, что высокочастотные токи будут проходить по наиболее благоприятному пути (с наименьшей индуктивностью), если это разрешено. Не пытайтесь направлять поток этих токов, соединяясь только с определенными планами.

15. В пластине заземления не должно быть зазоров или щелей.

Обычно лучше иметь плоскость сплошного заземления (возврата сигнала) и слой, посвященный этой плоскости. Любая дополнительная мощность или возврат тока сигнала, которые должны быть изолированы по постоянному току от заземляющего слоя, должны быть проложены на слоях, отличных от слоя, предназначенного для заземляющего слоя.

16. Все силовые или заземляющие проводники на плате, которые соприкасаются (или соединяются) с шасси, кабелями или другими исправными «частями антенны», должны быть соединены вместе на высоких частотах.

Непредвиденные напряжения между различными проводниками, оба из которых номинально называются «землей», являются основным источником излучаемого излучения и проблем с чувствительностью.

В дополнение к 16 рекомендациям, приведенным выше, разработчики плат часто используют рекомендации, характерные для их отрасли. Например, «Схемы генерации тактовых импульсов, использующие контуры фазовой автоподстройки частоты, должны иметь собственное изолированное питание, получаемое от питания платы через ферритовый шарик #1234». Эти рекомендации, основанные на опыте, могут оказаться бесценными для знающего разработчика платы. Тем не менее, эти же рекомендации применяются к другим проектам без понимания того, откуда они взялись или почему они работают, что может привести к напрасным усилиям и нефункциональным платам.Очень важно понимать основную физику, лежащую в основе каждого применяемого руководства.

Также важно определить потенциальные источники шума, антенны и пути связи для каждой оцениваемой конструкции. Лучший дизайн не будет тот, который соответствует большинству рекомендаций. Лучшая конструкция — это та, которая отвечает всем требованиям, имеет наименьшую стоимость и максимальную надежность.

Собираем все вместе

Итак, у нас есть список рекомендаций по дизайну и общее понимание того, почему и когда они важны.Давайте попробуем применить их к вопросу викторины, представленному ранее, в котором спрашивалось, какой из макетов платы на рисунке 2 является лучшим.

Надеюсь, вы сможете быстро исключить вариант (б), конструкцию со следом, пересекающим зазор в плоскости возврата. Вариант (а) использует самую короткую дорожку и, следовательно, является лучшим вариантом при условии, что зазор в заземляющем слое действительно не нужен. Если существует проблема низкочастотной связи с общим импедансом, которая делает разрыв неизбежным, то вариант (с) почти так же хорош, как вариант (а) с точки зрения трассировки этой одной трассы.Помните, что длина микрополосковой трассы сигнала не так важна, как ее общая площадь петли.

Пример 1: простая схема однослойной платы

Харви изобретает устройство, которое записывает телефонные звонки, сделанные с его телефона. Конструкция относительно проста и показана на рис. 15. Однако, когда он подключен к телефонной линии, излучение устройства мешает его телевизионному приему.

Изменить дизайн платы Харви, чтобы уменьшить излучаемые электромагнитные помехи.Вы можете перемещать компоненты и/или добавлять компоненты, но вы должны использовать одностороннюю плату.

Рисунок 15: Цепь Харви.

Мы должны начать с определения потенциальных источников и антенн. Конечно, тактовый сигнал 8 МГц является потенциальным источником, как и линии передачи данных. Это устройство также может создавать значительные помехи на дорожках питания. Возможными частями антенны являются три разъема. Ничто другое на этой плате не является достаточно большим, чтобы быть эффективным источником излучения.

Когда мы начинаем переставлять компоненты, мы должны попытаться разместить все части антенны (т.е. разъемы) на одной стороне платы. Мы также должны переориентировать компоненты, чтобы минимизировать длину трасс. Наконец, мы должны заполнить пустое место на плате землей и убедиться, что каждая дорожка сигнала имеет поблизости обратный путь.

Одно из решений этой проблемы показано на рис. 16. Попробуйте проследить путь тока сигнала 8 МГц в схеме на рис. 15 по сравнению с тем же путем на рис. 16.Этот ток вытекает из тактового выходного вывода генератора на тактовый входной вывод верхней ИС, из заземляющего вывода верхней ИС и в заземляющий вывод генератора. Эта область контура значительно меньше в схеме, показанной на рис. 16. Также обратите внимание, что высокочастотный ток не возвращается на участок плоскости между любыми двумя разъемами на рисунке 16.

Маловероятно, что конструкция, показанная на рис. 15, будет соответствовать требованиям по излучению и поэтому не может быть продана.Конструкция, показанная на рис. 16, должна соответствовать спецификациям по излучаемым помехам практически любой страны без необходимости использования каких-либо экранирующих или дорогостоящих компонентов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *