Thực đơn
trang chủHướng dẫn

Khuyến nghị cho thiết kế PCB (Câu hỏi thường gặp nhỏ về bố cục PCB). Có tính đến emc khi phát triển bo mạch in tần số cao

Ngày 11 tháng 12 năm 2016 lúc 5:48 chiều

Bí mật nhỏ của bảng định tuyến với bộ khuếch đại hoạt động và thiết bị đo đạc

  • 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 định tuyến một bảng kỹ thuật số đơn giản, vẫn 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 các phần mạch từ kỹ thuật số sang 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


Các phần tử mạch phản hồi 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 sau tham chiếu phải được đặt càng gần đầu vào điện áp tham chiếu của bộ khuếch đại thiết bị đo càng tốt.
Bằng cách tuân theo các quy tắc rất đơn giản, bạn sẽ làm cho cuộc sống của mình 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.

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 phương án khả thi sẽ không chỉ ngăn PCB trở thành phế liệu mà còn giảm chi phí do sai lầm thô thiển 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, máy tính cá nhân, 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, thật dễ dàng để 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. Vật liệu 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 thiết bị 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 lựa chọn vật liệu PCB, hãy chú ý đến Đặc biệt chú ý về 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 bảng - điện trở bề mặt, rò rỉ, đặc tính cách điện điện áp cao (sự cố và tia lửa) và độ bền cơ học. Cũng chú ý đến nhiệt độ hoạt động. Các điểm nóng có thể xảy ra ở những nơi không ngờ tới, chẳng hạn như gần các mạch tích hợp kỹ thuật số lớn chuyển đổi 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 tổng cộng yêu cầu về mạch và chất lượng, người thiết kế phải xác định số lớp của bảng mạch in.

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 nghị cho các 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 rộng hơn. chất lượng tốt nhất. 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. TRONG trường hợp 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 trong trường hợp này Tốt hơn hết bạn nên quan tâm đến việc tạo ra một công suất phân bổ lớn giữa các đa giác nguồn và 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 analog và tín hiệu số trên khu vực đa giác mặt đất tương tự. Bộ chuyển đổi tương tự sang số và kỹ thuật số sang tương tự được 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, các kết nối bên trong của nó. Trong mạch, các chân này phải được kết nối với bus mặt đất tương tự. Việc kết nối cũng có thể được thực hiện bên trong một mạch tích hợp, nhưng việc đạt được điện trở thấp của kết nối như vậy là khá khó khăn do những 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. Khi thiết kế bộ chuyển đổi, tác động tiêu cực này được tính đến để 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 bị tải nặng thì chuyển mạch bên trong thường không gây ra bất kỳ vấn đề đặc biệt nào. 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

Lựa chọn chính xác các thành phần thụ động là điều cần thiết để vận hành đúng các mạch tương tự. 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 bằng mạch tương đương như trên 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 mạch tần số caoỒ. Các cực điện trở song song với nhau nên có sự ghép điện dung đáng chú ý giữa chúng. Đối với điện trở có điện trở cao, điện dung đầu cực sẽ giảm tổng trở kháng bằng 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 khiến dòng điện một chiều chạy qua tụ điện, điều này có thể làm hỏng không chỉ bản thân tụ điện mà còn cả 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 phân 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 thực tế là bộ tạo xung nhịp của mạch kỹ thuật số có thể không hoạt động ở tần số trên 150 MHz, nhưng các sóng hài cao hơn luôn hiện diện trong tín hiệu của nó. 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 dẫn 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 là một ví dụ về thiết kế tốt hơn. 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 có ít nhất một hiểu biết nhỏ về đặc tính điện của các phần tử 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. Mức tiêu thụ điện năng tăng đột ngột và sau đó cũng giảm, dẫn đến sự thay đổi cục bộ về điện áp nguồn và xảy ra 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. Để đàn áp tiếng ồn kỹ thuật số Có một số phương pháp, việc sử dụng chúng 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 phổ biến - 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 để tụ điện hoạt động hiệu quả, tần số mà nó triệt tiêu phải ở dải thấp hơn tần số cộng hưởng của chính nó. Nếu không thì nhân vật phản ứng sẽ bị cảm ứng và tụ điện sẽ không còn 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 nhiễu gây ra khác biệt đáng kể so 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 cảm ứng của điện trở đến một tần số nhất định và trên điện trở 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. Bạn nên 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 ở các mặt khác nhau của PCB. 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 khả năng cách ly tốt giữa các tín hiệu khuếch đại 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 thể hiện tất cả kết nối cần thiếtđể 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, giúp 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 bạn phải sử dụng vias làm Điểm kiểm soát, đặc biệt khi sử dụng các thành phần có kích thước 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:

  • coi PCB như một thành phần sơ đồ 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 đặt các thành phần thụ động theo chiều dọc trong các 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 dẫn đến vấn đề bổ sung;
  • 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 nguồn điện;
  • 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 dải tần số khác nhau;
  • 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.

    Các định nghĩa:

    Tương thích điện từ (EMC): khả năng, trong quá trình hoạt động, không gây ra tác động quá mức tới môi trường thông qua bức xạ điện từ. Khi điều kiện này được đáp ứng, tất cả các linh kiện điện tử sẽ hoạt động cùng nhau một cách chính xác.

    Nhiễu điện từ (EMI): Năng lượng điện từ, do một thiết bị phát ra, có thể dẫn đến vi phạm các đặc tính chất lượng của thiết bị khác.

    Miễn nhiễm điện từ, EMPU (Miễn nhiễm điện từ, hoặc tính nhạy cảm, EMS): khả năng chịu đựng (sức đề kháng) đối với tác dụng của năng lượng điện từ.

    Thiết kế cho EMC: 4 quy tắc chính

    Vấn đề với các quy tắc: bạn càng có nhiều quy tắc thì càng khó tuân theo tất cả. Mức độ ưu tiên thực hiện của họ là khác nhau.

    Giả sử, khi tạo một bảng mạch in nhiều lớp, bạn cần định tuyến tín hiệu tần số cao từ thành phần analog sang thành phần kỹ thuật số. Đương nhiên, bạn muốn giảm thiểu khả năng xảy ra sự cố tương thích điện từ (EMC). Sau khi tìm kiếm trên Internet, bạn tìm thấy ba đề xuất có vẻ phù hợp với trường hợp của mình:

    1. Giảm thiểu độ dài bus RF
    2. Tách các bus nguồn và bus mặt đất giữa phần analog và digital của mạch
    3. Không làm đứt đa giác nối đất bằng dây dẫn cao tần

    Tầm nhìn của bạn về ba tùy chọn nối dây có thể được hiển thị trong Hình 1.

    Trong trường hợp đầu tiên, các tuyến đường được định tuyến trực tiếp giữa hai thành phần và đa giác mặt đất vẫn vững chắc. Trong trường hợp thứ hai, một khoảng trống được hình thành trong đa giác và các đường đi qua khoảng trống này. Trong trường hợp thứ ba, các tuyến đường được đặt dọc theo khoảng trống trong đa giác.

    Trong mỗi trường hợp trong số ba trường hợp này, một trong các quy tắc trên đều bị vi phạm. Những trường hợp thay thế này có tốt như nhau không vì chúng thỏa mãn hai trong ba quy tắc? Có phải tất cả đều xấu vì mỗi người đều vi phạm ít nhất một quy tắc?

    Đây là những câu hỏi mà các nhà thiết kế PCB phải đối mặt hàng ngày. Việc lựa chọn chiến lược định tuyến đúng hay sai có thể dẫn đến kết quả là bo mạch đáp ứng tất cả các yêu cầu EMC hoặc gặp vấn đề về tính nhạy cảm với các tín hiệu bên ngoài. Trong trường hợp này, sự lựa chọn phải rõ ràng, nhưng chúng ta sẽ quay lại vấn đề đó sau

    Các vấn đề sẽ giảm bớt sau khi các khuyến nghị được ưu tiên. Các hướng dẫn thiết kế chỉ hữu ích nếu chúng được hiểu rõ và nếu chúng là một phần của một chiến lược hoàn chỉnh. Khi các nhà thiết kế học cách ưu tiên các nguyên tắc và hiểu cách sử dụng các nguyên tắc đó, họ có thể khéo léo thiết kế các PCB tốt.

    Sau đây là bốn quy tắc EMC chính dựa trên đặc điểm chung sản phẩm điện tử. Trong nhiều trường hợp, các nhà thiết kế PCB cố tình phá vỡ một trong những quy tắc này nhằm cố gắng thực hiện những quy tắc quan trọng hơn.

    Quy tắc 1: Giảm thiểu đường dẫn tín hiệu hiện tại

    Quy tắc đơn giản này có mặt trong hầu hết mọi danh sách khuyến nghị của EMC, nhưng nó thường bị bỏ qua hoặc bị đánh giá thấp để ủng hộ các khuyến nghị khác.

    Thông thường, người thiết kế PCB thậm chí không nghĩ đến nơi dòng tín hiệu chạy qua và thích nghĩ về tín hiệu dưới dạng điện áp, mà nên suy nghĩ về dòng điện.

    Có hai tiên đề mà mọi nhà thiết kế PCB nên biết:

    - dòng tín hiệu luôn quay trở lại nguồn của chúng, tức là đường dẫn hiện tại là một vòng lặp
    - dòng tín hiệu luôn sử dụng đường dẫn có trở kháng tối thiểu

    Ở tần số vài megahertz trở lên, đường dẫn tín hiệu tương đối dễ xác định vì đường dẫn có trở kháng tối thiểu nói chung là đường dẫn có độ tự cảm tối thiểu. Trong bộ lễ phục. Hình 2 cho thấy hai thành phần trên một bảng mạch in. Tín hiệu 50 MHz truyền dọc theo dây dẫn qua vị trí thử nghiệm từ thành phần A đến thành phần B.

    Chúng ta biết rằng cùng một cường độ tín hiệu phải truyền ngược từ thành phần B sang thành phần A. Giả sử rằng dòng điện này (hãy gọi nó là tín hiệu phản hồi) chạy từ cực của thành phần B, được chỉ định là GND, đến cực của thành phần A, cũng được chỉ định là GND .

    Vì tính toàn vẹn của đa giác được đảm bảo và các đầu cuối, được ký hiệu là GND, của cả hai thành phần đều được đặt gần nhau, điều này dẫn đến kết luận rằng dòng điện sẽ đi theo đường đi ngắn nhất giữa chúng (đường dẫn 1). Tuy nhiên, điều này không đúng. Dòng điện tần số cao chọn đường đi có độ tự cảm nhỏ nhất (hoặc đường đi có diện tích vòng lặp tối thiểu, đường đi có vòng quay nhỏ nhất). Hầu hết dòng phản hồi tín hiệu chạy qua đa giác theo một đường hẹp ngay dưới đường tín hiệu (đường 2).

    Nếu vì lý do nào đó, đa giác được tạo ra với một phần bị cắt như trong Hình 3, thì phần bị cắt 1 sẽ ít ảnh hưởng đến tính toàn vẹn và phát xạ của tín hiệu. Một vết cắt 2 khác có thể dẫn đến vấn đề quan trọng; nó mâu thuẫn với khuyến nghị 2. Diện tích vòng lặp tăng đáng kể; dòng điện ngược cực mạnh đến mức chúng chảy dọc theo ranh giới gián đoạn.

    Ở tần số thấp (thường là kHz trở xuống), đường dẫn có trở kháng thấp nhất có xu hướng là đường dẫn có tần số tín hiệu thấp nhất. Đối với PCB có đa giác dòng trở về rắn, điện trở đa giác có xu hướng tiêu tán dòng điện để dòng điện chạy giữa hai điểm ở xa có thể lan rộng trên một diện tích lớn hơn của bảng, như trong Hình 4.

    Trên bảng tín hiệu hỗn hợp có các thành phần kỹ thuật số và analog tần số thấp, đây có thể là một vấn đề. Hình 5 minh họa cách một điểm đứt gãy được đặt đúng vị trí trong bãi chôn lấp bằng đất có thể khắc phục tình trạng này bằng cách thu lại dòng điện quay trở lại tần số thấp chạy qua bãi chôn lấp trong một khu vực được chỉ định.

    Quy tắc 2. Không chia nhỏ đa giác tín hiệu trả về

    Đúng rồi đó. Chúng tôi vừa cho bạn xem một ví dụ tuyệt vời trong trường hợp việc tạo ra điểm ngắt trong đa giác hiện tại của tín hiệu trả về là quyết định đúng đắn. Tuy nhiên, với tư cách là kỹ sư EMC điển hình, chúng tôi khuyên bạn không bao giờ nên làm điều này. Tại sao? Bởi vì nhiều bước phát triển mà chúng tôi gặp phải bởi những người hiểu rõ là kết quả của việc vô tình vi phạm Quy tắc 1 và tạo ra khoảng trống trong đa giác trả về. Hơn nữa, việc nghỉ giải lao thường không hiệu quả và không cần thiết.

    Một quan điểm cho rằng dòng tín hiệu trả về tương tự phải luôn được cách ly với dòng tín hiệu trả về kỹ thuật số. Ý tưởng này bắt nguồn khi các mạch analog và kỹ thuật số hoạt động ở tần số kilohertz. Ví dụ, các bo mạch được sử dụng cho âm thanh kỹ thuật số thường gặp vấn đề về nhiễu do ảnh hưởng của dòng tín hiệu số tần số thấp truyền dưới khu vực của bo mạch nơi đặt bộ khuếch đại analog nhạy cảm. Cách đây một thời gian, các nhà thiết kế âm thanh đã cố gắng tránh vấn đề này bằng cách tách các đa giác dòng phản hồi để kiểm soát đường dẫn phản hồi và loại bỏ các mạch dòng tương tự khỏi mạch kỹ thuật số.

    Học sinh của chúng tôi được yêu cầu giải quyết một vấn đề thiết kế yêu cầu bảo vệ các thành phần tương tự nhạy cảm (thường là bộ khuếch đại âm thanh hoặc bộ tạo dao động khóa pha) khỏi phần kỹ thuật số của mạch bằng cách tách đa giác dòng tín hiệu trở lại theo cách sao cho dòng LF bị cô lập và dòng điện HF không được tạo ra. Thông thường, không rõ làm cách nào để thực hiện được điều này và thường thì việc phá vỡ các đa giác sẽ tạo ra nhiều vấn đề hơn là giải quyết được.

    Tình huống tương tự cũng xảy ra khi nối dây lốp ô tô hoặc thiết bị điện tử hàng không. Trong các thiết bị như vậy, dòng hồi lưu của mạch kỹ thuật số thường được cách ly khỏi vỏ chung để bảo vệ các mạch kỹ thuật số khỏi bị hư hại bởi dòng điện LF lớn có thể chạy qua cấu trúc kim loại của xe. Lọc EMI và bảo vệ nhất thời thường yêu cầu kết nối với khung trong khi tín hiệu phải được truyền tương ứng với bus trả về kỹ thuật số.

    Khi mạch khung và đa giác dòng hồi lưu kỹ thuật số chia sẻ cùng một bus, chúng xuất hiện dưới dạng một đa giác duy nhất có điểm gián đoạn. Điều này đôi khi tạo ra sự nhầm lẫn về việc nên kết nối bất kỳ thành phần riêng lẻ nào. Trong tình huống này, thông thường nên chạy bus khung và return kỹ thuật số trên các bus riêng biệt. Đa giác tín hiệu trả về kỹ thuật số phải chắc chắn và chiếm diện tích bên dưới tất cả các thành phần, dấu vết và đầu nối kỹ thuật số. Việc kết nối với khung máy nên được giới hạn ở khu vực bo mạch gần các đầu nối.

    Không còn nghi ngờ gì nữa, có những tình huống cần phải có một điểm ngắt ở vị trí thích hợp trong đa giác dòng hồi lưu. Tuy nhiên, phương pháp đáng tin cậy nhất là một đa giác liên tục cho tất cả các dòng tín hiệu phản hồi. Trong trường hợp một tín hiệu tần số thấp dễ bị nhiễu (có khả năng trộn lẫn với các tín hiệu khác trên bo mạch), việc định tuyến được sử dụng trên một lớp riêng biệt để đưa dòng điện này trở lại nguồn. Nói chung, không bao giờ sử dụng tính năng tách hoặc cắt trong đa giác dòng tín hiệu trả về. Nếu bạn vẫn tin rằng việc cắt bỏ đa giác là cần thiết để giải quyết vấn đề cách ly tần số thấp, hãy tham khảo ý kiến ​​​​chuyên gia. Đừng dựa vào các đề xuất hoặc ứng dụng thiết kế hoặc cố gắng triển khai một thiết kế đã phù hợp với người khác trong một thiết kế tương tự.

    Bây giờ chúng ta đã quen với hai quy tắc chính của EMC, chúng ta sẵn sàng xem lại vấn đề trong Hình 2. 1. Lựa chọn thay thế nào là tốt nhất? Cái đầu tiên là cái duy nhất không mâu thuẫn với các quy tắc. Nếu vì lý do nào đó (ngoài mong muốn thiết kế), cần có một khoảng trống trong đa giác bằng đất, thì tùy chọn nối dây thứ ba sẽ dễ chấp nhận hơn. Theo dõi dọc theo điểm gián đoạn sẽ giảm thiểu diện tích vòng lặp tín hiệu hiện tại.

    Quy tắc 3: Không đặt mạch tốc độ cao giữa các đầu nối

    Đây là một trong những vấn đề phổ biến nhất trong số các thiết kế bo mạch mà chúng tôi đã xem xét và đánh giá trong phòng thí nghiệm của mình. Trong các bo mạch đơn giản không có bất kỳ hư hỏng nào theo tất cả các yêu cầu của EMC mà không phải trả thêm bất kỳ chi phí hay nỗ lực nào, việc che chắn và lọc tốt đã bị phủ nhận vì quy tắc đơn giản này đã bị phá vỡ.

    Tại sao vị trí kết nối lại quan trọng đến vậy? Ở tần số dưới vài trăm megahertz, bước sóng ở mức một mét trở lên. Các dây dẫn trên bo mạch - có thể là ăng-ten - có chiều dài điện tương đối ngắn và do đó hoạt động không hiệu quả. Tuy nhiên, dây cáp hoặc các thiết bị khác được kết nối với bo mạch có thể là ăng-ten khá hiệu quả.

    Dòng tín hiệu chạy qua dây dẫn và quay trở lại qua các đa giác đặc tạo ra sự sụt giảm điện áp nhỏ giữa hai điểm bất kỳ của đa giác. Các điện áp này tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua đa giác. Khi tất cả các đầu nối được đặt trên một cạnh của bo mạch, điện áp rơi là không đáng kể.

    Tuy nhiên, các phần tử mạch tốc độ cao được đặt giữa các đầu nối có thể dễ dàng tạo ra sự chênh lệch điện thế giữa các đầu nối vài mV trở lên. Những điện áp này có thể tạo ra dòng điện kích thích vào cáp được kết nối, làm tăng lượng khí thải của chúng.

    Một bo mạch đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật khi các đầu nối nằm ở một cạnh có thể trở thành cơn ác mộng của kỹ sư EMC nếu ngay cả một đầu nối có gắn cáp cũng nằm ở phía đối diện của bo mạch. Các sản phẩm gặp phải loại sự cố này (cáp mang điện áp cảm ứng qua toàn bộ đa giác) đặc biệt khó khôi phục về trạng thái bình thường. Thường thì điều này đòi hỏi phải có sự che chắn khá tốt. Trong nhiều trường hợp, việc che chắn này sẽ hoàn toàn không cần thiết nếu các đầu nối nằm ở một bên hoặc ở một góc của bo mạch.

    Quy tắc 4. Thời gian chuyển tiếp của tín hiệu điều khiển

    Board đang chạy tần số đồng hồ 100 MHz sẽ không bao giờ đáp ứng được yêu cầu khi hoạt động ở tần số 2 GHz. Một tín hiệu số được định dạng tốt sẽ có thêm sức mạnhở những sóng hài thấp hơn và không có nhiều sức mạnh ở những sóng hài cao hơn. Bằng cách kiểm soát thời gian chuyển tiếp tín hiệu, có thể kiểm soát công suất tín hiệu ở mức hài cao hơn, điều này thích hợp hơn cho EMC. Thời gian chuyển tiếp quá dài có thể dẫn đến các vấn đề về tính toàn vẹn của tín hiệu và các vấn đề về nhiệt. Trong quá trình phát triển và thiết kế, phải có sự thỏa hiệp giữa các điều kiện cần thiết cạnh tranh này. Thời gian chuyển tiếp bằng khoảng 20% chu kỳ tín hiệu, mang lại dạng sóng có thể chấp nhận được, giảm thiểu các vấn đề phát sinh từ nhiễu xuyên âm và bức xạ. Tùy thuộc vào ứng dụng, thời gian chuyển tiếp có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn 20% chu kỳ tín hiệu; tuy nhiên, lần này không thể không kiểm soát được.

    Có ba cách chính để thay đổi các cạnh của tín hiệu số:
    - sử dụng kỹ thuật số loạt chip, tốc độ trùng với tốc độ yêu cầu,
    - đặt một điện trở hoặc cuộn cảm trên ferrite nối tiếp với tín hiệu đầu ra, và
    - Đặt tụ điện song song với tín hiệu ra

    Phương pháp đầu tiên thường đơn giản và hiệu quả nhất. Việc sử dụng điện trở hoặc ferrite mang lại cho người thiết kế khả năng kiểm soát nhất thời tốt hơn và ít tác động hơn đến những thay đổi xảy ra trong các họ logic theo thời gian. Ưu điểm của việc sử dụng tụ điều khiển là có thể dễ dàng tháo ra khi không cần thiết. Tuy nhiên, phải nhớ rằng tụ điện làm tăng dòng điện của nguồn tín hiệu RF.

    Lưu ý rằng việc cố gắng lọc tín hiệu một dây trong đường dẫn dòng điện trở về luôn là một ý tưởng tồi. Ví dụ: không bao giờ định tuyến dấu vết tần số thấp qua một khoảng trống trong đa giác trả về nhằm cố gắng lọc nhiễu tần số cao. Sau khi xem xét hai quy tắc đầu tiên, điều này sẽ rõ ràng. Tuy nhiên, các bảng sử dụng chiến lược không chính xác này đôi khi được xác định trong phòng thí nghiệm của chúng tôi.

    Nói chung, trong quá trình thiết kế và bố trí bo mạch, cần đặt ra các ưu tiên để tuân thủ các quy định của EMC. Không được xâm phạm các quy tắc này khi cố gắng tuân theo các khuyến nghị khác của EMC. Tuy nhiên, có một số khuyến nghị bổ sung đáng được xem xét. Ví dụ, điều quan trọng là phải cung cấp khả năng phân tách bus điện đầy đủ, giữ cho dấu vết I/O ngắn và cung cấp tính năng lọc tín hiệu đầu ra.

    Bạn cũng nên chọn cẩn thận các thiết bị đang hoạt động của mình. Không phải tất cả các thành phần bán dẫn tương thích với chân cắm đều có độ ồn tương đương nhau. Hai thiết bị có cùng thông số kỹ thuật nhưng do các nhà sản xuất khác nhau sản xuất có thể khác nhau đáng kể về tiếng ồn mà chúng tạo ra ở các chân đầu vào và đầu ra cũng như ở các chân nguồn. Điều này đặc biệt đúng đối với các chip tích hợp cao như bộ vi xử lý và các ứng dụng dành riêng cho ứng dụng lớn. mạch tích hợp(ASIC). Bạn nên đánh giá các thành phần từ các nhà cung cấp khác nhau bất cứ khi nào có thể.

    Cuối cùng, hãy nhìn lại thiết kế của bạn. Ngay cả khi bạn là một nhà thiết kế PCB và chuyên gia EMC có kinh nghiệm, sẽ rất tốt nếu có một người am hiểu về phân tích EMC và quen thuộc với thiết kế PCB. Hãy để anh ấy xem xét kỹ lưỡng thiết kế của bạn.

    Bạn có thể tin tưởng vào lời khuyên của ai? Hãy tin tưởng bất cứ ai có đề xuất rõ ràng giúp bạn thực hiện được bốn quy tắc chính. Chú ý thêm một chút trong quá trình thiết kế có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian, tiền bạc và công sức sẽ bị lãng phí khi cố gắng làm cho một sản phẩm khó hoạt động chính xác.

    Bản dịch của bài viết:
    Tiến sĩ Todd Hubing, Tiến sĩ. Tom Van Doren
    Thiết kế cho EMC: 4 HƯỚNG DẪN HÀNG ĐẦU
    Thiết kế và Sản xuất Mạch In, tháng 6 năm 2003

    Tiến sĩ Todd Hubing, Giáo sư xuất sắc ngành Kỹ thuật Điện và Máy tính, hai lần được trao giải “Ấn phẩm chuyên đề hay nhất” từ Hội nghị chuyên đề quốc tế của Viện Kỹ sư Điện và Điện tử.

    Tiến sĩ Tom Van Doren, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Phòng thí nghiệm tương thích điện từ tại Đại học Missouri-Rolla.

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 cho 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.

Lọc đầu ra 3 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 cách 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

Để biết thêm thông tin chi tiết, hãy xem Hướng dẫn ứng dụng 16bit-EMC.

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 được kết nối với Vcc, phải được kết nối với nguồn bổ sung dinh dưỡng.
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. Bộ cộng hưởng thạch anh và tụ điện phải được 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

Một chút về sự “cào” khi thiết kế bảng.
Lỗi điển hình nhất trong việc nối dây mạch điện trong nhiều thiết kế: công suất chặn dọc theo đường cung cấp “+” và “-” của op-amp bị ném xuống lớp đất cách xa nhau, tức là mức tiêu thụ dòng điện của vòng lặp op-amp chảy qua lớp đất. Các thùng chứa này phải được bố trí sao cho khoảng cách giữa các điểm kết nối của chúng với lớp đất là tối thiểu. Chặn tần số cao - dễ dàng lắp vừa với vỏ DIP-8 tụ điện kích thước tiêu chuẩn 1206 và với một số kỹ năng - 1210. Đương nhiên, diện tích của mạch dòng điện thu được cũng phải ở mức tối thiểu, điều này là không cần thiết.

Các điện trở trong mạch điện của mỗi IC giúp đơn giản hóa rất nhiều việc nối dây, bởi vì đóng vai trò là bộ nhảy và cho phép các bộ cấp nguồn “+” và “-” được đặt gần nhau, điều này rất được mong muốn để giảm lượng phát thải tín hiệu/dòng điện đầu ra từ các mạch điện.

Ngoài ra còn có một phương pháp tao nhã (nhưng tốn nhiều công sức) để khử tiếng ồn trên mặt đất mà không cần tách biệt rõ ràng các mặt đất, đặc biệt hữu ích khi sử dụng bảng hai mặt - duy trì càng nhiều càng tốt một lớp đất chắc chắn ở một mặt (tức là về cơ bản là một mặt). định tuyến mạch -lớp ở phía bên kia, với tối thiểu "bộ nhảy"), phân tích kỹ lưỡng các đường viền của dòng điện dọc theo mặt phẳng mặt đất này và tìm ra các điểm đẳng thế, tức là. các điểm, hiệu điện thế giữa chúng, khi dòng điện chạy qua mặt đất trong mạch công suất/tải, vẫn gần bằng 0. Những điểm này được sử dụng làm chân nối đất “tín hiệu”. Loại đường viền dòng điện có thể được thay đổi, nếu cần, bằng cách đưa vào các đường cắt bổ sung hoặc ngược lại, bằng cách tạo các nút nhảy trong các phần của lớp đất phát sinh theo điều kiện nối dây.

Nghiên cứu chi tiết nhất về các vấn đề về cấu trúc liên kết/dòng chảy, v.v. được thực hiện khi tạo ra các phương pháp thiết kế các thiết bị chịu xung EMP phát sinh từ vụ nổ vũ khí hạt nhân hoặc máy phát xung EMP. Thật không may, các ấn phẩm về chủ đề này còn rải rác, hơn nữa, chúng thường vẫn còn “dưới gầm bàn”. Tôi đã quét một trong các bài viết minh họa nhưng không thể đính kèm ở đây - giới hạn số lượng tệp đính kèm đã được chọn.

Về thiết kế của PP.
Cần lưu ý ngay rằng cách tiếp cận đôi khi đơn giản - “càng nhiều lớp càng tốt” - không hoạt động đối với các mạch hoàn toàn tương tự (và một phần kỹ thuật số). Có quá nhiều yếu tố liên quan.

PP đơn/hai lớp trên getinax/sợi thủy tinh không có lỗ kim loại hóa - hiện chỉ phù hợp cho rất thiết bị đơn giản trong một chuỗi lớn (>>10000). Nhược điểm chính là độ tin cậy thấp trong điều kiện vận hành khắc nghiệt (do tách rời các miếng đệm/dây dẫn tiếp xúc trong quá trình rung cơ học và chu trình nhiệt, tích tụ độ ẩm/chất thông qua thành lỗ), cũng như độ phức tạp (và chi phí cao). chất lượng nối dây của bất kỳ mạch phức tạp. Mật độ lắp đặt thấp (thường không quá 3...4 chân trên mỗi cm vuông trên tổng diện tích bảng). Ưu điểm là cực kỳ đơn giản và chi phí sản xuất thấp (đối với khối lượng lớn và tiêu chuẩn thiết kế cỡ 0,38 mm - dưới 0,3 USD/sq. dm) do không cần kim loại hóa và khả năng thay thế khoan bằng đục lỗ.

Yêu cầu tăng mật độ đóng gói trong khi vẫn duy trì độ tin cậy trong sản xuất gói BGA và thiết bị cầm tayđã dẫn đến sự phát triển của công nghệ microvia, khi ngoài các lỗ thông thường (xuyên qua) trên bảng ở một hoặc cả hai mặt, các lỗ mù thông qua được hình thành (thường bằng tia laser) đến lớp bên dưới, được kim loại hóa trong một chu kỳ với kim loại hóa các lỗ xuyên qua. Kích thước của miếng tiếp xúc cho quá trình chuyển đổi như vậy (0,2...0,3 mm) nhỏ hơn nhiều so với lỗ xuyên qua và việc định tuyến trong các lớp còn lại không bị gián đoạn. Ngoài ra, trong một số trường hợp, microvia có thể được đặt trên miếng tiếp xúc của phần tử SMD mà không có nguy cơ phần vật hàn rời khỏi lỗ do kích thước và độ sâu nhỏ (không quá 0,1...0,15 mm). Điều này làm tăng đáng kể mật độ dây dẫn, bởi vì vias thông thường trên miếng đệm phần tử SMD Theo quy định, nó không thể được đăng. Microvia cũng có thể được tạo thành các lớp bên trong, nhưng việc sản xuất loại này khó khăn và tốn kém hơn nhiều.

Một vài lời về độ dày của đồng và lớp phủ của bảng. Phần chính của tấm ván được làm trên vật liệu có độ dày lá 35, 18 và 9 micron, trong khi trong quá trình kim loại hóa các lỗ trên các lớp bên ngoài, 15-25 micron đồng khác được thêm vào (cần có ~ 20 micron trong hố). Theo quy định, các bo mạch có tiêu chuẩn thiết kế từ 0,127 trở xuống được chế tạo trên vật liệu có độ dày giấy bạc ~ 9 micron (giấy bạc càng mỏng thì hình dạng của mẫu càng ít bị biến dạng do đường cắt bên của dây dẫn). Không cần phải lo lắng về “tiết diện nhỏ của đồng”, bởi vì Dây dẫn in, nhờ làm mát tốt, cho phép mật độ dòng điện cao hơn nhiều (~ 100 A/sq. mm) so với dây lắp (3...10 A/sq. mm). Độ dày cuối cùng ở các lớp bên ngoài, do sự lắng đọng của đồng trong quá trình kim loại hóa các lỗ, đương nhiên sẽ lớn hơn độ dày của lá ban đầu. Điện trở của dây dẫn phẳng phụ thuộc vào hình dạng mặt bằng của chúng theo một định luật đơn giản: điện trở của một hình vuông x số hình vuông. Điện trở của hình vuông không phụ thuộc vào kích thước tuyệt đối của nó mà chỉ phụ thuộc vào độ dày và độ dẫn điện của vật liệu. Nghĩa là, điện trở của dây dẫn có chiều rộng 0,25 mm và chiều dài 10 mm (tức là 40 ô vuông) giống như điện trở của dây dẫn có chiều rộng 2,5 và chiều dài 100. Đối với lá đồng 35 micron, giá trị này là khoảng 0,0005 Ohm /quảng trường. Trên các bảng công nghiệp, khi kim loại hóa các lỗ trên giấy bạc, một lớp đồng bổ sung được tạo ra, do đó điện trở của hình vuông giảm thêm 20% so với lớp trên. Việc bảo trì dù là “béo” cũng ít ảnh hưởng đến điện trở, mục đích là tăng khả năng sinh nhiệt của dây dẫn để chúng không bị cháy trong thời gian ngắn. dòng điện sốc. Bằng cách sử dụng hiệu chỉnh mặt nạ ảnh (tức là đưa ra các hiệu chỉnh cho phần gạch chân) và khắc axit dị hướng, các nhà sản xuất có thể sản xuất các tấm ván có độ dày của giấy bạc ban đầu lên tới 30-40% tiêu chuẩn thiết kế, tức là. khi sử dụng lá mỏng nhất 105 micron (và có tính đến sự lắng đọng đồng - khoảng 125-130 micron), tiêu chuẩn thiết kế có thể từ 0,3...0,35 mm.

Một hạn chế đáng kể hơn đối với các mạch điện là dòng điện cho phép đi qua lỗ xuyên phụ thuộc chủ yếu vào đường kính của nó, vì độ dày của lớp kim loại hóa trong nó nhỏ (15...25 μm) và theo quy luật, không phụ thuộc vào về độ dày của lá. Đối với lỗ có đường kính 0,5 mm và độ dày tấm 1,5 mm, dòng điện cho phép là khoảng 0,4 A, đối với 1 mm - khoảng 0,75 A. Nếu cần cho nhiều dòng điện đi qua các lỗ hơn, một giải pháp hợp lý sẽ là sử dụng không phải một lỗ lớn mà là một tập hợp các lỗ thông nhỏ, đặc biệt nếu chúng được đặt dày đặc theo mô hình “bàn cờ” hoặc “tổ ong” - ở các đỉnh của một lưới hình lục giác. Vias nhân bản cũng mang lại lợi ích về độ tin cậy, vì vậy nó thường được sử dụng trong các mạch quan trọng (bao gồm cả mạch tín hiệu) khi phát triển thiết bị cho các ứng dụng đặc biệt quan trọng (ví dụ: hệ thống hỗ trợ sự sống).

Lớp phủ của bảng dây dẫn có thể cách điện và/hoặc bảo vệ. “Mặt nạ hàn” là lớp phủ cách điện bảo vệ trong đó các cửa sổ được hình thành ở các miếng tiếp xúc. Các dây dẫn có thể được làm bằng đồng hoặc được phủ một lớp kim loại để bảo vệ chúng khỏi bị ăn mòn (thiếc/hàn, niken, vàng, v.v.). Mỗi loại lớp phủ đều có ưu điểm và nhược điểm. Lớp phủ có thể là lớp mỏng, dày một phần micron (thường là hóa chất) và lớp dày (mạ điện, mạ thiếc nóng). Tốt nhất là áp dụng mặt nạ hàn cho đồng trần hoặc lớp phủ mỏng; khi áp dụng cho các dấu vết đóng hộp, nó giữ kém hơn và trong quá trình hàn xuất hiện hiệu ứng mao dẫn - sự tách lớp/mặt nạ hàn. Mạ vàng có cả hai loại, hóa học (mỏng) và mạ điện (yêu cầu kết nối điện dây dẫn, ví dụ, trên một đầu nối). TRONG Sản xuất quy mô lớn Cũng phổ biến là tùy chọn phủ các tấm tiếp xúc bằng đồng nguyên chất (không tráng thiếc) bằng một lớp sơn bóng giống như chất trợ dung (lớp phủ hữu cơ). Việc lựa chọn loại lớp phủ phụ thuộc vào công nghệ lắp đặt và loại bộ phận. Để cài đặt thủ công (và tự động cho các bộ phận có kích thước tiêu chuẩn 0805 trở lên), trong phần lớn các trường hợp, lựa chọn tốt nhất là mạ thiếc nóng các miếng đệm (HASL) với mặt nạ đồng. Đối với các bộ phận nhỏ hơn và lắp đặt tự động, nếu không có yêu cầu về rò rỉ đặc biệt nhỏ trên bo mạch, một trong những lựa chọn tốt nhất là vàng hóa học (ngâm) (Flash Gold) hoặc thiếc ngâm. Vàng hóa học rất rẻ trong thế giới bình thường, giống như quá trình đóng thiếc nóng, đồng thời cung cấp chỗ ngồi đồng đều hoàn hảo cho các nguyên tố mà không có củ hàn. Tuy nhiên, khi sản xuất bảng mạch ở Liên bang Nga, tốt hơn hết bạn nên đặt hàng lớp phủ không phải bằng vàng ngâm mà bằng thiếc - các giải pháp của nó không tiết kiệm được nhiều. Khi hàn các tấm có lớp phủ mỏng, kể cả Flash Gold, chúng phải được hàn nhanh và/hoặc đổ đầy chất trợ dung trung tính để tránh quá trình oxy hóa đồng qua các lỗ của lớp phủ và khi hàn tự động cũng nên sử dụng môi trường khí trung tính. (nitơ, freon).

Dưới đây là tài liệu dễ hiểu nhất (theo ý kiến ​​​​của tôi) về vấn đề này, cũng như một ví dụ về bảng máy tính hai lớp cho máy đo cấu hình vi mô (profilometer) mà tôi đã phát triển khoảng 10 năm trước, trong đó các biện pháp đảm bảo chất lượng của cấu trúc liên kết được áp dụng mà không có sự cuồng tín, chỉ một phần. Tuy nhiên, điều này hóa ra là đủ, mà không cần bất kỳ sự che chắn nào, trong một PC đang hoạt động với sự can thiệp của nó (và bộ phận năng lượng của chính nó - bộ phận điều khiển). động cơ cổ góp) cung cấp độ phân giải nhiều nguyên tử, vượt xa yêu cầu của thông số kỹ thuật nhiều lần (op amps được sử dụng chỉ là TL084/LM324). Thiết bị này được sản xuất cho đến rất gần đây và là thiết bị đo biên dạng duy nhất có độ chính xác loại 1 ở Liên bang Nga.

Người dùng diễn đàn: sia_2