Разводка печатных плат и электромагнитная совместимость. Средства разработки печатных плат. Пример номер один. Трассировка монитора тока потребления на инструментальном усилителе

Маленькие секреты трассировки плат с операционными и инструментальными усилителями

• Интернет вещей ,
• Звук ,
• Электроника для начинающих

• Tutorial

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. 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

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.

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.

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.

ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.

Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем.

Печатная плата - компонент схемы

Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.

Макетирование

Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком.

Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы.

Источники шума и помех

Шум и помехи являются основнымм элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнал-процессоры (DSP ).

Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI ). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.

Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находиться неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной - основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель компонентов, используемых при производстве печатных плат.

Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению ) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 - наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.

Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.

FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время, как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.

При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр може оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы - поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.

Таблица 1

После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.

КОЛИЧЕСТВО СЛОЕВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ

В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.

Однослойные печатные платы

Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам . Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.

Двухслойные печатные платы

На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 более предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom ) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top ). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:

• общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь "много" общего провода для упрощения разводки.
• увеличивается механическая прочность платы.
• уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
• увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
• полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.

Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.

Многослойные печатные платы

Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:

• такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;
• сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;
• между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.

Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:

• лучшее подавление электромагнитных (EMI ) и радиочастотных (RFI ) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect ), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
• снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.

Порядок следования слоев

У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную палату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя - слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?

При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.

Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.

Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ

Хорошее заземление - общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.

Основное правило: разделение земли .

Разделение земли на аналоговую и цифровую части - один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.

Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.

Другие правила формирования земли:

Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота может вызывать проблему, но и ее высшие гармоники.

Пример хорошего размещения компонентов

На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастоный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей отнесены друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.

Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключенны к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.

Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.

Необходимо учитывать то, что цифровая элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.

ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ

Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.

Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так - высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.

Резисторы

Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.

Обычно применяются резисторы трех типов: 1) проволочные, 2) углеродные композитные и 3) пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.

Конденсаторы

Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.

Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:

Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?

При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.

В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.

Индуктивности

Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.

Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:

Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц - сопротивлением 6,28 МОм. Верно?

Печатная плата

Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.

Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.

Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образовывают своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.

Немного из теории антенн

На постоянном токе или низких частотах преобладает активная составляющая. При повышении частоты реактивная составляющая становится все более и более значимой. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц индуктивная составляющая начинает оказывать влияние, и проводник более не является низкоомным соединителем, а скорее выступает как катушка индуктивности.

Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:

Обычно, трассы на печатной плате обладают значениями от 6 нГн до 12 нГн на сантиметр длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.

Правило штыревой антенны гласит, что она начинает ощутимо взаимодействовать с полем при своей длине около 1/20 от длины волны, а максимальное взаимодействие происходит при длине штыря, равной 1/4 от длины волны. Поэтому 10-сантиметровый проводник из примера в предыдущем параграфе начнет становиться довольно хорошей антенной на частотах выше 150 МГц. Необходимо помнить, что несмотря на то, что генератор тактовой частоты цифровой схемы может и не работать на частоте выше 150 МГц, в его сигнале всегда присутствуют высшие гармоники. Если на печатной плате присутствуют компоненты со штыревыми выводами значительной длины, то такие выводы также могут служить антеннами.

Другой основной тип антенн - петлевые антенны. Индуктивность прямого проводника сильно увеличивается, когда он изгибается и становится частью дуги. Увеличивающаяся индуктивность понижает частоту, на которой начинает происходить взаимодействие антенны с линиями поля.

Опытные дизайнеры печатных плат, достаточно хорошо разбирающиеся в теории петлевых антенн, знают, что нельзя создавать петли для критичных сигналов. Некоторые разработчики, однако, не задумываются об этом, и проводники возвратного и сигнального тока в их схемах представляют собой петли. Создание петлевых антенн легко показать на примере (рис. 8). Кроме того, здесь показано и создание щелевой антенны.

Рассмотрим три случая:

Вариант A - пример скверного дизайна. В нем вовсе не используется полигон аналоговой земли. Петлевой контур формируется земляным и сигнальным проводником. При прохождении тока возникают электрическое и перпендикулярное ему магнитное поля. Эти поля образовывают основу петлевой антенны. Правило петлевой антенны гласит, что для наибольшей эффективности длина каждого проводника должна быть равно половине длины волны принимаемого излучения. Однако, следует не забывать, что даже при 1/20 от длины волны петлевая антенна все еще остается достаточно эффективной.

Вариант Б лучше варианта A, но здесь присутствует разрыв в полигоне, вероятно, для создания определенного места для разводки сигнальных проводников. Пути сигнального и возвратного токов образуют щелевую антенну. Другие петли образуются в вырезах вокруг микросхем.

Вариант В - пример лучшего дизайна. Пути сигнального и возвратного тока совпадают, сводя на нет эффективность петлевой антенны. Заметьте, что в этом варианте также присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.

Теория отражения и согласования сигналов находится близко к теории антенн.

Когда проводник печатной платы поворачивает на угол 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит, главным образом, из-за изменения ширины пути прохождения тока. В вершине угла ширина трассы увеличивается в 1.414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Довольно часто необходимо повернуть на печатной плате трассу на 90°. Многие современные CAD-пакеты позволяют сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги. На рисунке 9 показаны два шага улучшения формы угла. Только последний пример поддерживает постоянной ширину трассы и минимизирует отражения.

Совет для опытных разводчиков печатных плат: оставляйте процедуру сглаживания на последний этап работ перед созданием каплеобразных выводов и заливкой полигонов. Иначе, CAD-пакет будет производить сглаживание дольше из-за более сложных вычислений.

Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор. Емкость такого конденсатора расчитывается по формуле, приведенной на рисунке 10.

Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:
- 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли - смежные,
- межслойный интервал - 0,2 мм,
- ширина проводника - 0,75 мм,
- длина проводника - 7,5 мм.

Типовое значение диэлектрической постоянной ER для FR-4 равняется 4.5.

Подставив все значения в формулу, получим значение емкости между этими двумя шинами, равное 1,1 пФ. Даже такая, казалось бы, небольшая емкость для некоторых приложений является недопустимой. Рисунок 11 иллюстрирует эффект от емкости в 1 пФ, возникающий при подключении ее к инвертирующему входу высокочастотного операционного усилителя.

Видно, что происходит удвоение амплитуды выходного сигнала на частотах, близких к верхнему пределу частотного диапазона ОУ. Это, в свою очередь, может привести к генерации, особенно на рабочих частотах антенны (выше 180 МГц).

Этот эффект порождает многочисленные проблемы, для решения которых, тем не менее, существует много способов. Самый очевидный из них - уменьшение длины проводников. Другой способ - уменьшение их ширины. Нет причины применения проводника такой ширины для подводки сигнала к инвертирующему входу, т.к. по этому проводнику протекает очень небольшой ток. Уменьшение длины трассы до 2,5 мм, а ширины до 0,2 мм приведет к уменьшению емкости до 0,1 пФ, а такая емкость уже не приведет к столь значительному подъему частотной характеристики. Еще один способ решения - удаление части полигона под инвертирующим входом и проводником, подходящим к нему.

Ширину проводников печатной платы невозможно бесконечно уменьшить. Предельная ширина определяется как технологическим процессом, так и толщиной фольги. Если два проводника проходят близко друг к другу, то между ними образуется емкостная и индуктивная связь (рис. 12).

Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, исключая случаи разводки дифференциальных или микрополосковых линий. Зазор между проводниками должен быть минимум в три раза больше ширины проводников.

Емкость между трассами в аналоговых схемах может создать затруднения при больших сопротивлениях резисторов (несколько МОм). Относительно большая емкостная связь между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя легко может привести к самовозбуждению схемы.

Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нГн.

Помните, что, если в схеме присутствуют большие сопротивления, то особое внимание следует уделить очистке платы. На заключительных операциях изготовления печатной платы должны удаляться остатки флюса и загрязнений. В последнее время при монтаже печатных плат достаточно часто применяются водорастворимые флюсы. Являясь менее вредными, они легко удаляются водой. Но при этом отмывка платы недостаточно чистой водой может привести к дополнительным загрязнениям, которые ухудшают диэлектрические характеристики. Следовательно, очень важно производить отмывку печатной платы с высокоимпедансной схемой свежей дистиллированой водой.

РАЗВЯЗКА СИГНАЛОВ

Как уже отмечалось, помехи могут проникать в аналоговую часть схемы через цепи питания. Для уменьшения таких помех применяются развязывающие (блокировочные) конденсаторы, уменьшающие локальный импеданс шин питания.

Если необходимо развести печатную плату, на которой имеются и аналоговая, и цифровая части, то необходимо иметь хотя бы небольшое представление об электрических характеристиках логических элементов.

Типовой выходной каскад логического элемента содержит два транзистора, последовательно соединенные между собой, а также между цепями питания и земли (рис. 14).

Эти транзисторы в идеальном случае работают строго в противофазе, т.е. когда один из них открыт, то в этот же момент времени второй закрыт, формируя на выходе либо сигнал логической единицы, либо логического нуля. В установившемся логическом состоянии потребляемая мощность логического элемента невелика.

Ситуация кардинально меняется, когда выходной каскад переключается из одного логического состояния в другое. В этом случае в течение короткого промежутка времени оба транзистора могут быть открыты одновременно, а ток питания выходного каскада сильно увеличивается, поскольку уменьшается сопротивление участка пути тока от шины питания до шины земли через два последовательно соединенных транзистора. Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем также убывает, что приводит к локальному изменению напряжения питания и возникновению резкого, кратковременного изменения тока. Такие изменения тока приводят к излучению радиочастотной энергии. Даже на сравнительно простой печатной плате может быть десятки или сотни рассмотренных выходных каскадов логических элементов, поэтому суммарный эффект от их одновременной работы может быть очень большим.

Невозможно точно предсказать диапазон частот, в котором будут находиться эти выбросы тока, поскольку частота их возникновения зависит от множества причин, в том числе и от задержки распространения переключений транзисторов логического элемента. Задержка, в свою очередь, также зависит от множества случайных причин, возникающих в процессе производства. Шум от переключений имеет широкополосное распределение гармонических составляющих во всем диапазоне. Для подавления цифрового шума существует несколько способов, применение которых зависит от спектрального распределения шума.

В таблице 2 представлены максимальные рабочие частоты для распространенных типов конденсаторов.

Таблица 2

Из таблицы очевидно, что танталовые электролитические конденсаторы применяются для частот ниже 1 МГц, на более высоких частотах должны применяться керамические конденсаторы. Необходимо не забывать, что конденсаторы имеют собственный резонанс и их неправильный выбор может не только не помочь, но и усугубить проблему. На рисунке 15 показаны типовые собственные резонансы двух конденсаторов общего применения - 10 мкФ танталового электролитического и 0,01 мкФ керамического.

Реальные характеристики могут отличаться у различных производителей и даже от партии к партии у одного производителя. Важно понимать, что для эффективной работы конденсатора подавляемые им частоты должны находиться в более низком диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным, а конденсатор перестанет эффективно работать.

Не стоит заблуждаться относительно того, что один 0,1 мкФ конденсатор будет подавлять все частоты. Небольшие конденсаторы (10 нФ и менее) могут работать более эффективно на более высоких частотах.

Развязка питания ИС

Развязка питания интегральных схем с целью подавления высокочастотного шума состоит в применении одного или нескольких конденсаторов, подключенных между выводами питания и земли. Важно, чтобы проводники, соединяющие выводы с конденсаторами, были короткими. Если это не так, то собственная индуктивность проводников будет играть заметную роль и сводить на нет выгоды от применения развязывающих конденсаторов.

Развязывающий конденсатор должен быть подключен к каждому корпусу микросхемы, независимо от того, сколько операционных усилителей находится внутри корпуса - 1, 2 или 4. Если ОУ питается двухполярным питанием, то, само собой разумеется, что развязывающие конденсаторы должны располагаться у каждого вывода питания. Значение емкости должно быть тщательно выбрано в зависимости от типа шума и помех, присутствующих в схеме.

В особо сложных случаях может появиться необходимость добавления индуктивности, включенной последовательно с выводом питания. Индуктивность должна располагаться до, а не после конденсаторов.

Другим, более дешевым способом является замена индуктивности резистором с малым сопротивлением (10...100 Ом). При этом вместе с развязывающим конденсатором резистор образует низкочастотный фильтр. Этот способ уменьшает диапазон питания операционного усилителя, который к тому же становится более зависимым от потребляемой мощности.

Обычно для подавления низкочастотных помех в цепях питания бывает достаточно применить один или несколько алюминиевых или танталовых электролитических конденсаторов у входного разъема питания. Дополнительный керамический конденсатор будет подавлять высокочастотные помехи от других плат.

РАЗВЯЗКА ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ

Множество шумовых проблем является результатом непосредственного соединения входных и выходных выводов. В результате высокочастотных ограничений пассивных компонентов реакция схемы на воздействие высокочастотного шума может быть достаточно непредсказуемой.

В ситуациии, когда частотный диапазон наведенного шума в значительной степени отличается от частотного диапазона работы схемы, решение просто и очевидно - размещение пассивного RC-фильтра для подавления высокочастотных помех. Однако, при применении пассивного фильтра надо быть осторожным: его характеристики (из-за неидеальности частотных характеристик пассивных компонентов) утрачивают свои свойства на частотах, в 100...1000 раз превышающих частоту среза (f 3db). При использовании последовательно соединенных фильтров, настроенных на разные частотные диапазоны, более высокочастотный фильтр должен быть ближайшим к источнику помех. Индуктивности на ферритовых кольцах также могут применяться для подавления шума; они сохраняют индуктивный характер сопротивления до некоторой определенной частоты, а выше их сопротивление становится активным.

Наводки на аналоговую схему могут быть настолько большими, что избавиться (или, по крайней мере, уменьшить) от них возможно только с помощью применения экранов. Для эффективной работы они должны быть тщательно спроектированы так, чтобы частоты, создающие наибольшие проблемы, не смогли попасть в схему. Это означает, что экран не должен иметь отверстия или вырезы с размерами, большими, чем 1/20 длины волны экранируемого излучения. Хорошая идея отводить достаточное место под предполагаемый экран с самого начала проектирования печатной платы. При использовании экрана можно дополнительно использовать ферритовые кольца (или бусинки) для всех подключений к схеме.

КОРПУСА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ

В одном корпусе обычно размещаются один, два или четыре операционных усилителя (рис. 16).

Одиночный ОУ часто также имеет дополнительные входы, например, для регулировки напряжения смещения. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют лишь инвертирующий и неинвертирующий входы и выход. Поэтому при необходимости иметь дополнительные регулировки надо применять одиночные операционные усилители. При использовании дополнительных выводов необходимо помнить, что по своей структуре они являются вспомогательными входами, поэтому управление ими должно осущуствляться аккуратно и в соответствии с рекомендациями производителя.

В одиночном ОУ выход располагается на противоположной стороне от входов. Это может создать затруднение при работе усилителя на высоких частотах из-за протяженных проводников обратной связи. Один из путей преодоления этого состоит в размещении усилителя и компонентов обратной связи на разных сторонах печатной платы. Это, однако, приводит к как минимум двум дополнительным отверстиям и вырезам в полигоне земли. Иногда стоит использовать сдвоенный ОУ для разрешения данной проблемы, даже если второй усилитель не используется (при этом его выводы должны быть подключены должным образом). Рисунок 17 иллюстрирует уменьшение длины проводников цепи обратной связи для инвертирующего включения.

Сдвоенные ОУ особенно часто используются в стереофонических усилителях, а счетверенные - в схемах многокаскадных фильтров. Однако, в этом есть довольно значительный минус. Несмотря на то, что современная технология обеспечивает приличную изоляцию между сигналами усилителей, расположенных на одном кремниевом кристалле, между ними все же существуют некоторые перекрестные помехи. Если необхомимо иметь очень малую величину таких помех, то необходимо использовать одиночные операционные усилители. Перекрестные помехи возникают не только при использовании сдвоенных или счетверенных усилителей. Их источником может служить очень близкое расположение пассивных компонентов разных каналов.

Сдвоенные и счетверенные ОУ, кроме вышесказанного, позволяют осуществить более плотный монтаж. Отдельные усилители как бы зеркально расположены друг относительно друга (рис. 18).

На рисунках 17 и 18 показаны не все подключения, требуемые для нормальной работы, например, формирователь среднего уровня при однополярном питании. На рисунке 19 приведена схема такого формирователя при использовании счетверенного усилителя.

На схеме показаны все необходимые подключения для реализации трех независимых инвертирующих каскадов. Необходимо обратить внимание на то, что проводники формирователя половины напряжения питания располагаются непосредственно под корпусом интегральной схемы, что позволяет уменьшить их длину. Этот пример иллюстрирует не то, как должно быть, а то, что должно быть сделано. Напряжение среднего уровня, например, могло бы быть единым для всех четырех усилителей. Пассивные компоненты могут быть соответствующего размера. Например, планарные компоненты типоразмера 0402 соответствуют расстоянию между выводами стандартного корпуса SO. Это позволяет сделать длину проводников очень короткой для высокочастотных приложений.

ОБЪЕМНЫЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОНТАЖ

При размещении операционных усилителей в корпусах типа DIP и пассивных компонентов с проволочными выводами требуется наличие на печатной плате переходных отверстий для их монтажа. Такие компоненты в настоящее время используются, когда нет особых требований к размерам печатной платы; обычно они стоят дешевле, но стоимость печатной платы в процессе изготовления возрастает из-за сверловки дополнительных отверстий под выводы компонентов.

Кроме того, при использовании навесных компонентов увеличиваются размеры платы и длины проводников, что не позволяет работать схеме на высоких частотах. Переходные отверстия обладают собственной индуктивностью, что также накладывает ограничения на динамические характеристики схемы. Поэтому навесные компоненты не рекомендуется применять для реализации высокочастотных схем или для аналоговых схем, размещенных поблизости с высокоскоростными логическими схемами.

Некоторые разработчики, пытаясь уменьшить длину проводников, размещают резисторы вертикально. С первого взгляда может показаться что, это сокращает длину трассы. Однако при этом увеличивается путь прохождения тока по резистору, а сам резистор представляет собой петлю (виток индуктивности). Излучающая и принимающая способность возрастает многократно.

При поверхностном монтаже не требуется размещения отверстия под каждый вывод компонента. Однако возникают проблемы при тестирования схемы, и приходится использовать переходные отверстия в качестве контрольных точек, особенно при применении компонентов малого типоразмера.

НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СЕКЦИИ ОУ

При использовании сдвоенных и счетверенных операционных усилителей в схеме некоторые их секции могут остаться незадействованными и должны быть в этом случае корректно подключены. Ошибочное подключение может привести к увеличению потребляемой мощности, большему нагреву и большему шуму используемых в этом же корпусе ОУ. Выводы неиспользумых операционных усилителей могут быть подключены так, как изображено на рис. 20а. Подключение выводов с дополнительными компонентами (рис. 20б) позволит легко использовать этот ОУ при наладке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Помните следующие основные моменты и постоянно соблюдайте их при проектировании и разводке аналоговых схем.

Общие:

• думайте о печатной плате как о компоненте электрической схемы;
• имейте представление и понимание об источниках шума и помех;
• моделируйте и макетируйте схемы.

Печатная плата:

• используйте печатные платы только из качественного материала (например, FR-4);
• схемы, выполненные на многослойных печатных платах, на 20 дБ менее восприимчивее к внешним помехам, чем схемы, выполненные на двухслойных платах;
• используйте разделенные, неперекрывающиеся полигоны для различных земель и питаний;
• располагайте полигоны земли и питания на внутренних слоях печатной платы.

Компоненты:

• осознавайте частотные ограничения, вносимые пассивными компонентами и проводниками платы;
• старайтесь избегать вертикального размещения пассивных компонентов в высокоскоростных схемах;
• для высокочастотных схем используйте компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа;
• проводники должны быть чем короче, тем лучше;
• если требуется большая длина проводника, то уменьшайте его ширину;
• неиспользуемые выводы активных компонентов должны быть правильно подключены.

Разводка:

• размещайте аналоговую схему вблизи разъема питания;
• никогда не разводите проводники, передающие логические сигналы, через аналоговую область платы, и наоборот;
• проводники, подходящие к инвертирующему входу ОУ, делайте короткими;
• удостоверьтесь, что проводники инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ не располагаются параллельно друг другу на большом протяжении;
• старайтесь избегать применения лишних переходных отверстий, т.к. их собственная индуктивность может привести к возникновению дополнительных проблем;
• не разводите проводники под прямыми углами и сглаживайте вершины углов, если это возможно.

Развязка:

• используйте правильные типы конденсаторов для подавления помех в цепях питания;
• для подавления низкочастотных помех и шумов используйте танталовые конденсаторы у входного разъема питания;
• для подавления высокочастотных помех и шумов используйте керамические конденсаторы у входного разъема питания;
• используйте керамические конденсаторы у каждого вывода питания микросхемы; если необходимо, используйте несколько конденсаторов для разных частотных диапазонов;
• если в схеме происходит возбуждение, то необходимо использовать конденсаторы с меньшим значением емкости, а не большим;
• в трудных случаях в цепях питания используйте последовательно включенные резисторы малого сопротивления или индуктивности;
• развязывающие конденсаторы аналогового питания должны подключаться только к аналоговой земле, а не к цифровой.