Công cụ phát triển PCB. Tính toàn vẹn tín hiệu PCB và trở kháng dây

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 biến dạng 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. 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 bộ 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

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.

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 đi 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 một số hệ thống dây điện 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 (với khối lượng lớn và tiêu chuẩn thiết kế khoảng 0,38 mm - dưới 0,3 USD/sq. dm) do không cần kim loại hóa và khả năng thay thế các lỗ khoan bằng đục lỗ.

Yêu cầu tăng mật độ đóng gói đồng thời 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 theo quan điểm của làm mát tốt cho phép mật độ dòng điện cao hơn nhiều (~ 100 A/sq. mm) so với dây lắp đặt (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 hóa ra lớn hơn độ dày của lá ban đầu. Điện trở của dây dẫn phẳng phụ thuộc vào hình dạng của chúng về mặt luật đơn giản: điện trở bình phương x số bình phương. 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.

Hơn hạn chế đáng kểĐối với các mạch điện, 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 đó nhỏ (15...25 micron) và theo quy luật, không phụ thuộc vào độ dày của giấy bạc. 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 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 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- miếng đệm đóng hộp nóng (HASL) với mặt nạ đồng. Để biết thêm bộ phận nhỏ và cài đặt tự động, nếu không có yêu cầu về rò rỉ đặc biệt nhỏ trên bảng, một trong lựa chọn tốt nhất- 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 dành cho máy đo cấu hình vi mô (máy đo cấu hình) 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 nhiều lần so với yêu cầu của thông số kỹ thuật (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

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 nối 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.

* - có thể không có trong một MK cụ thể

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 bằng đế đồng trên bảng), và bên cạnh nó bạn sẽ 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?

Khi tối đa hóa diện tích đất bằng bảng mạch inđộ tự cảm của nó 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 bảng khu vực rộng lớnđổ đầy liên tục bằng một hộp đa giác bằng đất. 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 chuỗi với tần số thấp Cấu trúc liên kết này không phải là 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. Họ làm việc cho tần số khác nhau và không nên trộn lẫn để có độ chính xác và 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. Đa giác cũng được khuyến khích đặt dưới tất cả các vật liệu không phát xạ. mạch tần số cao(giống như bộ vi điều khiển của chúng ta, nhưng chúng ta sẽ nói về nó 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. TRÊN khoảnh khắc này 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 nhiều 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 xem xét các vấn đề cơ bản về bố cục PCB, đã đến lúc chuyển sang những vấn đề cụ thể, đặc biệt là hãy xem xét thực tiễn tốt nhấtđể nối dây nguồn và dây nối đất của 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 dẫn” 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 nên 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.

Khi phát triển bảng mạch in với mức giá tối ưu, một số vấn đề sẽ phát sinh. vấn đề then chốt. Mặc dù mục tiêu ban đầu có thể là thiết kế PCB càng nhỏ càng tốt nhưng đây có thể không phải là giải pháp rẻ nhất cho toàn bộ hệ thống. Có thể giảm kích thước PCB bằng cách tăng số lượng lớp PCB, từ đó gây ra các vấn đề về EMC có thể dẫn đến chi phí rất lớn khi dự án tiến triển.

Nhiễu điện từ, EMI hoặc tương thích điện từ, EMC là yếu tố chính trong sự phát triển của bảng mạch in. Việc đảm bảo khả năng tương thích điện từ của toàn bộ thiết bị có thể cực kỳ tốn kém nếu nhà thiết kế cắt bỏ các bước trong thiết kế và sản xuất bảng mạch in, do đó, một số phương pháp cắt giảm chi phí phải được loại bỏ ngay từ đầu. Nếu các thành phần tương tác hoặc phát ra EMI, nó sẽ đòi hỏi chi phí cao để đáp ứng các yêu cầu EMC trong giai đoạn thử nghiệm.

Mặc dù bảng bốn lớp được coi là sự cân bằng tối ưu giữa bảo vệ EMI và định tuyến bảng, nhưng thường có thể thiết kế bảng hai lớp có cùng đặc điểm bằng cách sử dụng quỹ miễn phí Dấu vết PCB như Thiết kế PCB của Spark. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí sản xuất bảng mạch in mà không ảnh hưởng đến thử nghiệm trong tương lai.

Đường dẫn tín hiệu trở lại là nhiều nhất vấn đề phức tạp khi truy tìm bảng mạch in. Sẽ khá khó khăn để theo dõi mặt đất quay trở lại dưới mọi dấu vết được kết nối với chân tín hiệu của bộ vi điều khiển, nhưng đó chính xác là những gì một bảng mạch bốn lớp với mặt phẳng mặt đất cung cấp. Không quan trọng dấu vết ở đâu, luôn có một con đường quay trở lại mặt đất bên dưới chúng.

Thứ gần nhất với mặt phẳng mặt đất về đặc điểm trên bảng hai lớp là lưới mặt đất, giúp giảm sự phát xạ nhiễu điện từ từ các dấu vết tín hiệu. Giảm diện tích vòng lặp bằng cách định tuyến đường dẫn trở lại dưới dấu vết tín hiệu là cách hiệu quả nhất cách hiệu quả giải pháp cho vấn đề này và việc tạo ra một mạng lưới nối đất là giải pháp tốt nhất giai đoạn quan trọng(sau khi lập kế hoạch bố trí) trong dấu vết PCB

Tạo một mạng tinh thể tạo ra một bề mặt

Tạo lưới là một kỹ thuật quan trọng để đạt được EMC trong bảng hai lớp. Rất giống với mạng điện, nó là mạng kết nối hình chữ nhật giữa các dây dẫn nối đất. Trên thực tế, điều này tạo ra một mặt phẳng nền có khả năng giảm EMI tương tự như bảng bốn lớp và thực sự phát ra mặt phẳng nền được sử dụng trong bảng bốn lớp để cung cấp các cải tiến EMC bằng cách tạo đường dẫn trở lại mặt đất dưới mỗi dấu vết tín hiệu và giảm trở kháng giữa vi điều khiển và bộ điều chỉnh điện áp.

Việc tạo mạng được thực hiện bằng cách mở rộng các đường dẫn trên mặt đất và tạo ra các hình phẳng dẫn điện nối đất để tạo ra một mạng lưới kết nối mặt đất trên toàn bộ bề mặt của PCB. Ví dụ: nếu PCB có các dấu vết chủ yếu ở lớp trên cùng chạy theo chiều dọc và các dấu vết ở lớp dưới cùng chạy chủ yếu theo chiều ngang, thì điều này đã làm suy giảm các điều kiện để định tuyến các đường dẫn trở về mặt đất dưới dây tín hiệu, thường được thực hiện theo hai giai đoạn:

• đầu tiên tất cả các dây dẫn nối đất được mở rộng để chiếm không gian lớn nhất trên bảng mạch in;
• sau đó mọi thứ khác nơi miễn phíđược lấp đầy bằng bề mặt nối đất.

Mục tiêu của phương pháp này là tạo ra càng nhiều cách tử càng tốt trên PCB hai lớp. Những thay đổi nhỏ trong cách bố trí PCB có thể cho phép kết nối bổ sung để tăng diện tích lưới mặt đất.

Phân vùng PCB

Phân vùng PCB là một công nghệ khác có thể được sử dụng để giảm tiếng ồn PCB và EMI và do đó giảm nhu cầu về lớp bổ sung bảng mạch in. Công nghệ này có ý nghĩa cơ bản giống như việc lập kế hoạch bố trí các linh kiện, đó là quá trình xác định vị trí của các linh kiện trên một bảng trống trước khi đi dây. Phân vùng PCB nhiều hơn một chút quá trình khó khănđặt chức năng tương tự vào một khu vực của PCB, thay vì trộn lẫn các thành phần chức năng khác nhau lại với nhau. Logic tốc độ cao, bao gồm cả bộ vi điều khiển, được đặt càng gần mạch điện càng tốt, các bộ phận chậm được đặt ở xa hơn và các bộ phận tương tự ở xa hơn. Cách tiếp cận này có tác động đáng kể đến EMC được in lệ phí.

Với sự sắp xếp này, logic tốc độ cao sẽ ít tác động hơn đến các đường dẫn tín hiệu khác. Điều đặc biệt quan trọng là vòng tinh thể phải được đặt cách xa các mạch tương tự, tín hiệu tốc độ thấp và đầu nối. Quy tắc này áp dụng cho cả bảng mạch in và vị trí sắp xếp các linh kiện bên trong thiết bị. Nên tránh bố trí các bó dây cáp xung quanh bộ cộng hưởng hoặc bộ vi điều khiển vì những dây cáp này sẽ tạo ra tiếng ồn và mang nó đi khắp nơi. Như vậy, việc phân vùng cũng quyết định vị trí các đầu nối trên bảng mạch in.

Công cụ thiết kế PCB

Có rất nhiều công cụ thiết kế có sẵn để hỗ trợ thiết kế với mục đích tối ưu hóa EMC. Một trong những phương tiện này Thiết kếSpark PCB phiên bản mới nhất, hỗ trợ kiểm tra quy tắc thiết kế (DRC) trong quá trình định tuyến, thay vì khi thực hiện kiểm tra sau khi quá trình định tuyến hoàn tất. Điều này đặc biệt hữu ích khi tối ưu hóa chi phí của PCB, vì mọi xung đột hoặc lỗi đều được báo hiệu ngay lập tức và có thể được giải quyết. Tất nhiên, những kiểm tra này phụ thuộc vào tính đầy đủ của thông tin do người thiết kế chỉ định, nhưng cách tiếp cận này cho phép bạn tăng tốc quá trình định tuyến và do đó giải phóng thời gian cho các vấn đề quan trọng khác.

Trong phiên bản 5 Thiết kếSpark PCB kiểm tra trực tuyến quy tắc thiết kế kiểm tra mọi thành phần đã được thêm hoặc di chuyển do hoạt động chỉnh sửa tương tác. Ví dụ: tất cả các dây được gắn vào một bộ phận đã di chuyển và tất cả các dây được thêm bằng cách định tuyến thủ công đều được kiểm tra.

Phiên bản 5 cũng bổ sung thêm hỗ trợ cho xe buýt để người soát vé có thể dễ dàng nhóm lại và định tuyến cùng nhau. Thay vì vẽ ra tất cả các kết nối trong một thiết kế và kết nối chúng với từng chân, người thiết kế có thể tạo ra một thiết kế ít lộn xộn hơn bằng cách sử dụng các bus bằng cách thêm các kết nối chân của thành phần vào bus mà tín hiệu được truyền qua.

Hình 1: Thêm thanh cái vào DesignSpark PCB Phiên bản 5

Lốp có thể mở hoặc đóng. Xe buýt kín là tập hợp các tên dây dẫn được xác định trước cho một xe buýt nhất định và chỉ những dây dẫn đó mới có thể kết nối với một xe buýt nhất định, trong khi xe buýt mở có thể bao gồm bất kỳ dây dẫn nào.

Mặc dù các tính năng này có ý nghĩa khi định tuyến bus nhưng chúng có thể được sử dụng để định tuyến các dây dẫn khác trên bảng mạch in. Khả năng sử dụng thanh cái trong mạch điện có thể giúp thiết kế đơn giản và rõ ràng hơn bằng cách nhóm nhiều dây dẫn dễ xảy ra EMI cùng với các dây dẫn hồi tiếp đất xung quanh chúng, từ đó giảm EMI trên bo mạch được thiết kế. Một nguyên tắc nhỏ là không bao giờ chạy dây dẫn phát EMI ở bên ngoài bo mạch, điều này có thể gây khó khăn cho các bo mạch nhỏ, hai lớp. Di chuyển các mạch không phát EMI ra khỏi những vị trí như đầu nối, mạch cộng hưởng, rơle và trình điều khiển rơle nơi EMI có thể được tạo ra trong các mạch này cũng giúp cải thiện EMC.

Phần kết luận

Thiết kế một PCB với sự đơn giản cần thiết để giảm chi phí được cho là một nhiệm vụ khó khăn hơn so với việc khai thác sự phong phú của bảng mạch nhiều lớp.

Một số vấn đề về EMC có thể được giải quyết bằng cách sử dụng tụ điện ghép nối và hạt ferit để triệt tiêu bất kỳ tín hiệu nào có thể phát ra, nhưng điều này làm tăng thêm độ phức tạp cho thiết kế và tăng chi phí sản xuất. Nếu nhiễu điện từ và các vấn đề tương thích điện từ có thể được giảm thiểu bằng cách quy tắc đúng Bằng cách thiết kế sử dụng phân vùng và giao thoa, lưới điện và lưới điện mặt đất có thể cung cấp cùng mức độ che chắn trong bảng hai lớp như có thể trong thiết kế bốn hoặc sáu lớp. Điều này không chỉ làm giảm chi phí sản xuất bo mạch mà còn cải thiện độ tin cậy và hiệu suất, bao gồm cả khả năng tương thích điện từ, do đó giảm chi phí vòng đời thiết bị.