Thực đơn
trang chủẢnh và video

Tính toàn vẹn của tín hiệu trên bảng mạch in và trở kháng đặc tính của dây dẫn. bố trí PCB

Ngày 11 tháng 12 năm 2016 lúc 5:48 chiều

Bí mật nhỏ của việc truy tìm bảng với hoạt động và bộ khuếch đại nhạc cụ

  • Internet vạn vật,
  • Âm thanh ,
  • Điện tử cho người mới bắt đầu
  • Hướng dẫn
Khi thiết kế bảng
Không có gì rẻ đến thế
Và không được đánh giá cao
Làm thế nào để theo dõi đúng cách.


Trong thời đại Internet vạn vật và sự sẵn có của bảng mạch in, không chỉ sử dụng công nghệ LUT, thiết kế của chúng thường được thực hiện bởi những người có toàn bộ hoạt động liên quan đến công nghệ kỹ thuật số.

Ngay cả khi việc truy tìm rất đơn giản bảng kỹ thuật số Có những quy tắc bất thành văn mà tôi luôn tuân theo trong các dự án của mình và trong trường hợp phát triển các thiết bị đo có phần mạch kỹ thuật số-tương tự, điều này đơn giản là cần thiết.

Trong bài viết này, tôi muốn hướng dẫn những người mới thiết kế một số kỹ thuật cơ bản cần tuân thủ để có được mạch hoạt động ổn định và giảm sai số đo hoặc giảm thiểu hệ số méo của đường dẫn âm thanh. Để rõ ràng, thông tin được trình bày dưới dạng hai ví dụ.

Ví dụ số hai. Truy tìm mạch op-amp đơn giản



Cơm. 1. Mạch khuếch đại Op-amp


Cơm. 2. Hai tùy chọn để truy tìm bảng khuếch đại tới op-amp

Lạc đề nhỏ, không liên quan trực tiếp đến chủ đề bài viết hôm nay

Tôi thực sự khuyên bạn nên sử dụng kỹ thuật tương tự khi cấp nguồn cho các loại vi mạch khác, đặc biệt là ADC, DAC và nhiều chân nguồn của vi điều khiển. Nếu bạn sử dụng các mô-đun vi điều khiển tương tự tích hợp - ADC, DAC, bộ so sánh, nguồn điện áp tham chiếu, đừng lười xem bảng dữ liệu và xem nên lắp đặt tụ điện chặn nào, số lượng bao nhiêu và ở đâu. Mạch tách rời ở dạng bộ lọc hoặc ít nhất là điện trở giữa nguồn điện kỹ thuật số chính của vi điều khiển và mạch tương tự sẽ không bị tổn hại. Tốt hơn là đặt mặt đất tương tự dưới dạng đa giác hoặc lớp màn hình riêng biệt và kết nối nó với mặt đất chính tại một điểm, trong một số trường hợp, điều này rất hữu ích thông qua bộ lọc


Phần tử mạch nhận xét phải được đặt càng gần đầu vào không đảo càng tốt, điều này giúp giảm thiểu khả năng nhiễu với mạch đầu vào có trở kháng cao.

Hãy chuyển sang một trường hợp nghiêm túc và thú vị hơn từ lĩnh vực đo lường, trong đó việc truy tìm có thể cực kỳ quan trọng.

Ví dụ số một. Theo dõi màn hình tiêu thụ hiện tại trên bộ khuếch đại thiết bị


Cơm. 3. Mạch theo dõi dòng điện sử dụng thiết bị đo op-amp

Hình vẽ cho thấy sơ đồ của một đồng hồ đo mức tiêu thụ hiện tại. Phần tử đo là điện trở shunt có trong mạch điện. Tải trọng tại đó đo dòng điện là R trọng tải. Điện áp đo được loại bỏ khỏi điện trở R shunt và lọc bằng mạch đối xứng trên các phần tử R1, R2, C1-C3. Chip U2 dùng để cung cấp điện áp tham chiếu. R4, C5 - bộ lọc đầu ra.

Tất nhiên, khi truy tìm, bạn phải tuân theo tất cả các khuyến nghị được đưa ra ở trên.


Cơm. 4. Hai tùy chọn để định tuyến bảng khuếch đại trên op-amp thiết bị đo đạc

Chúng ta hãy xem những thiếu sót mà sơ đồ bên trái có:

  • Vì chúng ta có đầu vào vi sai nên cần phải làm cho hai đường tín hiệu của nó đối xứng nhất có thể. Các dây dẫn của đường tín hiệu phải có cùng chiều dài và nằm gần nhau. Lý tưởng nhất là ở cùng một khoảng cách với nhau;
  • IC theo dõi tham chiếu phải được đặt càng gần đầu vào điện áp tham chiếu của bộ khuếch đại thiết bị đo càng tốt.
Quan sát rất quy tắc đơn giản bạn làm cho cuộc sống của bạn dễ dàng hơn. Trong một số trường hợp, chúng đơn giản là không gây hại, trong những trường hợp khác, chúng có thể cải thiện đáng kể cả độ ổn định của toàn bộ mạch và độ chính xác của phép đo.

Đừng để một khẩu súng đã nạp đạn trên tường. Một ngày nào đó nó chắc chắn sẽ nổ súng và chọn thời điểm bất tiện nhất cho việc này.

Như đã lưu ý ở trên, các mạch điện khác nhau: phần kỹ thuật số; phần tương tự; phần điện; phần giao diện. Tất cả những phần này của chuỗi phải được không gian hóa nếu có thể. Nếu không, “điều kỳ diệu” có thể xảy ra. Vì vậy, ví dụ: nếu thiết bị của bạn có bàn di chuột (điện dung được vẽ bởi đế đồng trên bảng) và bên cạnh nó bạn đặt bộ chuyển đổi xung nguồn điện, khi đó nhiễu sẽ dẫn đến báo động sai. Một ví dụ khác: việc đặt một bộ phận nguồn, chẳng hạn như rơle, gần bộ phận kỹ thuật số hoặc analog, trong trường hợp xấu nhất có thể làm hỏng các bộ phận bên trong của bộ vi điều khiển, tạo ra điện thế cao hơn 5 volt trên chân và cho kết quả dương tính giả (trong tuy nhiên, phần kỹ thuật số) hoặc số đọc không chính xác (trong phần tương tự), tuy nhiên, nếu độ phân giải ADC không vượt quá 10 bit thì không cần phải tách các vùng đất vì tác động thường là tối thiểu).

Bằng cách làm cho các vùng đất trở nên “khác biệt”, bạn sẽ giảm tác động của chúng đối với nhau. Cần tuân thủ những gì khi xới đất?

Bằng cách tối đa hóa diện tích mặt đất của PCB, độ tự cảm của nó được giảm thiểu, từ đó dẫn đến giảm bức xạ. Ngoài ra, bằng cách tăng diện tích, khả năng chống ồn của bảng mạch in sẽ tăng lên. Có hai cách để tăng diện tích: lấp đầy toàn bộ bảng hoặc làm nó ở dạng lưới.

Việc lấp đầy hoàn toàn cho phép bạn có được trở kháng thấp nhất - đây là hệ thống nối đất “lý tưởng” (lưới kém hơn một chút).

Tuy nhiên, trên các bảng có diện tích lớn, có thể đổ đầy đa giác bằng đất liên tục. Đa giác nên được đặt trên cả hai mặt của bảng càng đều càng tốt. Sử dụng lưới, bạn cần điều khiển bước của nó: .

Các đa giác trên bảng nhiều lớp phải được kết nối ở nhiều nơi, bên dưới là “lồng Faraday” trong thiết kế bảng mạch in. Kỹ thuật này được sử dụng ở tần số gigahertz.


Nếu mặt đất được định tuyến dưới dạng một đường đơn giản thì nên định tuyến đường dây điện ở phía đối diện của bảng. Trong trường hợp bảng nhiều lớp, đường nối đất và đường dây điện cũng được đặt trên các lớp khác nhau.

Điện trở của dây dẫn cũng phụ thuộc vào tần số (xem phần 2). ). Tần số càng cao thì điện trở vết/mặt đất càng cao. Vì vậy, ví dụ: nếu ở tần số 100 Hz, điện trở đất là 574 μOhm và đường tín hiệu (rộng 1 mm, dài 10 mm, dày 35 μm) là 5,74 mOhm, thì ở tần số 1 Hz, chúng sẽ lấy các giá trị là 11,6 mOhm và 43,7 Ohm. Như bạn có thể thấy, sự khác biệt là rất lớn. Ngoài ra, bản thân bo mạch bắt đầu phát ra bức xạ, đặc biệt là ở những khu vực có dây nối với bo mạch.

Chúng ta đã xem xét “mặt đất” theo quan điểm chung, nhưng đi vào chi tiết cụ thể, chúng ta cần thảo luận về cái gọi là mặt đất “tín hiệu”, trong đó:

A) kết nối một điểm là cấu trúc liên kết không mong muốn xét theo quan điểm nhiễu. Bởi vì kết nối nối tiếp trở kháng mặt đất tăng lên, dẫn đến các vấn đề về tần số cao. Phạm vi chấp nhận được đối với cấu trúc liên kết này là từ 1 Hz đến 10 MHz, với điều kiện là vệt đất dài nhất không vượt quá 1/20 bước sóng.


B) kết nối đa điểm có trở kháng thấp hơn đáng kể - được khuyên dùng trong các mạch kỹ thuật số và ở tần số cao. Các kết nối phải càng ngắn càng tốt để giảm thiểu lực cản. Trong các mạch có tần số thấp, cấu trúc liên kết này không sự lựa chọn tốt nhất. Nếu bo mạch có phần LF và HF thì nên đặt HF gần mặt đất hơn và LF gần đường dây điện hơn.


C) kết nối lai - nên sử dụng nó nếu có các thành phần khác nhau trên một bảng mạch in: phần kỹ thuật số, analog hoặc nguồn. Chúng hoạt động ở các tần số khác nhau và không nên trộn lẫn để có độ chính xác và độ ổn định cao hơn cho thiết bị.


Ví dụ về việc chia đất:

Trong trường hợp của chúng tôi (nói đại khái) chỉ có một phần - kỹ thuật số. Sẽ có các đầu nối trên bo mạch, nhưng dòng điện đi qua chúng không đáng kể (lập trình viên, chân UART cho mô-đun Wi-Fi) và không ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị. Mặc dù thực tế là tần số xung nhịp của bộ vi điều khiển là 24 MHz, tất cả các thiết bị ngoại vi được kết nối với nó sẽ hoạt động ở tần số nhỏ hơn 10 MHz đáng kể (ngoại trừ mô-đun Wi-Fi có tần số 2,4 GHz). Nói cách khác, thiết bị của chúng ta có thể sử dụng kết nối một điểm nhưng hệ thống đa điểm cũng phù hợp. Bạn cũng nên đặt đa giác bên dưới tất cả các mạch tần số cao không phát ra (như bộ vi điều khiển của chúng ta, nhưng chúng ta sẽ nói về điều đó sau).


Khi lấp đầy bãi rác, bạn nên loại bỏ phần đồng bên dưới mô-đun Wi-Fi - điều này sẽ tránh che chắn bức xạ của nó.


Tất cả các phần đồng bị cô lập (đồng chết) phải được loại bỏ, vì ở RF chúng bắt đầu bức xạ và gây nhiễu các đường tín hiệu. Tiềm năng ở những khu vực như vậy khác với mặt đất và không mong muốn.


Ngoài mặt đất/đa giác, còn có các rãnh khác trên bảng - rãnh tín hiệu. Chúng có thể mang tín hiệu đồng hồ (ví dụ: dòng SCK của chip MAX7219) hoặc truyền dữ liệu (các rãnh UART RX và TX từ mô-đun Wi-Fi). Đấu dây cho chúng cũng không kém phần trách nhiệm - bạn cần biết một số quy tắc. Thứ nhất, để giảm thiểu nhiễu từ dây dẫn này sang dây dẫn khác, cần duy trì khoảng cách giữa chúng.

Đối với tín hiệu đồng hồ, cũng như các đường âm thanh, video và đặt lại, nên để lại ít nhất hai chiều rộng dấu vết ở hai bên. Trong những trường hợp đặc biệt quan trọng, họ cố gắng tránh giao nhau với các đường ray ở phía đối diện của bảng.

Chắc chắn bạn đã từng nhìn thấy bảng mạch in của nhiều thiết bị khác nhau - và nhận thấy rằng hầu hết chúng đều không có góc vuông.

Ở tần số cao, chúng sẽ hoạt động như ăng-ten nên khi xoay chúng sẽ tạo thành góc 45 độ.

Trước đây, bảng mạch in được vẽ bằng tay, nghĩa là các góc có thể tùy ý (không đúng 45 độ). Theo quan điểm của EMC, cách bố trí này tốt hơn nhưng không làm cho bo mạch trở nên dễ hiểu hơn. Hiện tại, tất cả các hệ thống CAD hiện đại chủ yếu hỗ trợ .


Trong số những thứ khác, khi quay 90 độ, có nghĩa là trong dây chuyền mạnh mẽ với dòng điện caođiều này có thể dẫn đến quá nóng và cháy ra khỏi khu vực. Trong các mạch tần số thấp, việc sử dụng các kết nối hình chữ T không bị cấm, nhưng trong các mạch tần số cao, điều này sẽ dẫn đến các vấn đề.

Mặt khác, nên tránh các góc nhọn - điều này không tốt về mặt công nghệ. Ở những nơi như vậy, các chất phản ứng hóa học bị "ứ đọng" và trong quá trình ăn mòn, một phần dây dẫn sẽ bị ăn mòn.


Trong số những thứ khác, chiều rộng của dây dẫn phải không đổi, vì khi nó thay đổi, đường ray bắt đầu hoạt động giống như một ăng-ten. Không nên đặt các lỗ thông qua trên miếng đệm hoặc ở gần phần tử (không ngăn cách chúng bằng mặt nạ hàn), vì điều này có thể dẫn đến dòng hàn và do đó gây ra khuyết tật trong quá trình lắp ráp. Tốt nhất là che vias bằng mặt nạ hàn.

Các bộ phận được kết nối với bãi chôn lấp phải được ngăn cách bằng rào cản nhiệt, giúp ngăn chặn sự nóng lên không đều của khu vực trong quá trình hàn.


vi điều khiển

Chúng ta đã đề cập đến những kiến ​​thức cơ bản về cách bố trí PCB, giờ là lúc chuyển sang những nội dung cụ thể, đặc biệt là xem xét các phương pháp hay nhất để định tuyến nguồn điện và đường dây nối đất của bộ vi điều khiển.


Các tụ điện chặn phải được đặt càng gần các cực của bộ vi điều khiển càng tốt để chúng nằm dọc theo “đường đi” của dòng điện. Nếu không thì đơn giản là không có ý nghĩa gì với chúng.


Đối với in một mặt, mẫu trông như thế này:


Trong trường hợp bo mạch hai mặt, việc đặt các tụ điện bên dưới vi điều khiển là thuận tiện, nhưng với số lượng lớn và lắp đặt tự động thì điều này sẽ gây khó khăn về mặt kỹ thuật. Thông thường họ cố gắng đặt các thành phần ở một bên.


Bộ cộng hưởng thạch anh, nguồn đồng hồ, cũng phải được đặt càng gần chân càng tốt. Bảng một mặt:


Tất cả các chân nối giữa các chân của chip SMD phải được đặt bên ngoài khu vực hàn:


Và cuối cùng, một số lời khuyên hữu ích.


XEM XÉT CHUNG

Do sự khác biệt đáng kể giữa mạch analog và mạch kỹ thuật số, phần analog của mạch phải được tách biệt khỏi phần còn lại và phải tuân theo các phương pháp và quy tắc đặc biệt khi nối dây. Những ảnh hưởng phát sinh từ các đặc tính không lý tưởng của bảng mạch in trở nên đặc biệt dễ nhận thấy trong các mạch tương tự tần số cao, nhưng có sai sót. nhìn chung, được mô tả trong bài viết này, có thể ảnh hưởng đến đặc tính chất lượng của các thiết bị hoạt động ngay cả trong dải tần số âm thanh.

Mục đích của bài viết này là thảo luận về những lỗi thường gặp của các nhà thiết kế PCB, mô tả tác động của những lỗi này đến hiệu suất chất lượng và đưa ra các đề xuất để giải quyết các vấn đề phát sinh.

Bảng mạch in - linh kiện mạch điện

Chỉ trong một số trường hợp hiếm hoi, mạch tương tự PCB mới có thể được định tuyến sao cho những ảnh hưởng mà nó đưa ra không có bất kỳ ảnh hưởng nào đến hoạt động của mạch. Đồng thời, bất kỳ tác động nào như vậy có thể được giảm thiểu để các đặc tính của mạch tương tự của thiết bị giống như của mô hình và nguyên mẫu.

Cách trình bày

Nhà phát triển mạch kỹ thuật số có thể sửa các lỗi nhỏ trên bo mạch được sản xuất bằng cách thêm các nút nhảy vào nó hoặc ngược lại, loại bỏ các dây dẫn không cần thiết, thực hiện các thay đổi đối với hoạt động của các vi mạch có thể lập trình, v.v., chuyển rất nhanh sang bước phát triển tiếp theo. Đây không phải là trường hợp cho một mạch tương tự. Một số lỗi phổ biến được thảo luận trong bài viết này không thể sửa được bằng cách thêm dây nối hoặc loại bỏ dây dẫn dư thừa. Họ có thể và sẽ làm cho toàn bộ bảng mạch in không hoạt động.

Điều rất quan trọng đối với một nhà thiết kế mạch kỹ thuật số sử dụng các phương pháp hiệu chỉnh như vậy là phải đọc và hiểu rõ tài liệu được trình bày trong bài viết này trước khi đưa thiết kế vào sản xuất. Một chút chú ý đến thiết kế và thảo luận về các lựa chọn khả thi sẽ không chỉ ngăn PCB trở thành phế liệu mà còn giảm chi phí do lỗi tổng thể trong một phần tương tự nhỏ của mạch. Việc tìm ra lỗi và sửa chúng có thể khiến bạn mất hàng trăm giờ. Việc tạo nguyên mẫu có thể giảm thời gian này xuống còn một ngày hoặc ít hơn. Breadboard tất cả các mạch tương tự của bạn.

Nguồn tiếng ồn và nhiễu

Nhiễu và nhiễu là những yếu tố chính hạn chế chất lượng của mạch. Nhiễu có thể được phát ra từ các nguồn hoặc được tạo ra trên các phần tử mạch. Mạch analog thường nằm trên bảng mạch in cùng với các linh kiện số tốc độ cao, bao gồm bộ xử lý tín hiệu số ( DSP).

Tín hiệu logic tần số cao tạo ra nhiễu RF đáng kể ( RFI). Số lượng nguồn phát ra tiếng ồn là rất lớn: nguồn cung cấp năng lượng chính cho hệ thống kỹ thuật số, điện thoại di động, đài phát thanh và truyền hình, nguồn cung cấp năng lượng cho đèn ánh sáng ban ngày, những máy tính cá nhân, phóng điện sét, v.v. Ngay cả khi mạch analog hoạt động ở dải tần số âm thanh, nhiễu tần số vô tuyến có thể tạo ra nhiễu đáng kể ở tín hiệu đầu ra.

Việc lựa chọn thiết kế PCB là yếu tố quan trọng, xác định các đặc tính cơ học khi sử dụng toàn bộ thiết bị. Vật liệu dùng để chế tạo bảng mạch in nhiều cấp độ khác nhau chất lượng. Sẽ phù hợp và thuận tiện nhất cho chủ đầu tư nếu nhà sản xuất bảng mạch in ở gần đó. Trong trường hợp này, có thể dễ dàng kiểm soát điện trở suất và hằng số điện môi - các thông số chính của vật liệu bảng mạch in. Thật không may, điều này là chưa đủ và kiến ​​thức về các thông số khác như tính dễ cháy, độ ổn định nhiệt độ cao và hệ số hút ẩm thường là cần thiết. Những thông số này chỉ có nhà sản xuất linh kiện sử dụng trong sản xuất bảng mạch in mới có thể biết được.

Vật liệu phân lớp được ký hiệu bằng chỉ số FR ( khả năng chống cháy, khả năng chống cháy) và G. Vật liệu có chỉ số FR-1 có tính dễ cháy cao nhất và FR-5 - ít nhất. Vật liệu có chỉ số G10 và G11 có những đặc tính đặc biệt. Các vật liệu của bảng mạch in được đưa ra trong bảng. 1.

Không sử dụng PCB loại FR-1. Có nhiều ví dụ về PCB FR-1 bị hư hỏng do nhiệt từ các thành phần công suất cao. Bảng mạch in thuộc loại này giống với bìa cứng hơn.

FR-4 thường được sử dụng trong sản xuất thiết bị công nghiệp, còn FR-2 được sử dụng trong sản xuất đồ gia dụng. Hai loại này được tiêu chuẩn hóa trong ngành và PCB FR-2 và FR-4 thường phù hợp với hầu hết các ứng dụng. Nhưng đôi khi những đặc điểm không hoàn hảo của các loại này buộc phải sử dụng các vật liệu khác. Ví dụ, đối với các ứng dụng tần số rất cao, nhựa dẻo và thậm chí cả gốm sứ được sử dụng làm vật liệu bảng mạch in. Tuy nhiên, vật liệu PCB càng kỳ lạ thì giá có thể càng cao.

Khi chọn vật liệu PCB, hãy đặc biệt chú ý đến khả năng hút ẩm của nó, vì thông số này có thể có tác động tiêu cực mạnh đến các đặc tính mong muốn của bo mạch - điện trở bề mặt, rò rỉ, đặc tính cách điện cao áp (đánh thủng và phát ra tia lửa điện) và độ bền cơ học. Đồng thời chú ý tới Nhiệt độ hoạt động. Lô đất có nhiệt độ cao có thể xảy ra ở những nơi không ngờ tới, chẳng hạn như gần các mạch tích hợp kỹ thuật số lớn chuyển mạch ở tần số cao. Nếu những khu vực như vậy nằm ngay bên dưới các thành phần analog, nhiệt độ tăng lên có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch analog.

Bảng 1

Thành phần, nhận xét

giấy, thành phần phenolic: ép và dập ở nhiệt độ phòng, hệ số hút ẩm cao

giấy, thành phần phenolic: áp dụng cho bảng mạch in một mặt của đồ dùng gia đình, hệ số hút ẩm thấp

giấy, thành phần epoxy: thiết kế có tính chất cơ và điện tốt

sợi thủy tinh, thành phần epoxy: tính chất cơ và điện tuyệt vời

sợi thủy tinh, thành phần epoxy: cường độ cao ở nhiệt độ cao, không cháy

sợi thủy tinh, thành phần epoxy: đặc tính cách nhiệt cao, độ bền cao nhất của sợi thủy tinh, hệ số hút ẩm thấp

sợi thủy tinh, thành phần epoxy: độ bền uốn cao ở nhiệt độ cao, khả năng kháng dung môi cao

Sau khi vật liệu PCB được chọn, độ dày của lá PCB cần được xác định. Tham số này chủ yếu được chọn dựa trên giá trị tối đa của dòng điện chạy qua. Nếu có thể, hãy cố gắng tránh sử dụng giấy bạc quá mỏng.

SỐ LỚP BẢNG IN

Tùy thuộc vào độ phức tạp tổng thể của mạch và yêu cầu về chất lượng, người thiết kế phải xác định số lớp của PCB.

PCB một lớp

Rất đơn giản mạch điệnđược làm trên các tấm ván một mặt sử dụng vật liệu giấy bạc rẻ tiền (FR-1 hoặc FR-2) và thường có nhiều nút nhảy, giống như tấm ván hai mặt. Phương pháp tạo bảng mạch in này chỉ được khuyến khích cho mạch tần số thấp. Vì những lý do sẽ được mô tả dưới đây, Bảng mạch in một mặt rất dễ bị nhiễu . Một PCB một mặt tốt khá khó thiết kế vì nhiều lý do. Tuy nhiên, cũng có những loại bảng tốt như vậy nhưng khi thiết kế chúng, bạn cần phải suy nghĩ rất nhiều trước.

PCB hai lớp

TRÊN cấp độ tiếp theo Có các bảng mạch in hai mặt, trong hầu hết các trường hợp sử dụng FR-4 làm vật liệu nền, mặc dù đôi khi FR-2 cũng được tìm thấy. Việc sử dụng FR-4 được ưu tiên hơn vì các lỗ trên bảng mạch in làm từ vật liệu này có chất lượng tốt hơn. Mạch trên bảng mạch in hai mặt dễ nối dây hơn nhiều vì Trong hai lớp, việc định tuyến các tuyến đường giao nhau sẽ dễ dàng hơn. Tuy nhiên, đối với các mạch tương tự, không nên dùng đường chéo. Nếu có thể, lớp dưới cùng ( đáy) phải được phân bổ dưới bãi chôn lấp và các tín hiệu còn lại phải được định tuyến ở lớp trên ( đứng đầu). Sử dụng bãi chôn lấp làm xe buýt mặt đất mang lại một số lợi ích:

  • dây chung là dây được nối thường xuyên nhất trong mạch điện; do đó, việc có “nhiều” dây chung để đơn giản hóa việc đi dây là hợp lý.
  • độ bền cơ học của bảng tăng lên.
  • điện trở của tất cả các kết nối với dây chung giảm, từ đó làm giảm tiếng ồn và nhiễu.
  • Điện dung phân bố cho mỗi mạch điện được tăng lên, giúp triệt tiêu nhiễu bức xạ.
  • đa giác, là một màn hình, ngăn chặn nhiễu phát ra từ các nguồn nằm ở cạnh của đa giác.

PCB hai mặt, mặc dù có tất cả các ưu điểm, nhưng không phải là tốt nhất, đặc biệt đối với các mạch tín hiệu thấp hoặc tốc độ cao. Nói chung, độ dày của bảng mạch in, tức là khoảng cách giữa các lớp kim loại hóa là 1,5 mm, quá nhiều để có thể nhận ra đầy đủ một số ưu điểm của bảng mạch in hai lớp nêu trên. Ví dụ, dung lượng phân bổ quá nhỏ do khoảng cách lớn như vậy.

PCB nhiều lớp

Đối với thiết kế mạch quan trọng, cần có bảng mạch in nhiều lớp (MPB). Một số lý do cho việc sử dụng chúng là rõ ràng:

  • Việc phân phối bus điện cũng thuận tiện như bus dây thông thường; nếu các đa giác trên một lớp riêng biệt được sử dụng làm bus điện thì việc cấp nguồn cho từng phần tử mạch bằng vias là khá đơn giản;
  • các lớp tín hiệu được giải phóng khỏi các bus điện, tạo điều kiện thuận lợi cho việc đi dây của dây dẫn tín hiệu;
  • Điện dung phân tán xuất hiện giữa đa giác mặt đất và nguồn, giúp giảm nhiễu tần số cao.

Ngoài những lý do này để sử dụng bảng mạch in nhiều lớp, còn có những lý do khác ít rõ ràng hơn:

  • ức chế điện từ tốt hơn ( EMI) và tần số vô tuyến ( RFI) nhiễu do hiệu ứng phản xạ ( hiệu ứng mặt phẳng ảnh), được biết đến từ thời Marconi. Khi một dây dẫn được đặt gần một bề mặt dẫn điện phẳng, hầu hết dòng phản hồi tần số cao sẽ chạy dọc theo mặt phẳng ngay bên dưới dây dẫn. Chiều của dòng điện này sẽ ngược chiều với chiều dòng điện trong dây dẫn. Như vậy, sự phản xạ của dây dẫn trong mặt phẳng sẽ tạo ra đường truyền tín hiệu. Vì dòng điện trong dây dẫn và trong mặt phẳng có độ lớn bằng nhau và ngược chiều nên tạo ra sự giảm nhiễu bức xạ. Hiệu ứng phản chiếu chỉ hoạt động hiệu quả với các đa giác liền khối liền mạch (đây có thể là cả đa giác nền và đa giác lũy thừa). Bất kỳ sự mất mát nào về tính toàn vẹn sẽ làm giảm khả năng ngăn chặn nhiễu.
  • giảm chi phí tổng thể cho sản xuất quy mô nhỏ. Mặc dù sản xuất PCB nhiều lớp đắt hơn nhưng bức xạ tiềm năng của chúng thấp hơn so với PCB một lớp và hai lớp. Do đó, trong một số trường hợp, chỉ sử dụng bảng nhiều lớp sẽ cho phép bạn đáp ứng các yêu cầu về khí thải đặt ra trong quá trình thiết kế mà không cần thử nghiệm và thử nghiệm bổ sung. Việc sử dụng MPP có thể giảm mức nhiễu bức xạ 20 dB so với bo mạch hai lớp.

Thứ tự lớp

Các nhà thiết kế thiếu kinh nghiệm thường có một số nhầm lẫn về thứ tự tối ưu của các lớp PCB. Ví dụ, hãy lấy buồng 4 lớp chứa hai lớp tín hiệu và hai lớp đa giác - một lớp đất và một lớp năng lượng. Thứ tự lớp tốt nhất là gì? Các lớp tín hiệu giữa các đa giác sẽ đóng vai trò là màn hình? Hay chúng ta nên tạo các lớp đa giác bên trong để giảm nhiễu của các lớp tín hiệu?

Khi giải quyết vấn đề này, điều quan trọng cần nhớ là vị trí của các lớp thường không quan trọng lắm, vì dù sao thì các thành phần cũng nằm ở các lớp bên ngoài và các bus cung cấp tín hiệu cho các chân của chúng đôi khi đi qua tất cả các lớp. Vì vậy, bất kỳ hiệu ứng màn hình nào cũng chỉ là sự thỏa hiệp. Trong trường hợp này, tốt hơn hết bạn nên quan tâm đến việc tạo ra công suất phân bổ lớn giữa đa giác nguồn và đa giác mặt đất, đặt chúng vào các lớp bên trong.

Một ưu điểm khác của việc đặt các lớp tín hiệu bên ngoài là có sẵn tín hiệu để thử nghiệm cũng như khả năng sửa đổi các kết nối. Bất kỳ ai đã từng thay đổi kết nối của dây dẫn nằm ở các lớp bên trong sẽ đánh giá cao cơ hội này.

Đối với PCB có nhiều hơn bốn lớp, có nguyên tắc chungđặt các dây dẫn tín hiệu tốc độ cao giữa mặt đất và đa giác nguồn, đồng thời định tuyến các dây dẫn tín hiệu tần số thấp đến các lớp bên ngoài.

NỐI ĐẤT

Tiếp đất tốt - Yêu cầu chung hệ thống phong phú, đa cấp. Và nó nên được lên kế hoạch ngay từ bước phát triển thiết kế đầu tiên.

Nguyên tắc cơ bản: phân chia đất đai .

Chia trái đất thành phần analog và phần kỹ thuật số là một trong những cách đơn giản và hiệu quả nhất phương pháp hiệu quả cách âm. Một hoặc nhiều lớp của bảng mạch in nhiều lớp thường được dành riêng cho một lớp đa giác nền. Nếu nhà phát triển không có nhiều kinh nghiệm hoặc thiếu chú ý, thì mặt đất của phần tương tự sẽ được kết nối trực tiếp với các đa giác này, tức là. Dòng trở về tương tự sẽ sử dụng cùng mạch với dòng trở về kỹ thuật số. Các nhà phân phối ô tô hoạt động theo cách tương tự và đoàn kết tất cả các vùng đất lại với nhau.

Nếu một bảng mạch in được phát triển trước đó với một đa giác mặt đất duy nhất kết hợp các mặt đất tương tự và kỹ thuật số phải được xử lý, thì trước tiên cần phải tách các mặt đất trên bảng về mặt vật lý (sau thao tác này, hoạt động của bảng gần như không thể thực hiện được). Sau đó, tất cả các kết nối được thực hiện với mặt đất tương tự của các thành phần mạch tương tự (mặt đất tương tự được hình thành) và với mặt đất kỹ thuật số của các thành phần mạch kỹ thuật số (mặt đất kỹ thuật số được hình thành). Và chỉ sau đó, mặt đất kỹ thuật số và analog mới được kết hợp tại nguồn.

Các quy định khác về hình thành đất:

Hầu như tất cả các tín hiệu đồng hồ đều là tín hiệu tần số đủ cao mà ngay cả điện dung nhỏ giữa dấu vết và đa giác cũng có thể tạo ra sự kết hợp đáng kể. Cần phải nhớ rằng không chỉ tần số xung nhịp cơ bản có thể gây ra vấn đề mà còn cả các sóng hài cao hơn của nó.

Ví dụ về vị trí thành phần tốt

Hình 4 cho thấy cách bố trí có thể có của tất cả các thành phần trên bo mạch, bao gồm cả nguồn điện. Điều này sử dụng ba mặt đất/nguồn riêng biệt và cách ly: một cho nguồn, một cho mạch kỹ thuật số và một cho mạch tương tự. Mạch nối đất và mạch nguồn của các bộ phận analog và kỹ thuật số chỉ được kết hợp trong nguồn điện. Tiếng ồn tần số cao được lọc trong mạch điện bằng cuộn cảm. Trong ví dụ này, tín hiệu tần số cao của phần analog và phần kỹ thuật số được tách biệt với nhau. Thiết kế này có xác suất rất cao mang lại kết quả thuận lợi vì nó được đảm bảo chỗ ở tốt các thành phần và tuân theo các quy tắc tách mạch.

Chỉ có một trường hợp cần kết hợp tín hiệu analog và tín hiệu số trên một vùng mặt đất tương tự. Analog sang kỹ thuật số và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tựđược đặt trong vỏ có chân nối đất tương tự và kỹ thuật số. Có tính đến cuộc thảo luận trước đó, có thể giả định rằng chân nối đất kỹ thuật số và chân nối đất tương tự phải được kết nối tương ứng với các bus mặt đất kỹ thuật số và analog. Tuy nhiên, trong trường hợp này điều này không đúng.

Tên của các chân (analog hoặc digital) chỉ đề cập đến cấu trúc bên trong của bộ chuyển đổi, đến kết nối nội bộ. Trong mạch, các chân này phải được kết nối với bus mặt đất tương tự. Kết nối cũng có thể được thực hiện nội bộ mạch tích hợp tuy nhiên, khá khó để có được điện trở thấp của kết nối như vậy do các hạn chế về cấu trúc liên kết. Vì vậy, khi sử dụng bộ chuyển đổi người ta giả sử nối ngoài chân nối đất analog và kỹ thuật số. Nếu điều này không được thực hiện thì các thông số của vi mạch sẽ kém hơn đáng kể so với các thông số được đưa ra trong thông số kỹ thuật.

Cần phải tính đến việc các phần tử kỹ thuật số của bộ chuyển đổi có thể làm giảm đặc tính chất lượng của mạch bằng cách đưa nhiễu kỹ thuật số vào mạch nguồn tương tự và mặt đất tương tự. Điều này được tính đến khi phát triển bộ chuyển đổi. tác động tiêu cựcđể phần kỹ thuật số tiêu thụ ít năng lượng nhất có thể. Đồng thời, giảm nhiễu từ các phần tử logic chuyển mạch. Nếu các chân kỹ thuật số của bộ chuyển đổi không chịu tải nặng thì chuyển mạch bên trong thường không gây ra vấn đề đặc biệt. Khi thiết kế PCB chứa ADC hoặc DAC, phải xem xét cẩn thận việc tách nguồn điện kỹ thuật số của bộ chuyển đổi với mặt đất tương tự.

ĐẶC TÍNH TẦN SỐ CỦA THÀNH PHẦN THỤ ĐỘNG

Vì vận hành chính xác mạch analog rất quan trọng sự lựa chọn đúng đắn thành phần thụ động. Bắt đầu thiết kế của bạn bằng cách xem xét cẩn thận các đặc tính tần số cao của các thành phần thụ động cũng như vị trí và bố cục sơ bộ của chúng trên bản phác thảo bảng.

Một số lượng lớn các nhà thiết kế hoàn toàn bỏ qua những hạn chế về tần số của các thành phần thụ động khi sử dụng trong mạch tương tự. Các thành phần này có dải tần số giới hạn và việc vận hành chúng ngoài dải tần số được chỉ định có thể dẫn đến kết quả không thể đoán trước. Một số người có thể nghĩ rằng cuộc thảo luận này chỉ liên quan đến các mạch tương tự tốc độ cao. Tuy nhiên, điều này không đúng - tín hiệu tần số cao có tác động mạnh mẽ đến các thành phần thụ động của mạch tần số thấp thông qua bức xạ hoặc truyền trực tiếp qua dây dẫn. Ví dụ: bộ lọc thông thấp đơn giản trên op-amp có thể dễ dàng trở thành bộ lọc thông cao khi tiếp xúc với tần số cao ở đầu vào của nó.

Điện trở

Các đặc tính tần số cao của điện trở có thể được biểu diễn mạch tương đương thể hiện trong Hình 5.

Có ba loại điện trở thường được sử dụng: 1) cuộn dây, 2) composite carbon và 3) màng. Không cần nhiều trí tưởng tượng để hiểu làm thế nào một điện trở quấn dây có thể được chuyển đổi thành điện cảm, vì nó là một cuộn dây làm bằng kim loại có điện trở suất cao. Hầu hết các nhà phát triển các thiết bị điện tử không biết gì về cấu trúc bên trong của điện trở màng, cũng là một cuộn dây, mặc dù được làm bằng màng kim loại. Vì vậy, điện trở màng cũng có độ tự cảm nhỏ hơn điện trở quấn dây. Điện trở màng có điện trở không quá 2 kOhm có thể được sử dụng tự do trong các mạch tần số cao. Các cực điện trở song song với nhau nên có sự ghép điện dung đáng chú ý giữa chúng. Đối với các điện trở có giá trị cao, điện dung từ đầu cuối đến đầu cuối sẽ làm giảm tổng trở kháng ở tần số cao.

tụ điện

Đặc tính tần số cao của tụ điện có thể được biểu diễn bằng mạch tương đương trên Hình 6.

Tụ điện trong mạch tương tự được sử dụng làm thành phần tách và lọc. Đối với một tụ điện lý tưởng, điện kháng được xác định theo công thức sau:

Do đó, tụ điện 10 µF sẽ có điện trở 1,6 ohm ở tần số 10 kHz và 160 µohms ở tần số 100 MHz. Có phải vậy không?

Khi sử dụng tụ điện phải cẩn thận kết nối chính xác. Cực dương phải được kết nối với điện thế không đổi dương hơn. Kết nối không chính xác dẫn đến dòng điện một chiều chạy qua tụ điện, điều này có thể làm hỏng không chỉ bản thân tụ điện mà còn có thể làm hỏng một phần của mạch điện.

Trong một số trường hợp hiếm gặp, hiệu điện thế DC giữa hai điểm trong mạch có thể đổi dấu. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các tụ điện không phân cực, cấu trúc bên trong của nó tương đương với hai tụ điện cực, mắc nối tiếp.

Điện cảm

Các đặc tính tần số cao của cuộn cảm có thể được biểu diễn bằng mạch tương đương như trên Hình 7.

Điện kháng tự cảm được mô tả theo công thức sau:

Do đó, độ tự cảm 10 mH sẽ có điện kháng 628 ohms ở 10 kHz và điện kháng 6,28 megohms ở 100 MHz. Phải?

Bảng mạch in

Bản thân bảng mạch in có các đặc điểm của các thành phần thụ động đã thảo luận ở trên, mặc dù không quá rõ ràng.

Mẫu dây dẫn trên bảng mạch in có thể vừa là nguồn vừa là bộ thu nhiễu. Hệ thống dây điện tốt làm giảm độ nhạy của mạch analog với các nguồn bức xạ.

Bảng mạch in dễ bị bức xạ vì dây dẫn và dây dẫn của các bộ phận tạo thành một loại ăng-ten. Lý thuyết ăng-ten là một chủ đề nghiên cứu khá phức tạp và không được đề cập trong bài viết này. Tuy nhiên, một số điều cơ bản được cung cấp ở đây.

Một chút lý thuyết về anten

TRÊN DC hoặc tần số thấp thành phần hoạt động chiếm ưu thế. Khi tần số tăng lên, thành phần phản ứng ngày càng trở nên quan trọng hơn. Trong dải tần từ 1 kHz đến 10 kHz, thành phần cảm ứng bắt đầu phát huy tác dụng và dây dẫn không còn là đầu nối có trở kháng thấp nữa mà đóng vai trò như một cuộn cảm.

Công thức tính độ tự cảm của dây dẫn PCB như sau:

Thông thường, dấu vết trên bảng mạch in có giá trị từ 6 nH đến 12 nH trên mỗi cm chiều dài. Ví dụ: một dây dẫn 10 cm có điện trở 57 mOhm và độ tự cảm 8 nH trên cm. Ở tần số 100 kHz, điện kháng trở thành 50 mOhm và ở tần số cao hơn, dây dẫn sẽ là điện cảm chứ không phải điện trở. .

Quy tắc đối với ăng-ten roi là nó bắt đầu tương tác rõ rệt với trường ở khoảng 1/20 bước sóng và tương tác tối đa xảy ra ở chiều dài thanh bằng 1/4 bước sóng. Do đó, dây dẫn 10 cm trong ví dụ ở đoạn trước sẽ bắt đầu trở thành một ăng-ten khá tốt ở tần số trên 150 MHz. Cần phải nhớ rằng mặc dù máy phát điện tần số đồng hồ Mạch kỹ thuật số có thể không hoạt động ở tần số trên 150 MHz; tín hiệu của nó luôn chứa các sóng hài cao hơn. Nếu bảng mạch in chứa các thành phần có chân cắm có chiều dài đáng kể thì những chân cắm đó cũng có thể đóng vai trò là ăng-ten.

Loại ăng-ten chính khác là ăng-ten vòng. Độ tự cảm của dây dẫn thẳng tăng lên rất nhiều khi nó uốn cong và trở thành một phần của hồ quang. Việc tăng độ tự cảm sẽ làm giảm tần số mà tại đó ăng-ten bắt đầu tương tác với các đường sức.

Các nhà thiết kế PCB có kinh nghiệm với sự hiểu biết hợp lý về lý thuyết ăng-ten vòng lặp sẽ không biết cách thiết kế các vòng lặp cho các tín hiệu quan trọng. Tuy nhiên, một số nhà thiết kế không nghĩ đến điều này, và các dây dẫn dòng phản hồi và dòng tín hiệu trong mạch của họ là các vòng lặp. Việc tạo ra các ăng-ten vòng có thể dễ dàng chứng minh bằng một ví dụ (Hình 8). Ngoài ra, việc tạo một khe ăng-ten được hiển thị ở đây.

Hãy xem xét ba trường hợp:

Lựa chọn A là một ví dụ về thiết kế tồi. Nó hoàn toàn không sử dụng đa giác mặt đất tương tự. Mạch vòng được hình thành bởi dây dẫn mặt đất và tín hiệu. Khi có dòng điện chạy qua sẽ xuất hiện một điện trường và một từ trường vuông góc với nó. Các trường này tạo thành cơ sở anten vòng. Quy tắc ăng-ten vòng nêu rõ rằng để có hiệu suất tốt nhất, chiều dài của mỗi dây dẫn phải bằng một nửa bước sóng của bức xạ thu được. Tuy nhiên, chúng ta không nên quên rằng ngay cả ở 1/20 bước sóng, ăng-ten vòng vẫn phát huy hiệu quả khá tốt.

Lựa chọn B lựa chọn tốt hơn A, nhưng có một khoảng trống trong đa giác, có lẽ là để tạo một vị trí cụ thể cho việc định tuyến dây tín hiệu. Các đường dẫn tín hiệu và dòng điện trở lại tạo thành một ăng ten khe. Các vòng khác hình thành trong các phần cắt xung quanh chip.

Tùy chọn B - ví dụ thiết kế tốt nhất. Các đường dẫn tín hiệu và dòng điện trở lại trùng nhau, làm mất hiệu quả của ăng-ten vòng. Lưu ý rằng thiết kế này cũng có các phần cắt xung quanh các chip, nhưng chúng tách biệt khỏi đường dẫn dòng điện trở về.

Lý thuyết phản xạ và kết hợp tín hiệu gần với lý thuyết về anten.

Khi dây dẫn PCB được quay một góc 90°, tín hiệu có thể bị phản xạ. Điều này chủ yếu là do những thay đổi về độ rộng của đường dẫn hiện tại. Ở đỉnh góc, chiều rộng vết tăng 1,414 lần, dẫn đến đặc tính của đường truyền không khớp, đặc biệt là điện dung phân bố và độ tự cảm của chính vết. Thông thường, cần phải xoay một vết trên bảng mạch in 90°. Nhiều gói CAD hiện đại cho phép bạn làm phẳng các góc của các tuyến đường đã vẽ hoặc vẽ các tuyến đường theo dạng vòng cung. Hình 9 cho thấy hai bước để cải thiện hình dạng góc. Chỉ có ví dụ cuối cùng duy trì độ rộng đường dẫn không đổi và giảm thiểu phản xạ.

Mẹo dành cho các nhà thiết kế PCB có kinh nghiệm: hãy để quá trình làm mịn ở giai đoạn cuối cùng của công việc trước khi tạo các chốt hình giọt nước và tô đa giác. Nếu không, gói CAD sẽ mất nhiều thời gian hơn để xử lý trơn tru do tính toán phức tạp hơn.

Sự ghép điện dung xảy ra giữa các dây dẫn PCB trên các lớp khác nhau khi chúng giao nhau. Đôi khi điều này có thể tạo ra một vấn đề. Các dây dẫn được đặt chồng lên nhau trên các lớp liền kề tạo ra một tụ điện màng dài. Công suất của tụ điện như vậy được tính theo công thức trên Hình 10.

Ví dụ: một bảng mạch in có thể có các thông số sau:
- 4 lớp; các lớp tín hiệu và đa giác mặt đất liền kề nhau,
- khoảng cách giữa các lớp - 0,2 mm,
- chiều rộng dây dẫn - 0,75 mm,
- chiều dài dây dẫn - 7,5 mm.

Hằng số điện môi ER điển hình của FR-4 là 4,5.

Thay thế tất cả các giá trị vào công thức, chúng ta nhận được giá trị điện dung giữa hai bus này bằng 1,1 pF. Ngay cả dung lượng có vẻ nhỏ như vậy cũng không thể chấp nhận được đối với một số ứng dụng. Hình 11 minh họa tác động của điện dung 1 pF khi được kết nối với đầu vào đảo ngược của op-amp tần số cao.

Có thể thấy, biên độ của tín hiệu đầu ra tăng gấp đôi ở tần số gần với giới hạn trên của dải tần của op-amp. Ngược lại, điều này có thể dẫn đến dao động, đặc biệt là ở tần số hoạt động của ăng-ten (trên 180 MHz).

Hiệu ứng này làm phát sinh nhiều vấn đề, tuy nhiên, có nhiều cách để giải quyết chúng. Rõ ràng nhất trong số đó là việc giảm chiều dài của dây dẫn. Một cách khác là giảm chiều rộng của chúng. Không có lý do gì để sử dụng dây dẫn có chiều rộng này để kết nối tín hiệu với đầu vào đảo ngược, bởi vì Rất ít dòng điện chạy qua dây dẫn này. Việc giảm chiều dài của dấu vết xuống 2,5 mm và chiều rộng xuống 0,2 mm sẽ dẫn đến giảm điện dung xuống 0,1 pF và điện dung như vậy sẽ không còn dẫn đến đáp ứng tần số tăng đáng kể như vậy nữa. Một giải pháp khác là loại bỏ một phần đa giác dưới đầu vào đảo ngược và dây dẫn đi tới nó.

Chiều rộng của dây dẫn PCB không thể giảm vô thời hạn. Chiều rộng giới hạn được định nghĩa là Quy trình công nghệ, và độ dày của lá. Nếu hai dây dẫn đi gần nhau thì giữa chúng sẽ hình thành một khớp nối điện dung và cảm ứng (Hình 12).

Các dây dẫn tín hiệu không nên được định tuyến song song với nhau, ngoại trừ trường hợp đường vi sai hoặc vi dải. Khoảng cách giữa các dây dẫn phải ít nhất gấp ba lần chiều rộng của dây dẫn.

Điện dung giữa các dấu vết trong mạch tương tự có thể tạo ra vấn đề với giá trị điện trở lớn (vài megohm). Sự ghép điện dung tương đối lớn giữa đầu vào đảo và không đảo của op-amp có thể dễ dàng khiến mạch dao động.

Ví dụ, với d=0,4 mm và h=1,5 mm (giá trị khá phổ biến), độ tự cảm của lỗ là 1,1 nH.

Hãy nhớ rằng nếu có điện trở lớn trong mạch thì cần đặc biệt chú ý đến việc vệ sinh bo mạch. Trong các hoạt động cuối cùng của quá trình sản xuất bảng mạch in, mọi chất trợ dung và chất gây ô nhiễm còn sót lại phải được loại bỏ. Gần đây, khi lắp đặt bảng mạch in, chất trợ dung hòa tan trong nước thường được sử dụng. Ít gây hại hơn nên chúng dễ dàng được loại bỏ bằng nước. Nhưng đồng thời, việc rửa bảng bằng nước không đủ sạch có thể dẫn đến ô nhiễm thêm làm xấu đi đặc tính điện môi. Vì vậy, việc làm sạch bảng mạch có trở kháng cao bằng nước cất mới là rất quan trọng.

CÁCH TÍN HIỆU

Như đã lưu ý, nhiễu có thể xâm nhập vào phần tương tự của mạch thông qua các mạch cấp nguồn. Để giảm nhiễu như vậy, các tụ điện tách (chặn) được sử dụng để giảm trở kháng cục bộ của bus điện.

Nếu bạn cần bố trí một bảng mạch in có cả phần analog và phần kỹ thuật số thì bạn cần phải có ít nhất một chút hiểu biết về Đặc điểm điện từ các yếu tố logic.

Giai đoạn đầu ra điển hình của phần tử logic chứa hai bóng bán dẫn được kết nối nối tiếp với nhau, cũng như giữa mạch nguồn và mạch nối đất (Hình 14).

Lý tưởng nhất là các bóng bán dẫn này hoạt động hoàn toàn ở nghịch pha, tức là khi một trong số chúng mở, thì tại cùng thời điểm đó, cái thứ hai sẽ đóng lại, tạo ra tín hiệu logic hoặc tín hiệu logic 0 ở đầu ra. Ở trạng thái logic trạng thái ổn định, mức tiêu thụ điện năng của phần tử logic nhỏ.

Tình huống thay đổi đáng kể khi giai đoạn đầu ra chuyển từ trạng thái logic này sang trạng thái logic khác. Trong trường hợp này, trong một khoảng thời gian ngắn, cả hai bóng bán dẫn có thể mở đồng thời và dòng điện cung cấp ở giai đoạn đầu ra tăng lên rất nhiều, do điện trở của đường dẫn dòng điện từ bus nguồn đến bus mặt đất thông qua hai bóng bán dẫn nối tiếp. giảm đi. Điện năng tiêu thụ tăng đột ngột sau đó lại giảm xuống dẫn đến thay đổi cục bộđiện áp cung cấp và sự xuất hiện của sự thay đổi đột ngột, ngắn hạn của dòng điện. Những thay đổi về dòng điện này dẫn đến sự phát xạ năng lượng tần số vô tuyến. Ngay cả trên một bảng mạch in tương đối đơn giản cũng có thể có hàng chục hoặc hàng trăm giai đoạn đầu ra được xem xét của các phần tử logic, do đó, hiệu ứng tổng thể của hoạt động đồng thời của chúng có thể rất lớn.

Không thể dự đoán chính xác dải tần mà các xung dòng điện này sẽ xảy ra, vì tần suất xuất hiện của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cả độ trễ truyền của các bóng bán dẫn chuyển mạch của phần tử logic. Ngược lại, sự chậm trễ còn phụ thuộc vào nhiều lý do ngẫu nhiên phát sinh trong quá trình sản xuất. Tiếng ồn chuyển mạch có sự phân bố băng thông rộng của các thành phần hài trên toàn bộ phạm vi. Có một số phương pháp khử nhiễu kỹ thuật số, việc áp dụng phương pháp này phụ thuộc vào sự phân bố phổ của nhiễu.

Bảng 2 cho thấy tần số hoạt động tối đa của các loại tụ điện thông dụng.

ban 2

Từ bảng này, rõ ràng là tụ điện điện phân tantalum được sử dụng cho tần số dưới 1 MHz; ở tần số cao hơn, nên sử dụng tụ gốm. Cần phải nhớ rằng các tụ điện có sự cộng hưởng riêng và việc lựa chọn sai chúng có thể không những không giúp ích gì mà còn làm vấn đề trở nên trầm trọng hơn. Hình 15 cho thấy khả năng tự cộng hưởng điển hình của hai tụ điện thông thường - tụ điện điện phân tantalum 10 μF và tụ điện gốm 0,01 μF.

Thông số kỹ thuật thực tế có thể khác nhau giữa các nhà sản xuất khác nhau và thậm chí theo từng lô trong cùng một nhà sản xuất. Điều quan trọng là phải hiểu rằng đối với công việc hiệu quả tụ điện thì tần số mà nó triệt tiêu phải nằm trong dải thấp hơn tần số cộng hưởng của chính nó. Nếu không, bản chất của điện kháng sẽ là cảm ứng và tụ điện sẽ không hoạt động hiệu quả nữa.

Đừng nhầm lẫn rằng một tụ điện 0,1 µF sẽ triệt tiêu tất cả các tần số. Các tụ điện nhỏ (10 nF trở xuống) có thể hoạt động hiệu quả hơn ở tần số cao hơn.

Tách nguồn IC

Việc tách nguồn điện của mạch tích hợp để triệt tiêu nhiễu tần số cao bao gồm việc sử dụng một hoặc nhiều tụ điện được kết nối giữa chân nguồn và chân nối đất. Điều quan trọng là dây dẫn nối dây dẫn với tụ điện phải ngắn. Nếu không đúng như vậy thì độ tự cảm của dây dẫn sẽ đóng một vai trò quan trọng và làm mất đi lợi ích của việc sử dụng tụ điện tách rời.

Một tụ điện tách rời phải được kết nối với mỗi gói chip, bất kể có 1, 2 hay 4 op-amps bên trong gói. Nếu op amp được cung cấp kép thì tất nhiên là các tụ tách rời phải được đặt ở mỗi chân nguồn. Giá trị điện dung phải được lựa chọn cẩn thận tùy thuộc vào loại nhiễu và nhiễu có trong mạch.

Trong những trường hợp đặc biệt khó khăn, có thể cần thêm một cuộn cảm mắc nối tiếp với nguồn điện ra. Độ tự cảm phải được đặt trước chứ không phải sau tụ điện.

Một cách khác rẻ hơn là thay thế cuộn cảm bằng một điện trở có điện trở thấp (10...100 Ohms). Trong trường hợp này, cùng với tụ điện tách, điện trở tạo thành bộ lọc thông thấp. Phương pháp này làm giảm phạm vi cung cấp điện của op-amp, điều này cũng trở nên phụ thuộc nhiều hơn vào mức tiêu thụ điện năng.

Thông thường, để triệt tiêu nhiễu tần số thấp trong mạch điện, chỉ cần sử dụng một hoặc nhiều tụ điện điện phân bằng nhôm hoặc tantalum ở đầu nối đầu vào nguồn là đủ. Một tụ gốm bổ sung sẽ triệt tiêu nhiễu tần số cao từ các bo mạch khác.

CÁCH CÁCH TÍN HIỆU ĐẦU VÀO VÀ ĐẦU RA

Nhiều vấn đề về nhiễu xảy ra do việc kết nối trực tiếp các chân đầu vào và đầu ra. Do giới hạn tần số cao của các thành phần thụ động, phản ứng của mạch khi tiếp xúc với nhiễu tần số cao có thể khá khó dự đoán.

Trong trường hợp dải tần của tiếng ồn cảm ứng là đến một mức độ lớn khác với dải tần của mạch, giải pháp rất đơn giản và rõ ràng - đặt bộ lọc RC thụ động để triệt tiêu nhiễu tần số cao. Tuy nhiên, khi sử dụng bộ lọc thụ động, bạn phải cẩn thận: các đặc tính của nó (do đặc tính tần số không lý tưởng của các thành phần thụ động) mất đặc tính ở tần số cao hơn 100...1000 lần so với tần số cắt (f 3db). Khi sử dụng các bộ lọc nối tiếp được điều chỉnh theo các dải tần số khác nhau, bộ lọc tần số cao hơn phải ở gần nguồn nhiễu nhất. Cuộn cảm vòng Ferrite cũng có thể được sử dụng để triệt tiêu tiếng ồn; chúng giữ lại tính chất quy nạp của điện trở đến một mức nhất định tần số nhất định, và trên mức kháng cự của chúng sẽ hoạt động.

Lời khuyên về mạch tương tự có thể lớn đến mức chỉ có thể loại bỏ (hoặc ít nhất là giảm bớt) chúng thông qua việc sử dụng màn hình. Để hoạt động hiệu quả, chúng phải được thiết kế cẩn thận sao cho tần số tạo ra vấn đề lớn nhất, không thể tham gia vào chương trình. Điều này có nghĩa là màn hình không được có lỗ hoặc vết cắt lớn hơn 1/20 bước sóng của bức xạ được sàng lọc. Ý tưởng tốt Phân bổ đủ không gian cho tấm chắn được đề xuất ngay từ đầu thiết kế PCB. Khi sử dụng tấm chắn, bạn có thể tùy ý sử dụng vòng ferit (hoặc hạt) cho tất cả các kết nối với mạch điện.

TRƯỜNG HỢP KHUẾCH ĐẠI HOẠT ĐỘNG

Một, hai hoặc bốn bộ khuếch đại hoạt động thường được đặt trong một gói (Hình 16).

Một op amp đơn thường cũng có các đầu vào bổ sung, chẳng hạn như để điều chỉnh điện áp bù. Bộ khuếch đại thuật toán kép và bốn chỉ có đầu vào và đầu ra đảo ngược và không đảo ngược. Vì vậy, nếu cần có sự điều chỉnh bổ sung thì phải sử dụng các bộ khuếch đại thuật toán đơn. Khi sử dụng các đầu ra bổ sung, bạn phải nhớ rằng về mặt cấu tạo, chúng là đầu vào phụ nên phải được kiểm soát cẩn thận và phù hợp với khuyến nghị của nhà sản xuất.

Trong một op amp đơn, đầu ra nằm ở phía đối diện với đầu vào. Điều này có thể gây khó khăn cho việc vận hành bộ khuếch đại ở tần số cao do đường phản hồi dài. Một cách để khắc phục điều này là đặt bộ khuếch đại và các bộ phận phản hồi lên các mặt khác nhau bảng mạch in. Tuy nhiên, điều này dẫn đến ít nhất hai lỗ bổ sung và vết cắt trên đa giác trên mặt đất. Đôi khi, bạn nên sử dụng op amp kép để giải quyết vấn đề này, ngay cả khi không sử dụng bộ khuếch đại thứ hai (và các chân của nó phải được kết nối đúng cách). Hình 17 minh họa việc giảm chiều dài của dây dẫn mạch phản hồi đối với kết nối đảo ngược.

Bộ khuếch đại thuật toán kép đặc biệt phổ biến trong các bộ khuếch đại âm thanh nổi và bộ khuếch đại thuật toán bốn pha được sử dụng trong các mạch lọc nhiều tầng. Tuy nhiên, có một nhược điểm khá đáng kể đối với điều này. Mặc dù công nghệ hiện đại cung cấp sự cách ly tốt giữa các tín hiệu của bộ khuếch đại nằm trên cùng một chip silicon, nhưng vẫn có một số nhiễu xuyên âm giữa chúng. Nếu cần có lượng nhiễu như vậy rất nhỏ thì cần phải sử dụng các bộ khuếch đại hoạt động đơn lẻ. Nhiễu xuyên âm không chỉ xảy ra khi sử dụng bộ khuếch đại kép hoặc bốn. Nguồn của chúng có thể ở rất gần các thành phần thụ động của các kênh khác nhau.

Ngoài những tính năng trên, op-amps kép và bốn, cho phép cài đặt dày đặc hơn. Các bộ khuếch đại riêng lẻ dường như là hình ảnh phản chiếu tương đối với nhau (Hình 18).

Hình 17 và 18 không hiển thị tất cả các kết nối cần thiết cho hoạt động binh thương, ví dụ: một công cụ định hình cấp trung với cung cấp điện đơn cực. Hình 19 cho thấy sơ đồ của bộ định hình như vậy khi sử dụng bộ khuếch đại quad.

Sơ đồ hiển thị tất cả các kết nối cần thiết để thực hiện ba giai đoạn đảo ngược độc lập. Cần phải chú ý đến thực tế là các dây dẫn của bộ điều khiển điện áp nửa nguồn được đặt ngay dưới vỏ mạch tích hợp, điều này có thể giảm chiều dài của chúng. Ví dụ này minh họa không phải những gì nên làm mà là những gì nên làm. Ví dụ, mức điện áp trung bình có thể giống nhau đối với cả bốn bộ khuếch đại. Các thành phần thụ động có thể có kích thước phù hợp. Ví dụ: các thành phần phẳng có kích thước khung 0402 khớp với khoảng cách chân của gói SO tiêu chuẩn. Điều này cho phép giữ chiều dài dây dẫn rất ngắn cho các ứng dụng tần số cao.

GẮN 3D VÀ BỀ MẶT

Khi đặt op amp trong các gói DIP và các linh kiện thụ động có dây dẫn, phải có vias trên bảng mạch in để gắn chúng. Các thành phần như vậy hiện được sử dụng khi không có yêu cầu đặc biệt về kích thước của bảng mạch in; Chúng thường rẻ hơn nhưng giá thành của bảng mạch in lại tăng lên trong quá trình sản xuất do phải khoan thêm lỗ cho các dây dẫn linh kiện.

Ngoài ra, khi sử dụng các linh kiện bên ngoài, kích thước của bo mạch và chiều dài của dây dẫn tăng lên, điều này không cho phép mạch hoạt động ở tần số cao. Vias có độ tự cảm riêng, điều này cũng hạn chế đặc tính động của mạch. Do đó, các thành phần trên cao không được khuyến nghị sử dụng cho các mạch tần số cao hoặc cho các mạch tương tự đặt gần các mạch logic tốc độ cao.

Một số nhà thiết kế, cố gắng giảm chiều dài của dây dẫn, đặt các điện trở theo chiều dọc. Thoạt nhìn có vẻ như điều này rút ngắn độ dài của tuyến đường. Tuy nhiên, điều này làm tăng đường đi của dòng điện qua điện trở và bản thân điện trở biểu thị một vòng lặp (vòng tự cảm). Khả năng phát và thu tăng lên gấp nhiều lần.

Việc lắp đặt trên bề mặt không cần có lỗ cho mỗi dây dẫn thành phần. Tuy nhiên, có vấn đề nảy sinh khi kiểm tra mạch và cần sử dụng vias làm điểm kiểm tra, đặc biệt khi sử dụng các linh kiện nhỏ.

PHẦN OP-AMP KHÔNG SỬ DỤNG

Khi sử dụng op-amp kép và bốn trong mạch, một số phần có thể vẫn chưa được sử dụng và phải được kết nối đúng cách trong trường hợp này. Kết nối không chính xác có thể dẫn đến mức tiêu thụ điện năng tăng, nhiều nhiệt hơn và nhiều tiếng ồn hơn từ các bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng trong cùng một gói. Các chân của bộ khuếch đại hoạt động không sử dụng có thể được kết nối như trong Hình. 20a. Các chân kết nối với thành phần bổ sung(Hình 20b) sẽ giúp bạn dễ dàng sử dụng op-amp này trong quá trình thiết lập.

PHẦN KẾT LUẬN

Hãy nhớ những điểm cơ bản sau đây và ghi nhớ chúng mọi lúc khi thiết kế và nối dây các mạch tương tự.

Là phổ biến:

  • hãy coi bảng mạch in như một bộ phận trong mạch điện;
  • có nhận thức và hiểu biết về các nguồn gây tiếng ồn, nhiễu;
  • mô hình và bố trí mạch.

Bảng mạch in:

  • chỉ sử dụng bảng mạch in từ vật liệu chất lượng(ví dụ FR-4);
  • mạch làm trên bo mạch in nhiều lớp ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu bên ngoài hơn 20 dB so với mạch làm trên bo mạch hai lớp;
  • sử dụng các đa giác riêng biệt, không chồng chéo cho các vùng đất và nguồn cấp dữ liệu khác nhau;
  • Đặt các đa giác nối đất và nguồn vào các lớp bên trong của PCB.

Các thành phần:

  • Lưu ý về các giới hạn tần số do các thành phần thụ động và dấu vết bo mạch gây ra;
  • cố gắng tránh vị trí dọc linh kiện thụ động trong mạch tốc độ cao;
  • Đối với các mạch tần số cao, hãy sử dụng các bộ phận được thiết kế để lắp trên bề mặt;
  • dây dẫn nên ngắn hơn thì càng tốt;
  • nếu cần chiều dài dây dẫn lớn hơn thì hãy giảm chiều rộng của nó;
  • Các chân không sử dụng của các thành phần hoạt động phải được kết nối chính xác.

Đấu dây:

  • đặt mạch analog gần đầu nối nguồn;
  • không bao giờ định tuyến các dây dẫn truyền tín hiệu logic qua vùng analog của bo mạch và ngược lại;
  • làm cho dây dẫn phù hợp với đầu vào đảo ngược của op-amp;
  • đảm bảo rằng các dây dẫn của đầu vào đảo ngược và không đảo ngược của op-amp không được đặt song song với nhau trên một khoảng cách dài;
  • cố gắng tránh sử dụng thêm vias, bởi vì... độ tự cảm của chính chúng có thể gây ra thêm nhiều vấn đề;
  • không định tuyến dây dẫn theo góc vuông và làm phẳng phần trên của các góc nếu có thể.

Trao đổi:

  • sử dụng đúng loại tụ điện để khử nhiễu trong mạch cấp nguồn;
  • Để triệt tiêu nhiễu và nhiễu tần số thấp, hãy sử dụng tụ điện tantalum ở đầu nối đầu vào nguồn;
  • Để triệt tiêu nhiễu và nhiễu tần số cao, hãy sử dụng tụ gốm ở đầu nối đầu vào nguồn;
  • sử dụng tụ gốm ở mỗi chân nguồn của vi mạch; nếu cần, hãy sử dụng nhiều tụ điện cho các mục đích khác nhau. dải tần số;
  • nếu xảy ra kích thích trong mạch thì phải sử dụng tụ điện có giá trị điện dung thấp hơn chứ không phải tụ điện lớn hơn;
  • trong trường hợp khó khăn thì sử dụng các điện trở mắc nối tiếp có điện trở hoặc độ tự cảm thấp trong mạch điện;
  • Tụ tách nguồn analog chỉ nên được kết nối với mặt đất analog, không phải mặt đất kỹ thuật số.

1. Quy định chung

Để ngăn ngừa các vấn đề về tĩnh điện và tiếng ồn, phải tuân theo một số quy tắc nhất định khi bố trí bảng mạch in. Điểm quan trọng nhất là chân C, bởi vì nó được kết nối với nguồn điện 3,3 volt tích hợp của lõi MK. Vì vậy, tụ lọc nên được đặt càng gần cực càng tốt.

Bạn cũng nên chú ý đến việc nối dây nguồn và mạch nối đất. Thức ăn được cung cấp bởi một “ngôi sao”. Chúng tôi khuyên bạn nên đặt một lớp đất ở phía lắp đặt ngay dưới thân MK. Các đường Vcc và Vss chỉ nên có một điểm kết nối với phần còn lại của mạch để tránh nhiễu vào MK và từ MK. Các tụ lọc (DeCaps) phải được đặt càng gần các cực tương ứng càng tốt. Nếu chúng bị loại bỏ quá xa, chúng sẽ ngừng thực hiện chức năng của mình.

Khi sử dụng bộ cộng hưởng thạch anh, chúng phải được đặt ở khoảng cách tối thiểu so với các cực Xn(A).

Nếu có thể, nên đặt tụ lọc ở phía lắp MK.

2 Dây cấp nguồn

Xe buýt Vcc và Vss cần được định tuyến không phải theo chuỗi nối tiếp mà theo “ngôi sao”. Đối với Vss, nên sử dụng một đa giác bằng đất dưới thân MK, kết nối tại một điểm với phần còn lại của mạch.

Dưới đây là hai ví dụ về hệ thống dây điện tốt và xấu.

3 Đầu ra lọc C

4 Mạch điện lọc

Các tụ lọc (DeCaps) cho mạch điện phải được đặt trên đường dẫn của dòng điện, nếu không việc sử dụng chúng sẽ không có ý nghĩa gì. Hình dưới đây giải thích tuyên bố này:

5 Vị trí bộ cộng hưởng thạch anh và đấu dây mạch tín hiệu

Thạch anh nên được đặt càng gần MK càng tốt. Như vậy, các tụ điện của máy phát điện sẽ được đặt “phía sau” thạch anh.

6 Tài liệu bổ sung

Bổ sung thêm thông tin chi tiết có trong Ghi chú Ứng dụng 16bit-EMC-Guideline.

7 Danh sách kết luận của MK

Bảng này trình bày các kết luận của MK rất quan trọng đối với các tương tác điện từ và thông tin ngắn gọn về sự kết nối của họ.

Tên đầu ra Chức năng thực hiện
vcc
Vss Nguồn điện chính cho các cổng I/O của lõi MK, cạnh đầu vào bộ điều chỉnh bên trong 3.3V, cạnh bộ dao động tinh thể
VỚI Tụ điện làm mịn bên ngoài dành cho bộ điều chỉnh 3,3V tích hợp dùng để cấp nguồn cho lõi MK. Xin lưu ý rằng chân này là nguồn gây nhiễu chính.
AVcc* nguồn điện ADC
AV* nguồn điện ADC
AVRL*
AVRH* Đầu vào tham chiếu ADC
DVcc*, HVcc* Nguồn điện cho đầu raPWM dòng điện cao, không kết nối Vcc, phải được kết nối với nguồn điện bổ sung.
DVss*, HVss* Nguồn điện cho đầu raPWM dòng điện cao, không kết nối Vss, phải được kết nối với nguồn điện bổ sung.
X0, X0A* Đầu vào máy phát điện. Nếu không sử dụng, hãy kết nối qua điện trở với nguồn điện hoặc mặt đất “+” (xem DS).
X1, X1A* Đầu ra máy phát điện. Tinh thể và tụ điện phải được kết nối dọc theo đường đi ngắn nhất tới chân X1. Nếu không sử dụng, hãy ngắt kết nối.

* - có thể không có trong một MK cụ thể

Trong phần này chúng ta xem xét cách tránh biến dạng tín hiệu kĩ thuật số liên quan đến việc truyền nó qua dây dẫn trên bảng mạch in. Mặc dù đây chủ yếu là nhiệm vụ của kỹ sư mạch, nhưng người thiết kế PCB cũng thường phải chịu trách nhiệm về các vấn đề truyền tín hiệu trên bo mạch, cũng như nhiễu xuyên âm và xuyên âm xảy ra trên bo mạch.

Tại sao tín hiệu bị méo trong quá trình truyền?
Trước hết, méo tiếng là đặc trưng của tín hiệu tần số cao, có tần số từ 1 GHz trở lên. Điều này là do ảnh hưởng của sự cộng hưởng và phản xạ trên từng đoạn dây, vias, quạt ra trên bo mạch và ở đầu vào máy thu. Tuy nhiên, vấn đề là các tín hiệu có tần số lên tới 500 MHz, điển hình cho các mạch kỹ thuật số tiêu chuẩn, như chúng ta sẽ thấy sau, thường có thể bị biến dạng đáng kể, nghĩa là chúng cũng có thể được phân loại là tần số cao.

Ý tưởng truyền tải mà không bị biến dạng là gì?
Nguyên lý truyền tín hiệu mà không bị méo tiếng là dây dẫn được chế tạo như một đường truyền (hoặc “đường dây dài”) với trở kháng đặc tính (sóng) nhất định, tức là. trở kháng Z 0, giống nhau dọc theo toàn bộ chiều dài từ nguồn đến bộ thu tín hiệu, đảm bảo tính đồng nhất của đường truyền. Yêu cầu thứ hai là tính nhất quán của đường truyền với nguồn và bộ thu tín hiệu. Không giống như dây dẫn thông thường, đường truyền như vậy không gây ra hiện tượng cộng hưởng, méo tiếng hoặc phản xạ trong quá trình truyền tín hiệu, bất kể thời gian truyền dài bao lâu. Đường truyền có thể được thực hiện dễ dàng trên bảng mạch in bằng cách sử dụng vật liệu có các thông số đã biết và đảm bảo kích thước yêu cầu của các phần tử mẫu in. Có kết nối đường nối tiếp và song song và cần sử dụng một số điện trở phù hợp nhất định ở đầu ra nguồn và/hoặc đầu vào bộ thu tín hiệu. Tất nhiên, các đường truyền hình thành trên bo mạch có thể được mở rộng ra bên ngoài bo mạch bằng cách sử dụng các đầu nối và cáp có trở kháng đặc tính được điều khiển Z 0 .

Đối với những tín hiệu nào sự biến dạng trở nên đáng kể?
Bằng cách so sánh chiều dài của dây dẫn trên bảng với bước sóng của thành phần tần số cao nhất của tín hiệu truyền đi (ví dụ như khi truyền trong vật liệu FR4), có thể xác định được cái gọi là chiều dài điện của dây dẫn. Độ dài điện có thể được biểu thị bằng phân số của bước sóng tối thiểu hoặc bằng phân số của giá trị nghịch đảo của nó - khoảng thời gian phía trước. Nếu dây dẫn có chiều dài điện quá lớn thì để tránh hiện tượng méo tín hiệu quá mức, dây dẫn này phải được cấu hình như một đường truyền. Lưu ý rằng khi truyền tín hiệu tần số cao, nên sử dụng đường truyền không chỉ để giảm méo mà còn để giảm mức độ bức xạ điện từ(AMY).

Quy tắc “một nửa thời gian của mặt trước”
Một nguyên tắc cơ bản là dây dẫn phải "dài về mặt điện" (cái được gọi trong kỹ thuật điện "hàng dài"), nếu thời gian để mặt trước tín hiệu truyền từ nguồn đến máy thu xa nhất vượt quá một nửa thời gian mặt trước tín hiệu. Trong trường hợp này, sự phản xạ trên đường truyền có thể làm biến dạng đáng kể mặt trước tín hiệu. Giả sử rằng thiết bị chứa các chip có thời gian tăng là 2 ns (ví dụ: theo tài liệu dành cho dòng FastTTL). Hằng số điện môi của vật liệu PCB (FR4) ở tần số cao gần bằng 4,0, cho tốc độ phía trước khoảng 50% tốc độ ánh sáng, hay 1,5,10 8 m/s. Điều này tương ứng với thời gian truyền sóng phía trước là 6,7 ps/mm. Với tốc độ này, phía trước sẽ di chuyển khoảng 300 mm trong 2 ns. Từ đó, chúng ta có thể kết luận rằng đối với những tín hiệu như vậy, "đường truyền" chỉ nên được sử dụng nếu chiều dài dây dẫn vượt quá một nửa khoảng cách này - tức là 150 mm.

Thật không may, đây là câu trả lời sai. Quy tắc "thời gian tăng một nửa" quá đơn giản và có thể dẫn đến các vấn đề nếu không tính đến những thiếu sót của nó.

Các vấn đề với cách tiếp cận đơn giản hóa
Dữ liệu về thời gian tăng được đưa ra trong tài liệu dành cho vi mạch phản ánh giá trị tối đa và thường thời gian thực chuyển đổi ít hơn đáng kể (giả sử, nó có thể ít hơn 3-4 lần so với mức “tối đa” và khó có thể đảm bảo rằng nó sẽ không thay đổi theo từng đợt chip). Hơn nữa, thành phần điện dung không thể tránh khỏi của tải (từ đầu vào IC được kết nối đường dây) làm giảm tốc độ truyền tín hiệu so với tốc độ thiết kế có thể đạt được trên bảng mạch trần. Do đó, để đạt được tính toàn vẹn của tín hiệu được truyền đi, đường truyền nên được sử dụng với dây dẫn ngắn hơn nhiều so với quy tắc được mô tả trước đó. Có thể chỉ ra rằng đối với các tín hiệu có thời gian tăng (theo tài liệu) là 2 ns, nên sử dụng đường truyền cho dây dẫn có chiều dài chỉ vượt quá 30 mm (và đôi khi ít hơn)! Điều này đặc biệt áp dụng cho các tín hiệu mang chức năng đồng bộ hóa hoặc cổng. Chính những tín hiệu này được đặc trưng bởi các vấn đề liên quan đến “dương tính giả”, “tính toán lại”, “ghi dữ liệu không chính xác” và các vấn đề khác.

Thiết kế đường dây truyền tải như thế nào?
Có rất nhiều ấn phẩm dành cho các loại đường truyền có thể có, cách thiết kế chúng trên bảng mạch in và cách kiểm tra các thông số của chúng. Đặc biệt, tiêu chuẩn IEC 1188-1-2:1988 đưa ra hướng dẫn chi tiết về vấn đề này. Ngoài ra còn có nhiều sản phẩm phần mềm cho phép bạn lựa chọn thiết kế đường truyền và cấu trúc PCB. Hầu hết các hệ thống thiết kế PCB hiện đại đều có các chương trình tích hợp cho phép người thiết kế thiết kế đường truyền với các thông số được chỉ định. Ví dụ bao gồm các chương trình như AppCAD, CITS25, TXLine. Những khả năng đầy đủ nhất được cung cấp bởi sản phẩm phần mềm từ Công cụ Polar.

Ví dụ về đường truyền
Để làm ví dụ, hãy xem xét hầu hết các loại đơn giản các đường truyền.

Làm thế nào để thiết kế đường truyền một cách tốt nhất?
Tín hiệu tốc độ cao nhất (hoặc quan trọng nhất) phải ở các lớp liền kề với mặt phẳng mặt đất (GND), tốt nhất là tín hiệu được ghép nối với mặt phẳng nguồn tách rời. Các tín hiệu ít quan trọng hơn có thể được áp dụng cho các sơ đồ điện nếu các sơ đồ này được tách rời phù hợp và không gây ồn ào. Mỗi sơ đồ nguồn như vậy phải được liên kết với vi mạch mà từ đó tín hiệu này được nhận. Khả năng chống ồn và EMC tốt nhất được cung cấp bởi các đường dải được vẽ giữa hai sơ đồ GND, mỗi sơ đồ được ghép nối với sơ đồ nguồn riêng để tách riêng.
Đường truyền không được có lỗ, đứt hoặc đứt trong bất kỳ sơ đồ tham chiếu nào mà nó được vẽ, vì điều này sẽ dẫn đến những thay đổi đáng kể trong Z 0 . Ngoài ra, đường dải phải cách xa nhất có thể tính từ bất kỳ điểm gián đoạn nào trong sơ đồ hoặc từ mép của sơ đồ đỡ và khoảng cách này không được nhỏ hơn mười lần chiều rộng của dây dẫn. Các đường truyền liền kề phải cách nhau ít nhất ba chiều rộng dây dẫn để loại bỏ nhiễu xuyên âm. Các tín hiệu rất quan trọng hoặc "tích cực" (chẳng hạn như liên lạc với ăng-ten vô tuyến) có thể được hưởng lợi từ EMC bằng cách sử dụng một đường đối xứng với hai hàng vias cách đều nhau, như thể chặn nó khỏi các dây dẫn khác và tạo ra cấu trúc đồng trục trong bảng mạch in . Tuy nhiên, đối với các cấu trúc như vậy, Z 0 được tính bằng các công thức khác nhau.

Làm thế nào bạn có thể giảm chi phí của một dự án?
Các loại đường truyền được mô tả ở trên hầu như luôn yêu cầu sử dụng bo mạch nhiều lớp và do đó có thể không áp dụng được để tạo ra các sản phẩm cấp thấp được sản xuất hàng loạt. loại giá(mặc dù ở khối lượng lớn, PCB 4 lớp chỉ đắt hơn 20-30% so với PCB hai mặt). Tuy nhiên, đối với các dự án chi phí thấp, các loại đường như cân bằng (đồng nhất) hoặc đồng phẳng cũng được sử dụng, có thể thi công trên bảng một lớp. Cần lưu ý rằng các loại đường truyền một lớp chiếm diện tích trên bo mạch lớn hơn nhiều lần so với các đường dây vi dải và đường dây dải. Ngoài ra, đồng thời tiết kiệm chi phí cho bảng mạch in, bạn sẽ buộc phải trả nhiều tiền hơn cho việc che chắn thiết bị và lọc tiếng ồn bổ sung. Nguyên tắc chung là việc giải quyết các vấn đề EMC ở cấp độ đóng gói tốn kém hơn 10-100 lần so với việc giải quyết vấn đề tương tự ở cấp độ PCB.
Do đó, khi giảm ngân sách phát triển bằng cách cắt giảm số lượng lớp PCB, hãy chuẩn bị chi tiêu Thêm thời gian và tiền cho nhiều lần đặt hàng bảng mẫu để đảm bảo mức độ toàn vẹn tín hiệu và EMC cần thiết.

Làm thế nào để giảm tác động tiêu cực của việc thay đổi lớp?
Theo quy tắc nối dây tiêu chuẩn, có ít nhất một tụ điện tách gần mỗi chip, vì vậy chúng ta có thể thay đổi lớp gần chip. Tuy nhiên, phải tính đến tổng chiều dài của các đoạn không nằm trong lớp "dải". Một nguyên tắc cơ bản là tổng chiều dài điện của các đoạn này không được vượt quá 1/8 thời gian tăng. Nếu sự thay đổi quá lớn trong Z 0 có thể xảy ra trên bất kỳ phân đoạn nào trong số này (ví dụ: khi sử dụng ổ cắm ZIF hoặc các loại ổ cắm khác cho vi mạch), tốt hơn hết bạn nên cố gắng giảm thiểu độ dài này xuống còn 1/10 thời gian tăng. Sử dụng quy tắc này để xác định tổng chiều dài tối đa cho phép của các đoạn không được chuẩn hóa và cố gắng giảm thiểu nó trong các giới hạn này càng nhiều càng tốt.
Dựa trên điều này, đối với các tín hiệu có thời gian tăng (theo tài liệu) là 2 ns, chúng ta phải thay đổi lớp không quá 10 mm tính từ tâm của vi mạch hoặc tính từ tâm của điện trở phù hợp. Quy tắc này được phát triển có tính đến biên độ gấp 4 lần vì thực tế là thời gian chuyển đổi thực tế có thể nhỏ hơn đáng kể so với mức tối đa theo tài liệu. Ở cùng một khoảng cách (không hơn) tính từ nơi thay đổi các lớp, phải có ít nhất một tụ điện tách nối các sơ đồ nối đất và nguồn điện tương ứng. Khoảng cách nhỏ như vậy khó đạt được khi sử dụng chip lớn nên việc bố trí các mạch tốc độ cao hiện đại đòi hỏi phải có sự thỏa hiệp. Tuy nhiên, quy tắc này biện minh cho thực tế rằng các vi mạch cỡ nhỏ được ưa chuộng hơn trong các mạch tốc độ cao và giải thích thực tế về sự phát triển nhanh chóng của công nghệ BGA và chip lật, giúp giảm thiểu đường dẫn tín hiệu từ dây dẫn trên bo mạch đến chip. của vi mạch.

Mô phỏng và thử nghiệm nguyên mẫu
Bởi vì có rất nhiều tùy chọn IC và thậm chí nhiều ứng dụng hơn, một số kỹ sư có thể thấy các quy tắc ngón tay cái này kém chính xác hơn và một số có thể thấy chúng phóng đại, nhưng đó là vai trò của "quy tắc ngón tay cái" - chúng chỉ là một xấp xỉ thô để cho phép thiết kế trực quan được thực hiện chính xác.
Ngày nay, các công cụ mô hình hóa trên máy tính ngày càng trở nên dễ tiếp cận và tiên tiến hơn. Chúng cho phép bạn tính toán các tham số toàn vẹn tín hiệu, EMC, tùy thuộc vào cấu trúc lớp thực tế và định tuyến tín hiệu. Tất nhiên, việc sử dụng chúng sẽ cho kết quả chính xác hơn so với ước tính gần đúng của chúng tôi, vì vậy chúng tôi khuyên bạn nên sử dụng mô phỏng máy tính càng nhiều càng tốt. Tuy nhiên, đừng quên rằng thời gian chuyển đổi thực tế của vi mạch có thể ngắn hơn đáng kể so với thời gian được nêu trong tài liệu và điều này có thể dẫn đến kết quả không chính xác, vì vậy hãy đảm bảo rằng mô hình của giai đoạn đầu ra và đầu vào tương ứng với thực tế.
Bước tiếp theo là kiểm tra sự truyền tín hiệu tới hạn trên mẫu “nguyên mẫu” đầu tiên của bảng mạch in bằng máy hiện sóng tần số cao. Bạn cần đảm bảo rằng dạng sóng không bị biến dạng khi nó di chuyển dọc theo toàn bộ chiều dài của bảng mạch và chỉ tuân theo các quy tắc trên thì khó có thể mang lại kết quả xuất sắc trong lần đầu tiên, mặc dù nó có thể khá tốt. Sử dụng Máy phân tích trường điện từ RF hoặc Máy phân tích phổ phát xạ, có thể là một cách khác để kiểm tra tính toàn vẹn tín hiệu và các vấn đề EMC ở cấp độ PCB "nguyên mẫu". Các phương pháp phân tích như vậy không phải là chủ đề của bài viết này.
Ngay cả khi bạn sử dụng mô phỏng mạch phức tạp, đừng bỏ qua tính toàn vẹn tín hiệu và kiểm tra EMC trên nguyên mẫu PCB đầu tiên của bạn.

Cung cấp trở kháng sóng ở giai đoạn sản xuất PCB
Vật liệu FR4 điển hình dùng để sản xuất bảng mạch in có giá trị hằng số điện môi (E r) khoảng 3,8...4,2 ở tần số 1 GHz. Giá trị thực Er có thể dao động trong khoảng ±25%. Có những vật liệu FR4 có giá trị E r được nhà cung cấp đánh giá và đảm bảo và không đắt hơn nhiều so với vật liệu thông thường, nhưng các nhà sản xuất PCB không bắt buộc phải sử dụng các loại FR4 "được xếp hạng" trừ khi có quy định cụ thể trong đơn đặt hàng PCB.
Các nhà sản xuất PCB làm việc với độ dày điện môi tiêu chuẩn (“preregs” và “laminates”) và độ dày của chúng trong mỗi lớp phải được xác định trước khi đưa bảng mạch vào sản xuất, có tính đến dung sai độ dày (khoảng ±10%). Để đảm bảo Z 0 nhất định, đối với độ dày điện môi nhất định, bạn có thể chọn chiều rộng dây dẫn thích hợp. Đối với một số nhà sản xuất, cần chỉ ra chiều rộng yêu cầu thực tế của dây dẫn, đối với những nhà sản xuất khác - với lề cho phần cắt dưới, có thể đạt tới 25-50 micron so với chiều rộng danh nghĩa. Sự lựa chọn tốt nhất là chỉ dẫn cho nhà chế tạo biết chiều rộng của ruột dẫn trong đó các lớp được thiết kế có tính đến việc cung cấp Z 0 cho trước. Trong trường hợp này, nhà sản xuất có thể điều chỉnh chiều rộng dây dẫn và cấu trúc lớp để đảm bảo tham số đã cho phù hợp với công nghệ sản xuất của mình. Ngoài ra, nhà sản xuất đo trở kháng sóng thực tế trên mỗi mẫu trống của nhà máy và loại bỏ các bo mạch có Z 0 không nằm trong dung sai ±10% hoặc chính xác hơn.
Đối với các tín hiệu trên 1 GHz, có thể cần sử dụng vật liệu tần số cao hơn với độ ổn định tốt hơn và các đặc tính điện môi khác (chẳng hạn như Duroid của Rogers, v.v.).

Văn học
1. Kỹ thuật thiết kế cho EMC và tính toàn vẹn tín hiệu, Eur Ing Keith Armstrong.
2. IEC 61188-1-2: 1998 Bảng in và Bảng mạch in lắp ráp - Thiết kế và sử dụng. Phần 1-2: Yêu cầu chung - Trở kháng có kiểm soát, www.iec.ch.
3. Thiết kế bảng mạch in nhiều lớp có độ phức tạp cao. Hội thảo công nghệ PCB, 2006.
4. http://library.espec.ws/books/chooseant/CHAPTER6/6-1.htm
5. Thiết kế phần cứng. Walt Kester.