Проектирование печатных плат: ключевые аспекты и рекомендации

Как правильно спроектировать печатную плату. Какие основные правила и рекомендации следует учитывать при разработке. На что обратить внимание при трассировке и размещении компонентов. Чем отличаются модели с сосредоточенными и распределенными параметрами.

Основные принципы проектирования двухслойных печатных плат

Проектирование печатных плат — важный этап в разработке электронных устройств. При создании двухслойных плат необходимо учитывать ряд ключевых аспектов:

• Ширина проводников и диаметр отверстий
• Расположение компонентов и трасс
• Организация земляного слоя
• Развязка питания
• Минимизация помех

Рассмотрим основные рекомендации по каждому из этих пунктов.

Оптимальные параметры проводников и отверстий

Для большинства двухслойных плат рекомендуются следующие размеры:

• Ширина сигнальных проводников — 6 мил (0,15 мм)
• Ширина силовых проводников — 20 мил (0,5 мм)
• Диаметр переходных отверстий — 13 мил (0,33 мм)

Такие параметры обеспечивают оптимальный баланс между плотностью трассировки и технологичностью изготовления. Проводники шириной 6 мил способны пропускать ток до 1 А без значительного нагрева.

Правильное расположение компонентов и трасс

При разработке топологии платы следует придерживаться следующих правил:

• Размещать компоненты, сигнальные и силовые трассы на верхнем слое
• Использовать нижний слой как сплошную земляную плоскость
• Располагать сигнальные проводники на достаточном расстоянии друг от друга
• Минимизировать длину связей между компонентами

Такой подход позволяет улучшить целостность сигналов и упростить отладку платы.

Почему важно разносить сигнальные проводники?

Увеличение расстояния между сигнальными трассами помогает снизить уровень перекрестных помех. При минимальном интервале между проводниками перекрестная помеха на ближнем конце может достигать 25% от амплитуды сигнала.

Организация качественного заземления

Для обеспечения низкоомного обратного тракта рекомендуется:

• Использовать сплошной земляной слой на нижней стороне платы
• Делать узкие изоляционные промежутки при прохождении сигнальных линий через земляной слой
• Устанавливать перемычки над широкими зазорами в земляном слое

Качественное заземление критично для минимизации помех и обеспечения целостности сигналов.

Как правильно делать разрывы в земляном слое?

При необходимости прохождения сигнальной линии через земляной слой следует делать узкий изоляционный промежуток. Если же требуется широкий зазор, над ним нужно установить перемычку в верхнем слое для прохождения обратного тока.

Грамотная развязка питания

Для качественной развязки питания микросхем необходимо:

• Устанавливать развязывающие конденсаторы максимально близко к выводам питания ИС
• Минимизировать индуктивный контур между конденсатором и выводами питания/земли микросхемы
• Использовать конденсаторы в малых корпусах с максимальной емкостью

Правильная развязка позволяет снизить уровень помех по цепям питания.

Какую емкость выбрать для развязки?

Для большинства цифровых микросхем оптимальным выбором будет многослойный керамический конденсатор емкостью 22 мкФ. Такая емкость способна обеспечить ток до 22 мА в переходных процессах при минимальном падении напряжения.

Методы снижения помех в разъемах

Для минимизации помех по земле в разъемах рекомендуется:

• По возможности назначать отдельный обратный тракт каждому цифровому сигналу
• Добавлять дополнительные земляные выводы в разъемы с большим количеством сигнальных линий
• Чередовать сигнальные и земляные выводы в высокоскоростных разъемах

Такой подход позволяет существенно снизить уровень помех, возникающих при одновременном переключении нескольких сигналов.

Отказ от устаревших рекомендаций

Некоторые распространенные рекомендации по проектированию печатных плат на сегодняшний день утратили актуальность:

• Не нужно устанавливать конденсаторы разной емкости (10 мкФ, 1 мкФ, 0,1 мкФ) на каждый вывод питания
• Не стоит полностью отказываться от использования медной заливки

Вместо этого следует сосредоточиться на минимизации индуктивных контуров и обеспечении качественных обратных трактов для сигналов.

Почему не нужны конденсаторы разной емкости?

Установка конденсаторов с разными номиналами на каждый вывод питания не дает существенных преимуществ, но увеличивает стоимость и усложняет монтаж. Достаточно использовать один подходящий номинал, располагая конденсатор максимально близко к выводу питания.

Модели с сосредоточенными и распределенными параметрами

При проектировании печатных плат используются две основные модели анализа цепей:

• Модель с сосредоточенными параметрами
• Модель с распределенными параметрами

Выбор модели зависит от частоты сигналов и геометрических размеров платы.

Когда применяется модель с сосредоточенными параметрами?

Модель с сосредоточенными параметрами используется, когда длина проводников существенно меньше длины волны сигнала (менее 1/10 длины волны). В этом случае параметры цепи (сопротивление, емкость, индуктивность) можно считать сосредоточенными в одной точке.

В каких случаях нужна модель с распределенными параметрами?

Модель с распределенными параметрами применяется на высоких частотах, когда длина волны становится сопоставима с размерами платы. В этом случае параметры цепи распределены вдоль проводников, которые рассматриваются как линии передачи.

Особенности высокочастотных печатных плат

При проектировании высокочастотных печатных плат необходимо учитывать ряд дополнительных факторов:

• Влияние поверхностного эффекта на сопротивление проводников
• Зависимость параметров диэлектрика от частоты
• Необходимость согласования импедансов
• Возможность излучения электромагнитных помех

Для корректного анализа таких плат требуется использовать модель с распределенными параметрами.

Как определить границу применимости моделей?

Четкой границы между областями применения моделей с сосредоточенными и распределенными параметрами не существует. На практике переходная область лежит в диапазоне частот 100-500 МГц. Эмпирическое правило гласит, что проводники длиной более 0,1 длины волны следует рассматривать как распределенные системы.

Проектирование печатной платы устройства — Национальная сборная Worldskills Россия

“

В этом занятии давайте поговорим о системе проектирования печатных плат и рассмотрим этапы создания такого проекта

Глоссарий

Для успешного освоения материала рекомендуем вам изучить следующие понятия:

проведение рисунков дорожек между компонентами согласно соединениям схемы принципиальной электрической

Видеолекция

Конспект

Поговорим о системе проектирования печатных плат и рассмотрим этапы создания проекта необходимой платы

1. Проектирование корпусирования
2. Проектирование контуров печатных плат
3. Настройка правил проектирования
4. Создание контура печатных плат и технологических отверстий
5. Расстановка компонентов
6. Трассировка соединений
7. Проверка
8. Рефакторинг
9. Создание корпусных элементов на основе печатных плат
10. Создание документации для производства

Эскизное проектирование элементов

Часы будут выполнены в виде соединения плоскостей. Верхняя плоскость — оргстекло, которое будет защищать элементы, далее — печатная плата, на которой они будут расположены. Ниже расположится поддон, защищающий эти элементы. Между платой и поддоном будет аккумулятор.

Крепеж осуществим в виде шпильки, которая стягивает всю конструкцию. Между плоскостями расположим вставки, которые будут регулировать расстояние и поддерживать конструктивную жесткость.

Эскиз чертежа контура печатных плат

1. Создаем контур, принимая во внимание размер энкодера и индикатора

2. Аналогично создаем корпус для поддона

3. Располагаем отверстия для необходимых креплений

4. Создаем контуры ушек для крепления ремешков

Электронная документация

1. Открываем схему устройства и переходим в проект печатной платы

2. Задаем необходимые параметры в разделе технологических правил, учитывая, что будем изготавливать платы фрезерным способом

3.

Проконтролируем классы цепей и требования по каждому классу

4. Настраиваем отображение слоев

5. Настраиваем сетку для расположения компонентов и рисунков соединений

6. Создаем контур печатных плат согласно разработанным эскизам

7. Добавляем механические отверстия под стойки

8. Создаем контур для поддона

Важно

Изготовление печатной платы для компонентов и поддона будет производиться в одном цикле

9. Расставляем компоненты по контуру платы

10. Получаем расположение компонентов в нужном порядке

11. Так будет выглядеть плата после изготовления заводским способом

12. Производим трассировку вручную

Важно

Если ручная трассировка не получится, необходимо передвинуть компоненты более оптимально или поменять соединения на схеме электрической принципиальной

13. После проверки создаем документацию для производства печатной платы

Особенности трассировки

1. Если необходимо передвижение дорожки на другую сторону, то создается переходное отверстие

2. Изготовление фрезерным способом не позволяет автоматически сделать металлизированные отверстия переходов, поэтому они будут изготовлены проволочным способом

3. Проволочный способ не позволяет проводить монтаж компонентов над отверстиями, поэтому все переходы между сторонами необходимо выполнить вне компонентов

4. Если не получается провести дорожку, то нужно воспользоваться возможностью контроллера передвигать выводы

“

Итак, мы создали электронный проект для производства печатной платы и изучили особенности трассировки. Давайте перейдем к заданиям.

Интерактивное задание

Для закрепления полученных знаний пройдите тест

Стартуем!

Оргстекло, аккумулятор, печатная плата, поддон

Поддон, аккумулятор, печатная плата, оргстекло

Оргстекло, печатная плата, аккумулятор, поддон

Печатная плата, оргстекло, аккумулятор, поддон

Дальше

Проверить

Узнать результат

Передвинуть компоненты более оптимально или поменять соединения на схеме электрической принципиальной

Запустить автоматическую трассировку

Увеличить размер печатной платы

Уменьшить количество компонентов

Дальше

Проверить

Узнать результат

Чтобы не повредить компоненты при монтаже

Этот способ имеет больше возможностей при трассировке

Изготовление фрезерным способом не позволяет автоматически сделать металлизированные отверстия переходов

Этот способ надежнее при эксплуатации готового изделия

Дальше

Проверить

Узнать результат

Проволочный способ не позволяет проводить монтаж компонентов над отверстиями

Чтобы схема была читаемой при монтаже

Большинство компонент не позволяют делать переходы

Это удобно при ручной трассировке

Дальше

Проверить

Узнать результат

К сожалению, вы ответили неправильно

Прочитайте лекцию и посмотрите видео еще раз

Пройти еще раз

Неплохо!

Но можно лучше. Прочитайте лекцию и посмотрите видео еще раз

Пройти еще раз

Отлично!

Вы отлично справились. Теперь можете ознакомиться с другими компетенциями

Пройти еще раз

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.

ОШИБКА — 404 — НЕ НАЙДЕНА

• Главная
• ФНОРД

Наши серверные гномы не смогли найти страницу, которую вы ищете.

Похоже, вы неправильно набрали URL-адрес в адресной строке или перешли по старой закладке.

Возможно, некоторые из них могут вас заинтересовать?

Отрывные заголовки — прямые

В наличии ПРТ-00116

20

Избранное Любимый 133

Список желаний

2 мм 10-контактный разъем XBee

В наличии ПРТ-10112

1

Избранное Любимый 4

Список желаний

Alchitry Br прототип элемента платы

Нет в наличии DEV-16524

16,50 $

1

Избранное Любимый 4

Список желаний

Промежуточный комплект SparkFun Jetson с блоком питания

19 в наличии КОМПЛЕКТ-19409

129,95 $

Избранное Любимый 2

Список желаний

Как погода, Микромод?

15 января 2021 г.

Новый процессор nRF52840 и плата Weather Carrier расширяют возможности экосистемы MicroMod!

Избранное Любимый 0

Основные и функциональные платы поставляются с MicroMod

12 ноября 2021 г.

Два новых типа плат присоединяются к линейке MicroMod для более индивидуальной сборки!

Избранное Любимый 0

Руководство по работе с макетной платой LilyPad

7 декабря 2017 г.

Узнайте, как программировать в Arduino с помощью макетной платы LilyPad. Это руководство включает 11 примеров действий, в которых используются предварительно смонтированные платы LilyPad на макетной плате LilyPad.

Избранное Любимый 5

Центр загрузки — EasyEDA

Загрузка клиента

Сравнение функций

Характеристики		Стандарт	Профессиональный
Клиент	Полный онлайн-режим
	Полуавтономный режим
	Полный автономный режим
Библиотека	Библиотека символов/посадочных мест/3D-моделей
	Символ специй
Схема	Схема
	Экспорт спецификации
	Имитация специй
	Иерархический дизайн/Блок повторного использования
	Проверка правил проектирования
PCBLib	Конструкция печатной платы
	Экспорт производственного файла Gerber
	Маршрутизация push-уведомлений
	Слепой/похоронен через
	Запретная зона
	Трехмерный дизайн корпуса
	Экспорт 3D-файла ШАГ
Прочее	Импорт Altium/EAGEL/KiCad
	Экспорт Altium
	Импорт Protel/PADS/LTspice
	Дизайн панели
	Многослойная конструкция
Посмотреть больше Различные функции

У EasyEDA есть бесплатная версия для всех.