Instrumente de dezvoltare PCB. Integritatea semnalului PCB și impedanța firului

11 decembrie 2016 la 17:48

Micile secrete ale plăcilor de urmărire cu operaționale și amplificatoare de instrument

Internetul Lucrurilor,
sunet,
Electronice pentru începători

Tutorial

La proiectarea plăcilor
Nimic nu vine atât de ieftin
Și nu este apreciat atât de mult
Cum să urmăriți corect.

În era Internetului lucrurilor și a disponibilității plăcilor cu circuite imprimate, și nu numai folosind tehnologia LUT, proiectarea acestora este adesea realizată de oameni a căror întreagă activitate este legată de tehnologia digitală.

Chiar și atunci când urmărirea este simplă tabla digitala Există reguli nerostite pe care le respect mereu în proiectele mele, iar în cazul dezvoltării dispozitivelor de măsurare cu secțiuni de circuit digital-analogic, acest lucru este pur și simplu necesar.

În acest articol, vreau să atrag designerii începători la o serie de tehnici elementare care ar trebui urmate pentru a obține un circuit de funcționare stabil și pentru a reduce eroarea de măsurare sau a minimiza coeficientul de distorsiune. calea sunetului. Pentru claritate, informațiile sunt prezentate sub forma a două exemple.

Exemplul numărul doi. Urmărirea unui circuit simplu de amplificator operațional

Orez. 1. Circuit amplificator op-amp

Orez. 2. Două opțiuni pentru trasarea plăcii amplificatorului la amplificatorul operațional

Un mic subiect în afara subiectului, care nu are legătură directă cu subiectul articolului de astăzi

Vă sfătuiesc insistent să utilizați aceeași tehnică atunci când furnizați energie altor tipuri de microcircuite, în special ADC-uri, DAC-uri și numeroși pini de alimentare ale microcontrolerelor. Dacă utilizați module de microcontrolere analogice încorporate - ADC, DAC, comparatoare, surse de tensiune de referință, nu vă leneși să priviți fișa de date și să vedeți ce condensatoare de blocare, în ce cantitate și unde ar trebui instalate. Un circuit de decuplare sub formă de filtru sau cel puțin o rezistență între sursa principală de alimentare digitală a microcontrolerului și cea analogică nu ar strica. Este mai bine să plasați pământul analogic ca un poligon separat sau un strat de ecran și să îl conectați la pământul principal la un moment dat, în unele cazuri este util printr-un filtru

Elementele circuitului părere ar trebui să fie amplasat cât mai aproape de intrarea neinversoare, ceea ce reduce la minimum posibilitatea interferenței cu circuitul de intrare de înaltă impedanță.

Să trecem la un caz mai serios și mai interesant din domeniul măsurătorilor, unde trasarea poate fi extrem de importantă.

Exemplul numărul unu. Urmărirea unui monitor de consum de curent pe un amplificator de instrumente

Orez. 3. Circuitul de monitorizare a curentului folosind amplificatorul operațional de instrumentare

Figura prezintă o diagramă a unui contor de consum de curent. Elementul de măsurare este rezistența de șunt inclusă în circuitul de putere. Sarcina la care se măsoară curentul este R sarcină. Tensiunea măsurată este îndepărtată din rezistență R shunt si filtrat folosind un circuit simetric pe elementele R1, R2, C1-C3. Cipul U2 servește la alimentarea tensiunii de referință. R4, C5 - filtru de ieșire.

Când urmăriți, desigur, trebuie să urmați toate recomandările date mai sus.

Orez. 4. Două opțiuni pentru rutarea plăcii amplificatorului pe un amplificator operațional de instrumentare

Să ne uităm la deficiențele pe care le are diagrama din stânga:

Deoarece avem o intrare diferențială, este necesar să facem cele două căi de semnal ale sale cât mai simetrice posibil. Conductoarele liniei de semnal trebuie să fie de aceeași lungime și amplasate aproape unul de celălalt. Ideal la aceeași distanță unul de celălalt;
IC-ul de referință trebuie să fie situat cât mai aproape de intrarea tensiunii de referință a amplificatorului de instrumente.

Observand foarte reguli simple iti faci viata mai usoara. În unele cazuri, pur și simplu nu provoacă daune, în altele pot îmbunătăți semnificativ atât stabilitatea circuitului în ansamblu, cât și precizia măsurătorilor.

Nu țineți un pistol încărcat pe perete. Într-o zi cu siguranță va trage și va alege cel mai incomod moment pentru asta.

Câteva despre „greblă” atunci când proiectați plăci.
Cea mai tipică eroare în cablarea circuitelor de putere în multe modele: capacitățile de blocare de-a lungul liniilor de alimentare „+” și „-” ale amplificatorului operațional sunt aruncate pe stratul de masă departe unul de celălalt, adică consumul de curent al buclei. amplificatorul operațional curge prin stratul de sol. Aceste recipiente trebuie poziționate astfel încât distanța dintre punctele de legătură a acestora cu stratul de pământ să fie minimă. Blocare de înaltă frecvență - se potrivește cu ușurință sub carcasa DIP-8 Condensatoare SMD dimensiune standard 1206 și cu o oarecare îndemânare - 1210. Desigur, aria circuitului de flux de curent rezultat ar trebui să fie, de asemenea, minimă, acest lucru este de la sine înțeles.

Rezistoarele din circuitele de putere ale fiecărui IC simplifică foarte mult cablajul, deoarece servesc ca jumperi și permit surselor de alimentare „+” și „-” să fie plasate una aproape de alta, ceea ce este foarte de dorit pentru a reduce emisiile de curenți de semnal/ieșire din circuitele de putere.

Există, de asemenea, o metodă elegantă (dar foarte laborioasă) pentru suprimarea zgomotului de la sol fără a separa în mod explicit terenurile, utilă în special atunci când se utilizează plăci cu două fețe - menținând cât mai mult posibil un strat solid de pământ pe o parte (adică, în esență, un singur strat). -dirijarea circuitului layer pe cealaltă parte, cu un minim de „săritori”), o analiză amănunțită a contururilor fluxului de curent de putere de-a lungul acestui plan de masă și găsirea punctelor echipotențiale, i.e. puncte, diferența de potențial între care, atunci când curenții curg prin pământ în circuitele de putere/sarcină, rămâne aproape de zero. Aceste puncte sunt folosite ca pini de împământare „semnal”. Tipul de contururi de curgere a curentului poate fi modificat, dacă este necesar, prin introducerea unor tăieturi suplimentare sau invers, prin realizarea de jumperi în secțiunile stratului de pământ care iau naștere în funcție de condițiile de cablare.

Cel mai detaliat studiu al problemelor de topologie/flux de curent etc. a fost realizat la crearea metodelor de proiectare a dispozitivelor rezistente la impulsurile EMP rezultate din explozia de arme nucleare sau generatoare de EMP în impulsuri. Din păcate, publicațiile pe această temă sunt împrăștiate și, în plus, sunt adesea încă „sub masă”. Am scanat unul dintre articolele ilustrative, dar nu îl pot atașa aici - a fost selectată limita pentru numărul de atașamente.

Despre designul PP.
Trebuie remarcat imediat că abordarea uneori simplă - „cu cât mai multe straturi, cu atât mai bine” - nu funcționează pentru circuite pur analogice (și parțial digitale). Sunt prea mulți factori implicați.

PP cu un singur/dublu strat pe getinax/fibră de sticlă fără metalizarea găurilor - în prezent adecvat doar pentru foarte dispozitive simpleîntr-o serie mare (>>10000). Principalele dezavantaje sunt fiabilitatea scăzută în condiții dure de funcționare (datorită detașării plăcuțelor de contact/conductoarelor în timpul vibrațiilor mecanice și ciclurilor termice, acumulării de umiditate/fluxuri prin pereții găurilor), precum și complexității (și costului ridicat) calitate niște cablaje circuite complexe. Densitatea de instalare este scăzută (de obicei nu mai mult de 3...4 pini pe centimetru pătrat din suprafața totală a plăcii). Avantajul este simplitatea extremă și costul redus în producție (pentru volume mari și standarde de proiectare de ordinul a 0,38 mm - mai puțin de 0,3 USD/mp dm) din cauza lipsei metalizării și a posibilității de înlocuire a forajului cu perforare.

Cerințe pentru creșterea densității ambalajului, menținând în același timp fiabilitatea în producție Pachete BGAȘi echipamente portabile a condus la dezvoltarea tehnologiei microvia, când pe lângă găurile obișnuite (prin) de pe placă pe una sau ambele părți, se formează găuri oarbe (de obicei cu un laser) față de stratul de bază, metalizate într-un singur ciclu cu metalizarea găurilor traversante. Dimensiunea plăcuței de contact pentru o astfel de tranziție (0,2...0,3 mm) este mult mai mică decât pentru o gaură de trecere, iar rutarea în straturile rămase nu este perturbată. În plus, în unele cazuri, microvia poate fi plasată pe suportul de contact al unui element SMD fără riscul ca o parte vizibilă a lipitului să părăsească orificiul datorită dimensiunii și adâncimii sale mici (nu mai mult de 0,1...0,15 mm). Acest lucru crește foarte mult densitatea cablajului, deoarece vias convenționale pe tampoane Elemente SMD De regulă, nu poate fi postat. Microvia poate fi, de asemenea, formată în straturile interioare, dar acest lucru este semnificativ mai dificil și mai costisitor de produs.

Câteva cuvinte despre grosimea cuprului și acoperirea plăcilor. Partea principală a plăcilor este realizată pe materiale cu grosimi de folie de 35, 18 și 9 microni, în timp ce în timpul metalizării orificiilor de pe straturile exterioare se adaugă încă 15-25 microni de cupru (ar trebui să existe ~ 20 microni în găuri). Plăcile cu standarde de proiectare de 0,127 sau mai puțin, de regulă, sunt realizate pe un material cu o grosime a foliei de ~ 9 microni (cu cât folia este mai subțire, cu atât mai puțină distorsiune a formei modelului din cauza subcutării laterale a conductorilor). Nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la „secțiunea transversală mică a cuprului”, deoarece conductoare imprimateîn vederea răcire bună permit densități de curent mult mai mari (~ 100 A/mm2) decât firul de instalare (3...10 A/mm2). Grosimea finală în straturile exterioare, datorită depunerii de cupru în timpul metalizării găurilor, se dovedește în mod natural a fi mai mare decât cea a foliei originale. Rezistența conductoarelor plate depinde de geometria lor în ceea ce privește lege simplă: rezistența pătratelor x numărul de pătrate. Rezistența unui pătrat nu depinde de dimensiunea sa absolută, ci doar de grosimea și conductivitatea materialului. Adică, rezistența unui conductor cu o lățime de 0,25 mm și o lungime de 10 mm (adică 40 de pătrate) este aceeași ca și cu o lățime de 2,5 și o lungime de 100. Pentru folie de cupru de 35 microni aceasta este de aproximativ 0,0005 Ohm. /pătrat. Pe plăcile industriale, la metalizarea găurilor pe folie, se construiește un strat suplimentar de cupru, astfel încât rezistența pătratului să scadă cu încă 20 la sută față de cea de mai sus. Întreținerea, chiar și „grasă”, are un efect redus asupra rezistenței; scopul acesteia este de a crește capacitatea de căldură a conductorilor, astfel încât acestea să nu se ardă pe termen scurt. curent de șoc. Prin utilizarea corecției cu fotomască (adică, introducerea de corecții pentru decupări) și gravarea anizotropă, producătorii pot produce plăci cu o grosime a foliei originale de până la 30-40% din standardele de proiectare, de exemplu. cand se foloseste cea mai groasa folie de 105 microni (si tinand cont de depunerea de cupru - undeva in jur de 125-130 microni), standardele de proiectare pot fi de la 0,3...0,35 mm.

Mai mult limitare semnificativă pentru circuitele de putere este că curentul admisibil trecut prin orificiul de trecere depinde în principal de diametrul acestuia, deoarece grosimea metalizării din acesta este mică (15...25 microni) și, de regulă, nu depinde de grosimea de folia. Pentru o gaură cu diametrul de 0,5 mm cu o grosime a plăcii de 1,5 mm, curentul admis este de aproximativ 0,4 A, pentru 1 mm - aproximativ 0,75 A. Dacă este necesar să treacă mai mult curent prin găuri, o soluție rațională ar fi să folosiți nu unul mare, ci un set de găuri mici, mai ales dacă acestea sunt plasate dens într-un model „tabla de șah” sau „fagure” - la vârfurile unei rețele de hexagoane. Duplicarea vias oferă, de asemenea, un beneficiu în ceea ce privește fiabilitatea, astfel încât este adesea folosită în circuite critice (inclusiv circuite de semnal) atunci când se dezvoltă echipamente pentru aplicații deosebit de critice (de exemplu, sisteme de susținere a vieții).

Acoperirile conductoarelor plăcii pot fi izolatoare și/sau protectoare. O „mască de lipire” este o acoperire izolatoare de protecție în care sunt formate ferestre la pernițele de contact. Conductoarele pot fi lăsate din cupru, sau acoperite cu un strat de metal care îi protejează de coroziune (staniu/litură, nichel, aur etc.). Fiecare tip de acoperire are avantaje și dezavantaje. Acoperirile pot fi în strat subțire, cu o grosime de o fracțiune de micron (de obicei chimică) și în strat gros (galvanică, cositorire la cald). Cel mai bine este să aplicați o mască de lipire pe cuprul gol sau pe un strat subțire; atunci când este aplicată pe urmele cositorite, se ține mai rău și în timpul lipirii apare un efect capilar - absorbția lipirii/separarea mască. Placarea cu aur vine în ambele tipuri, chimică (subțire) și galvanică (necesită conexiune electrica conductoare, de exemplu, pe un conector). ÎN producție pe scară largă De asemenea, populară este opțiunea de acoperire a plăcilor de contact din cupru pur (necoasitor) cu un lac asemănător fluxului (acoperire organică). Alegerea tipului de acoperire depinde de tehnologia de instalare și de tipul pieselor. Pentru instalare manuală (și automată pentru piesele de dimensiune standard 0805 și mai mari) în marea majoritate a cazurilor cea mai buna varianta- cositorirea la cald a tampoanelor (HASL) cu o mască de cupru. Pentru mai mult piese miciși instalarea automată, dacă nu există cerințe pentru scurgeri deosebit de mici pe placă, una dintre cele mai bune opțiuni- aur chimic (imersie) (Flash Gold) sau staniu de imersie. Aurul chimic este foarte ieftin în lumea normală, la fel ca cositorirea la cald și, în același timp, oferă locuri perfect uniforme pentru elemente, fără tuberculi de lipit. Cu toate acestea, atunci când se produc plăci de circuite în Federația Rusă, este adesea mai bine să comandați acoperirea nu cu aur de imersie, ci cu cositor - soluțiile sale nu economisesc atât de mult. Atunci când lipiți plăci cu straturi subțiri, inclusiv Flash Gold, acestea trebuie lipite rapid și/sau umplute cu flux neutru pentru a evita oxidarea cuprului prin porii acoperirii, iar la lipirea automată, este de asemenea recomandabil să folosiți un mediu de gaz neutru. (azot, freon).

Mai jos este cea mai inteligibilă (după părerea mea) literatura despre această problemă, precum și un exemplu de placă de calculator cu două straturi pentru un contor de microprofil (profilometru) pe care l-am dezvoltat acum aproximativ 10 ani, în care măsurile de asigurare a calității topologiei au fost aplicate fără fanatism, doar parțial. Cu toate acestea, acest lucru s-a dovedit a fi suficient pentru ca, fără nicio ecranare, într-un PC funcțional cu interferența sa (și propria sa parte de putere - control motor comutator) oferă o rezoluție de mai mulți atomi, depășind de multe ori cerințele specificațiilor tehnice (amplificatoarele operaționale utilizate sunt doar TL084/LM324). Dispozitivul a fost produs până de curând și a fost singurul profilometru cu precizie clasa 1 din Federația Rusă.

Utilizator forum: sia_2

1. Dispoziții generale

Pentru a preveni problemele de electrostatică și zgomot, trebuie respectate anumite reguli la așezarea plăcii de circuit imprimat. Punctul cel mai critic este pinul C, deoarece este conectat la sursa de alimentare încorporată de 3,3 volți a miezului MK. Prin urmare, condensatorul de filtru ar trebui să fie amplasat cât mai aproape de terminal.

De asemenea, ar trebui să acordați o atenție deosebită cablajului circuitelor de alimentare și de masă. Mâncarea este furnizată de o „stea”. Vă recomandăm să plasați un strat de pământ pe partea de instalare direct sub corpul MK. Liniile Vcc și Vss ar trebui să aibă un singur punct de conectare la restul circuitului pentru a evita interferențele pe MK și de la MK. Condensatoarele de filtru (DeCaps) ar trebui să fie amplasate cât mai aproape de bornele corespunzătoare. Dacă sunt îndepărtate prea mult, ei încetează să-și îndeplinească funcția.

Când se utilizează rezonatoare cu cuarț, acestea ar trebui să fie amplasate la o distanță minimă de bornele Xn(A).

Dacă este posibil, este recomandabil să plasați condensatori de filtru pe partea de montare MK.

2 Cablajul sursei de alimentare

Autobuzele Vcc și Vss trebuie direcționate nu într-un lanț de serie, ci într-o „stea”. Pentru Vss, se recomandă un poligon de pământ sub corpul MK, conectat la un punct la restul circuitului.

Mai jos sunt două exemple de cablare proastă și bună a sursei de alimentare.

3 Ieșire de filtrare C

4 Circuite de putere de filtrare

Condensatoarele de filtru (DeCaps) pentru circuitele de alimentare trebuie să fie amplasate pe calea curenților de putere, altfel utilizarea lor nu are sens. Următoarea figură explică această afirmație:

5 Locație rezonator cu cuarțși cablarea circuitului de semnal

Cuarțul ar trebui să fie situat cât mai aproape de MK posibil. Astfel, condensatorii generatorului vor fi amplasați „în spatele” cuarțului.

6 Documentație suplimentară

Mai multe suplimentare informatii detaliate cuprinse în Note de aplicare 16bit-EMC-Guideline.

7 Lista concluziilor MK

Tabelul arată concluziile MK care sunt critice pentru interacțiunile electromagnetice și informatie scurta despre legătura lor.

Nume de ieșire	Funcția îndeplinită
Vcc
Vss	Alimentare principală pentru porturile I/O ale miezului MK, lângă intrarea regulatorului intern de 3,3 V, lângă oscilatorul cu cristal
CU	Condensator de netezire extern pentru regulatorul încorporat de 3,3 V utilizat pentru alimentarea miezului MK. Vă rugăm să rețineți că acest pin este principala sursă de zgomot.
AVcc*	Alimentare ADC
AVss*	Alimentare ADC
AVRL*
AVRH*	Intrare de referință ADC
DVcc, HVcc	Sursa de alimentare pentru ieșirile PWM cu curent ridicat, care nu este conectată la Vcc, trebuie conectată la sursă suplimentară nutriție.
DVss, HVss	Sursa de alimentare pentru ieșirile PWM cu curent ridicat, cu Vss neconectat, trebuie conectată la o sursă de alimentare suplimentară.
X0, X0A*	Intrare generator. Dacă nu este utilizat, conectați printr-un rezistor la sursa de alimentare „+” sau la masă (vezi DS).
X1, X1A*	Ieșire generator. Cristalul și condensatorul trebuie conectate pe calea cea mai scurtă la pinul X1. Dacă nu este folosit, lăsați neconectat.

* - este posibil să nu fie prezent într-un anumit MK

După cum sa menționat mai sus, circuitele sunt diferite: partea digitală; parte analogică; secțiunea de putere; partea de interfață. Toate aceste părți ale lanțului trebuie spațializate dacă este posibil. În caz contrar, se pot întâmpla „miracole”. Deci, de exemplu, dacă dispozitivul dvs. are Touchpad(capacitanța este desenată cu un substrat de cupru pe placă), iar lângă ea vei plasa convertor de impulsuri sursă de alimentare, atunci interferența vor duce la alarme false. Un alt exemplu: amplasarea unei piese de alimentare, cum ar fi un releu, în apropierea părții digitale sau analogice poate, în cel mai rău caz, să deterioreze interiorul microcontrolerului, creând un potențial mai mare de 5 volți pe pin și să dea false pozitive (în partea digitală) sau citiri incorecte (în partea analogică), cu toate acestea, dacă rezoluția ADC nu depășește 10 biți, atunci motivele nu trebuie separate, deoarece impactul este de obicei minim).

Făcând terenurile „diferite”, reduceți impactul pe care îl au unul asupra celuilalt. Ce trebuie să urmați când cultivați pământ?

La maximizarea suprafeţei de teren prin placă de circuit imprimat inductanța sa este redusă la minimum, ceea ce, la rândul său, duce la o scădere a radiației. În plus, prin creșterea zonei, crește imunitatea la zgomot a plăcii de circuit imprimat. Există două moduri de a mări suprafața: umpleți complet tabla sau faceți-o sub formă de grilă.

Umplerea completă vă permite să obțineți cea mai mică impedanță - acesta este un sistem de pământ „ideal” (plasa este puțin mai proastă).

Cu toate acestea, pe scânduri suprafata mare umplere continuă cu bidon poligon de pământ. Poligonul trebuie așezat pe ambele părți ale tablei cât mai uniform posibil. Folosind grila, trebuie să-i controlați pasul: .

Poligoanele de pe plăcile multistrat trebuie conectate în mai multe locuri; mai jos este o „cușcă Faraday” în designul unei plăci de circuit imprimat. Această tehnică este utilizată la frecvențe gigahertzi.

Dacă pământul este direcționat ca o simplă urmă, atunci se recomandă rutarea liniei de alimentare pe partea opusă a plăcii. În cazul unei plăci multistrat, liniile de pământ și electrice sunt, de asemenea, situate pe straturi diferite.

Rezistența conductorilor depinde și de frecvență (vezi. ). Cu cât frecvența este mai mare, cu atât este mai mare rezistența la urmă/la sol. Deci, de exemplu, dacă la 100 Hz rezistența la sol este de 574 μOhm, iar pista semnalului (lățime 1 mm, lungime 10 mm, grosime 35 μm) este de 5,74 mOhm, atunci la o frecvență de 1 Hz vor lua valori de 11,6 mOhm și 43,7 Ohm. După cum puteți vedea, diferența este colosală. În plus, placa în sine începe să emită radiații, mai ales în zonele în care firele sunt conectate la placă.

Am privit „terenul” dintr-un punct de vedere general, dar intrând în detalii, trebuie să discutăm despre așa-numitul teren „semnal”, unde:

A) conexiunea într-un singur punct este o topologie nedorită din punct de vedere al zgomotului. Din cauza conexiune serială impedanța la sol crește, ceea ce duce la probleme frecvente inalte. Intervalul acceptabil pentru această topologie este de la 1 Hz la 10 MHz, cu condiția ca cea mai lungă urmă de sol să nu depășească 1/20 din lungimea de undă.

B) o conexiune multipunct are o impedanță semnificativ mai mică - recomandată în circuitele digitale și la frecvențe înalte. Conexiunile trebuie să fie cât mai scurte posibil pentru a minimiza rezistența. În lanțuri cu frecvente joase Această topologie nu este cea mai bună alegere. Dacă placa are o parte LF și HF, atunci HF ar trebui să fie plasat mai aproape de pământ, iar LF mai aproape de linia de alimentare.

C) conexiune hibridă - se recomandă utilizarea acesteia dacă pe o placă de circuit imprimat există diferite componente: parte digitală, analogică sau putere. Ei lucrează pentru frecvente diferiteși nu trebuie amestecat pentru o mai mare acuratețe și stabilitate a dispozitivului.

Exemplu de împărțire a terenului:

În cazul nostru (în general vorbind) există o singură parte - digitală. Pe placă vor fi conectori, dar curenții care trec prin ei sunt nesemnificativi (programator, pin UART pentru Modul Wi-Fi) și nu ar trebui să afecteze funcționarea dispozitivului. În ciuda faptului că frecvența de ceas a microcontrolerului este de 24 MHz, toate perifericele la care este conectat vor funcționa la frecvențe semnificativ mai mici de 10 MHz (cu excepția modulului Wi-Fi, care are o frecvență de 2,4 GHz). Cu alte cuvinte, dispozitivul nostru poate folosi o conexiune cu un singur punct, dar este potrivit și un sistem cu mai multe puncte. Poligonul este, de asemenea, recomandat să fie plasat sub toate neemițătoare circuite de înaltă frecvență(ca microcontrolerul nostru, dar vom vorbi despre asta mai târziu).

Când utilizați o umplere completă pentru o groapă de gunoi, merită să îndepărtați cuprul de sub modulul Wi-Fi - acest lucru va evita protejarea radiațiilor acestuia.

Toate secțiunile izolate de cupru (ing. cupru mort) trebuie îndepărtate, deoarece la RF încep să radieze și să interfereze cu liniile de semnal. Potențialul în astfel de zone este diferit de cel al solului și este nedorit.

Pe lângă sol/poligon, există și alte piste pe bord - piste de semnal. Ele pot transporta un semnal de ceas (de exemplu, linia SCK a cipul MAX7219) sau pot transmite date (piste UART RX și TX de la modulul Wi-Fi). Conectarea lor nu este mai puțin responsabilă - trebuie să cunoașteți câteva reguli. În primul rând, pentru a minimiza interferența de la un conductor la altul, distanța dintre ele trebuie menținută.

Pentru semnalele de ceas, precum și pentru liniile audio, video și de resetare, se recomandă să lăsați cel puțin două lățimi de urme pe laterale. În cazuri deosebit de critice, ei încearcă să evite intersectarea cu piste de pe partea opusă a tablei.

Cu siguranță ați văzut deja plăci de circuite imprimate ale diferitelor dispozitive - și ați observat că majoritatea nu au unghiuri drepte.

La frecvente inalte vor actiona ca antene, asa ca la intoarcere apeleaza la unghiuri de 45 de grade.

Anterior, plăcile de circuite imprimate erau desenate manual, ceea ce înseamnă că unghiurile erau arbitrare (nu strict 45 de grade). Din punct de vedere EMC, acest aspect este mai bun, dar nu face placa mai ușor de înțeles. Pe acest moment toate sistemele CAD moderne suportă predominant .

Printre altele, la întoarcerea la 90 de grade, ceea ce înseamnă în lanțuri puternice cu curenți mari acest lucru poate duce la supraîncălzirea și arderea zonei. În circuitele de joasă frecvență, utilizarea conexiunilor în formă de T nu este interzisă, dar în circuitele de înaltă frecvență acest lucru va duce la probleme.

Pe de altă parte, colțurile ascuțite ar trebui evitate - acest lucru este rău din punct de vedere tehnologic. În astfel de locuri, se formează o „stagnare” a reactanților chimici, iar în timpul gravării, o parte a conductorului va fi pur și simplu gravată.

Printre altele, lățimea conductorului trebuie să fie constantă, deoarece atunci când se schimbă, pista începe să se comporte ca o antenă. Nu se recomandă amplasarea găurilor prin intermediul suportului sau în imediata apropiere a elementului (fără a le separa cu o mască de lipit), deoarece acest lucru poate duce la fluxul de lipire și, ca urmare, poate provoca defecte în timpul asamblarii. Cel mai bine este să acoperiți vias cu o mască de lipit.

Elementele care sunt conectate la depozitul de deșeuri trebuie separate printr-o barieră termică, care ajută la prevenirea încălzirii neuniforme a șantierului în timpul lipirii.

Microcontroler

Am analizat problemele de bază ale aspectului PCB, este timpul să trecem la lucruri specifice, în special, luați în considerare cele mai bune practici pentru cablarea liniilor de alimentare și de masă ale microcontrolerului.

Condensatoarele de blocare trebuie plasate cât mai aproape de bornele microcontrolerului, astfel încât acestea să fie amplasate de-a lungul „calei” curentului. Altfel, pur și simplu nu are rost în ele.

Pentru imprimarea pe o singură față, șablonul arată astfel:

În cazul unei plăci cu două fețe, este convenabil să plasați condensatorii sub microcontroler, dar cu un lot mare și instalarea automată, acest lucru va cauza dificultăți tehnice. De obicei, ei încearcă să plaseze componentele pe o parte.

Rezonatorul de cuarț, sursa ceasului, ar trebui, de asemenea, amplasat cât mai aproape de picioare. Placă cu o singură față:

Toate jumperii dintre picioarele cipurilor SMD trebuie să fie amplasate în afara zonei de lipit:

Și în sfârșit, câteva sfaturi utile.

Când se dezvoltă plăci de circuite imprimate cu optimizare a prețurilor, apar o serie de probleme. probleme fundamentale. Deși obiectivul inițial poate fi proiectarea PCB-ului cât mai mic posibil, aceasta poate să nu fie cea mai ieftină soluție pentru întregul sistem. Reducerea dimensiunii PCB este posibilă prin creșterea numărului de straturi de PCB, care la rândul său introduce probleme EMC care se pot adăuga la costuri uriașe pe măsură ce proiectul progresează.

Interferențe electromagnetice, EMI sau compatibilitate electromagnetică, EMC sunt factorul cheieîn dezvoltarea plăcilor de circuite imprimate. Asigurarea compatibilității electromagnetice a întregului dispozitiv poate fi extrem de costisitoare dacă proiectantul face limitări în proiectarea și fabricarea plăcilor de circuite imprimate, așa că unele abordări de reducere a costurilor trebuie eliminate chiar de la început. Dacă componentele interacționează cu sau emit EMI, va fi nevoie de costuri mari pentru a îndeplini cerințele EMC în timpul fazei de testare.

În timp ce o placă cu patru straturi este considerată echilibrul optim între protecția EMI și rutarea plăcii, este adesea posibilă proiectarea unei plăci cu două straturi cu aceleași caracteristici folosind fonduri gratuite Urme PCB cum ar fi PCB DesignSpark. Acest lucru oferă o reducere semnificativă a costului de fabricație a unei plăci de circuit imprimat, fără a afecta testele viitoare.

Căile de întoarcere a semnalului sunt cele mai multe problema complexa la trasarea plăcilor de circuite imprimate. Ar fi destul de dificil să urmăriți masa de retur sub fiecare urmă conectată la pinul de semnal al microcontrolerului, dar exact asta oferă o placă cu patru straturi cu un plan de masă. Nu contează unde sunt urmele, există întotdeauna o cale de întoarcere la pământ sub ele.

Cel mai apropiat lucru de un plan de masă în ceea ce privește caracteristicile pe o placă cu două straturi este grila de masă, care reduce emisia de interferențe electromagnetice de la urmele semnalului. Reducerea zonei buclei prin direcționarea căii de întoarcere sub traseul semnalului este cea mai mare mod eficient soluție la această problemă, iar crearea unei rețele de sol este cea mai bună etapa importanta(după planificarea aspectului) în urma PCB

Generarea unei zăbrele creează o suprafață

Generarea rețelei este o tehnică cheie pentru realizarea EMC în plăcile cu două straturi. Foarte asemănătoare cu o rețea de alimentare, este o rețea de conexiuni dreptunghiulare între conductori împământați. De fapt, acest lucru creează un plan de masă care oferă aceeași reducere EMI ca o placă cu patru straturi și de fapt emite planul de masă utilizat într-o placă cu patru straturi pentru a oferi îmbunătățiri EMC prin crearea unei căi de întoarcere la sol sub fiecare urmă de semnal și reducerea impedanța dintre microcontroler și regulatorul de tensiune.

Generarea rețelei este realizată prin extinderea căilor de împământare și crearea unor figuri plane conductoare împământate pentru a crea o rețea de conexiuni la pământ pe întreaga suprafață a PCB-ului. De exemplu, dacă un PCB are urme predominant din stratul superior care rulează vertical și urme ale stratului inferior care rulează predominant orizontal, acest lucru degradează deja condițiile pentru rutarea căilor de întoarcere la masă sub firele de semnal, ceea ce se face de obicei în două etape:

mai întâi toate conductoarele de împământare sunt extinse pentru a ocupa cel mai mare spațiu pe o placă de circuit imprimat;
apoi orice altceva loc liber umplut cu o suprafata impamantata.

Scopul acestei abordări este de a genera cât mai multe rețele posibil pe un PCB cu două straturi. Micile modificări ale aspectului PCB-ului pot permite conexiuni suplimentare pentru a crește suprafața rețelei de pământ.

Zonarea PCB

Zonarea PCB este o altă tehnologie care poate fi utilizată pentru a reduce zgomotul PCB și EMI și, astfel, pentru a reduce nevoia de straturi suplimentare placă de circuit imprimat. Această tehnologie are aceeași semnificație de bază ca planificarea amplasării componentelor, care este procesul de determinare a locației componentelor pe o placă goală înainte de rutarea firelor. Zonarea PCB este puțin mai mult proces dificil plasarea unei funcționalități similare într-o zonă a PCB-ului, mai degrabă decât amestecarea componentelor diferite din punct de vedere funcțional. Logica de mare viteză, inclusiv microcontrolere, este plasată cât mai aproape de circuitele de putere, componentele lente sunt situate mai departe, iar componentele analogice sunt mai departe. Această abordare are un impact semnificativ asupra Imprimat EMC taxe.

Cu acest aranjament, logica de mare viteză are un impact mai mic asupra altor căi de semnal. Este deosebit de important ca bucla de cristal să fie situată departe de circuite analogice, semnale de viteză mică și conectori. Această regulă se aplică atât plăcilor de circuite imprimate, cât și plasării componentelor în interiorul dispozitivului. Ar trebui evitate aranjamentele care plasează mănunchiuri de cabluri în jurul rezonatorului sau microcontrolerului, deoarece aceste cabluri vor colecta zgomotul și îl vor transporta. Astfel, zonarea determină și amplasarea conectorilor pe placa de circuit imprimat.

Instrumente de proiectare PCB

Există multe instrumente de proiectare disponibile pentru a sprijini proiectarea având în vedere optimizarea EMC. Unul dintre aceste mijloace PCB DesignSpark ultima versiune, care acceptă verificarea regulilor de proiectare (DRC) în timpul rutării, mai degrabă decât atunci când se efectuează o verificare după finalizarea rutei. Acest lucru este util în special atunci când optimizați un PCB pentru costuri, deoarece orice conflicte sau erori sunt semnalate imediat și pot fi rezolvate. Desigur, aceste verificări depind de caracterul complet al informațiilor specificate de proiectant, dar această abordare vă permite să accelerați procesul de rutare și astfel să eliberați timp pentru alte probleme importante.

În versiunea 5 PCB DesignSpark verificare online regulile de proiectare verifică orice componente care au fost adăugate sau mutate ca rezultat al operațiunilor de editare interactivă. De exemplu, toate firele atașate la o componentă mutată și toate firele adăugate prin rutare manuală sunt verificate.

Versiunea 5 adaugă, de asemenea, suport pentru autobuze, astfel încât conductorii să poată fi grupați și direcționați împreună cu ușurință. În loc să deseneze toate conexiunile dintr-un design și să le conecteze la fiecare pin, proiectantul poate crea un design mai puțin aglomerat folosind magistralele adăugând conexiunile pin ale componentei la magistrala prin care este transportat semnalul.

Figura 1: Adăugarea de bare la DesignSpark PCB versiunea 5

Anvelopele pot fi deschise sau închise. O magistrală închisă este o colecție de nume de conductori predefinite pentru o anumită magistrală și numai acei conductori se pot conecta la o anumită magistrală, în timp ce o magistrală deschisă poate include orice conductor.

În timp ce aceste caracteristici au sens la rutarea autobuzelor, ele pot fi folosite pentru a ruta alți conductori pe o placă de circuit imprimat. Această capacitate de a folosi bare colectoare în circuite poate ajuta la simplificarea și claritatea unui design prin gruparea mai multor conductori predispuși la EMI împreună cu conductorii de retur la pământ din jur, reducând astfel EMI pe placa proiectată. O regulă de bază bună este să nu rulați niciodată conductori care emit EMI pe exteriorul plăcii, ceea ce poate fi dificil pentru plăcile mici, cu două straturi. Deplasarea circuitelor care nu emit EMI departe de locuri precum conectori, circuite rezonatoare, relee și drivere de relee unde EMI pot fi induse în aceste circuite ajută, de asemenea, la îmbunătățirea EMC.

Concluzie

Proiectarea unui PCB cu simplitatea necesară pentru a reduce costurile este, fără îndoială, o sarcină mai dificilă decât exploatarea bogăției unei plăci multistrat.

Unele probleme de EMC pot fi rezolvate prin utilizarea condensatoarelor de cuplare și a perlelor de ferită pentru a suprima orice semnal care ar putea fi emis, dar acest lucru adaugă complexitate designului și crește costurile de producție. Dacă interferențele electromagnetice și problemele de compatibilitate electromagnetică pot fi minimizate prin reguli corecte Proiectat folosind zonarea și interferența, generarea de rețele de energie și de pământ poate oferi același nivel de ecranare într-o placă cu două straturi ca și într-un design cu patru sau șase straturi. Acest lucru nu numai că reduce costul de fabricație a plăcilor, dar și îmbunătățește fiabilitatea și performanța, inclusiv compatibilitatea electromagnetică, reducând astfel costul ciclu de viață echipamente.