Практичний посібник із компонування високошвидкісної друкованої плати

У статті розглядається компонування та проєктування друкованих плат для високошвидкісних пристроїв з практичної точки зору.

Д. Ардіццоні

Компонування друкованої плати для високошвидкісних пристроїв є одним із останніх кроків у про­цесі їх проєктування. Існує багато аспектів компону­вання високошвидкісної друкованої плати; на цю тему написано багато посібників і довідників. У цій статті розглядається компоновка друкованих плат для високошвидкісних пристроїв з практичної точки зору. Основна мета полягає в тому, щоб допомогти розробникам розібратися у численних і різноманіт­них міркуваннях, які необхідно враховувати при про- єктуванні плат для високошвидкісних схем. У статті розглянуто ключові особливості такої компоновки, врахування яких можуть принести найбільшу ко­ристь у покращенні продуктивності схеми, скоро­ченні часу на проєктування та мінімізації трудомі­стких операцій.

Застосування методів компоновки

Хоча основна увага у статті приділяється схемам, що включають високошвидкісні операційні підсилю­вачі, методи, які обговорюються у цій публікації, за­галом застосовні до компонування більшості інших високошвидкісних аналогових та аналого-цифрових ІМС.

Коли операційні підсилювачі працюють на висо­ких частотах, продуктивність схеми суттєво зале­жить від компоновки плати. Високочастотна схема, яка добре виглядає «на папері», часто забезпечує посередню продуктивність при недбалій компонов- ці. Завчасна увага до важливих деталей компоновки такої друкованої плати допоможе забезпечити на­лежне функціонування високочастотного пристрою у цілому.

Розробка принципової схеми.

Оптимізація схеми для компоновки

Хороший макет високочастотного пристрою починається з гарної схеми. Рисунок принципової схеми, яка має напря­мок сигналів зліва направо, забезпечить такий же найбільш оптимальний напрямок розводки і на пла­ті. Доцільно розмістити якомога більше корисної ін­формації на схемі. Інженери, які працюватимуть над розробкою друкованої плати, будуть дуже вдячні за це, як і користувачі готового пристрою.

Інформація на схемі

Яка інформація міститься на схемі, окрім звичай­них посилань, потужності розсіювання та допусків? Ось декілька порад, які можуть перетворити звичай­ну схему на оптимальну. Слід додати до схеми фор­му сигналів, інформацію про корпуси ІМС та інші ме­ханічні деталі, визначити, які компоненти повинні бути на верхній частині друкованої плати; доцільно включити інформацію про необхідні налаштування, допуски на параметри компонентів, інформацію про діапазон робочих температур, лінії або шини з конт­рольованим опором, короткий опис роботи схеми і т. і. Цей список зазвичай можна продовжувати.

Співпраця розробників

Якщо розробник пристрою особисто не розробляє макет друкованої плати, він обов’язково повинен приймати участь у розробці цього макету разом з відповідним спеціалістом. Чим більше інформації отримає розробник друкованої плати, тим кращою буде друкована плата. Така інформація повинна мі­стити наступне:

• короткий опис функцій схеми;
• ескіз плати, що показує місця входу та виходу;
• якої товщини буде плата, скільки буде мати ша­рів, деталі сигнальних шарів, шарів живлення, зем­лі (аналогової і цифрової);
• які сигнали повинні бути на кожному шарі;
• де мають бути розташовані критичні компонен­ти;
• точне розташування розв’язувальних компо­нентів;

яку довжину повинні мати відповідні лінії зв’язку;

• розміри компонентів;
• які компоненти потрібно тримати подалі (або поблизу) один від одного;
• які компоненти треба розташувати зверху та знизу друкованої плати.

Співпраця розробників

Слід мати на увазі, що розташування окремих компонентів схеми та на­явність інших ланцюгів по сусідству є критичними для високочастотної друкованої плати. Доцільно по­чати із розміщення важливих компонентів як для окремих вузлів схеми, так і для всієї плати. Вказівка розташування критичних компонентів і шляхів маршрутизації сигналу з самого початку допома­гають гарантувати те, що пристрій, який розроб­ляється, працюватиме згідно з технічними вимога­ми. Правильна з першого разу компоновка друкова­ної плати скорочує час на виконання всього циклу проєктування.

Розв’язувальні конденсатори.

Мінімізація шуму джерела живлення

Мінімізація шуму джерела живлення високошвидкісного опера­ційного підсилювача або інших аналогових та анало­го-цифрових компонентів є критичним аспектом процесу проєктування друкованої плати. Існує дві типові конфігурації для мінімізації шуму джерела живлення. Технологія, яка найкраще працює в біль­шості випадків, базується на використанні кількох паралельних конденсаторів, підключених між виво­дами джерела живлення ІМС підлювача і шиною землі. Як правило, достатньо двох паралельних кон­денсаторів, але для деяких ІМС можуть бути потрібні додаткові паралельні конденсатори.

Паралельне включення конденсаторів

Паралельне включення різних типів конденсато­рів з різною ємністю допомагає забезпечити низь­кий імпеданс джерела живлення в широкому діапа­зоні частот. Це особливо важливо на високих часто­тах, де знижується коефіцієнт ослаблення завад джерела живлення (Power Supply Rejection Ratio – PSRR), який забезпечує операційний підсилювач. Додаткові конденсатори забезпечують компенсацію зниження цього коефіцієнта. Підтримка низького ім­педансу джерела живлення у всьому діапазоні робо­чих частот друкованої плати забезпечує захист ана­логових та аналого-цифрових ІМС від шуму в ланцю­гах джерела живлення. На рис. 1 показано переваги використання кількох за технологією і параметрами типів паралельних конденсаторів (низькочастотного і високочастотного) у колах джерела живлення.

Розташування конденсаторів

Слід звернути увагу на те, що конденсатор із най­меншою ємністю і найменшим фізичним розміром слід розташувати з того самого боку друкованої плати, що й операційний підсилювач або інша ана­логова чи аналого-цифрова ІМС, та якомога ближче до ІМС підсилювача. Вивід конденсатора до зазем­лення повинен мати мінімальну довжину і бути яко­мога ближче розташованим до навантаження підси­лювача, щоб мінімізувати перешкоди між шинами живлення та землі. На рис. 2 показана принципова схема підключення конденсаторів до виводів жив­лення операційного підсилювача.

Типи конденсаторів

Це також стосується конденсаторів більшої єм­ності. Так, наприклад, найменше значення ємності для конденсатора може бути 0,01 мкФ. Цей конден­сатор, як правило, виконаний у корпусі 0508, забез­печує низьку послідовну індуктивність і відмінну про­дуктивність на високих частотах, а найбільше зна­чення ємності конденсатора може складати 2,2 мкФ і більше. Це електролітичний конденсатор з низьким ESR.

Альтернативна конфігурація

Rail–to–rail операційний підсилювач: в альтернативній конфігурації використовується один або більше розв’язувальних конденсаторів, підключених між позитивною та негативною шинами живлення.

Цей метод зазвичай використовується, коли важко підключити всі чотири конденсатори до ІМС. Недоліком цього підходу є те, що розмір корпусу конденсатора може збільшитися, оскільки напруга на конденсаторі буде вдвічі перевищувати напругу живлення в попередньому випадку з використанням одного джерела живленням.

Вища напруга на конденсаторі потребує вищого значення напруги пробою, тобто більшого розміру корпусу конденсатора. Однак цей метод підключен­ня розв’язувальних конденсаторів може забезпечи­ти вищий коефіцієнт PSRR. Оскільки кожна схема має конкретне призначення; конфігурація кіл розв’язки, кількість конденсаторів і параметри їх єм­ності визначаються технічними вимогами до схеми, що розробляється.

Паразитні компоненти.

Джерела паразитних компонентів

Це приховані паразитні конденсатори та індуктивності, які утворюються у високошвидкісних схемах. Вони включають котушки індуктивності, утворені виводами ІМС, інших компо­нентів та провідниками надлишкової довжини на друкованій платі; паразитні конденсатори «контакт- земля», «контакт-шина живлення» та «контакт-про- відник»; паразитні конденсатори між шарами друко­ваної плати і т. п. На рис. 3,a зображено типову принципову схему неінвертуючого ОП. Однак якщо додати до неї приховані паразитні компоненти, то схема виглядатиме так, як показано на рис. 3,б.

У високошвидкісних схемах навіть невелика кіль­кість паразитних конденсаторів та індуктивностей достатня, щоб суттєво вплинути на їх працездат­ність. Іноді достатньо лише кількох десятих зайвих пікофарад. Так, наприклад, якщо на інвертуючому вході підсилювача присутня лише 1 пФ додаткової паразитної ємності, це може спричинити піки напру­ги майже на рівні 2 дБ і більше в області високих ча­стот, як показано на рис. 4. Якщо паразитна ємність досить велика, це також може спричинити втрату стійкості і появу коливань в роботі схеми підсилюва­ча.

Кілька основних формул для розрахунку спотво­рень можуть стати в нагоді під час виявлення дже­рел паразитних коливань або піків.

Рівняння (1) є формулою для паразитного кон­денсатора, утвореного паралельними шарами дру­кованої плати (рис. 5).

C = kA/11.3d ,                            (1)

де C – паразитна ємність, A – площа шару або пла­стини в см², k – відносна діелектрична проникність діелектричного матеріалу плати, d – відстань між шарами або пластинами в сантиметрах.

Рівняння (2) є формулою для утвореної провідни­ками паразитної індуктивності, як показано на рис. 6:

де W- ширина провідника, L – довжина провідника, H – товщина провідника (усі розміри у мм).

Коливання, показані на рис. 7, відображають вплив провідника довжиною 2.54 см на неінвертуючому вході ІМС високошвидкісного підсилювача.

Еквівалентна паразитна індуктивність становить 29 нГн, чого достатньо, щоб викликати тривалі коли­вання низького рівня. На рис. 7 також показано, як використання заземлення ІМС підсилювача згладжує вплив паразитної індуктивності.

Перехідні отвори друкованої плати є ще одним джерелом паразитних компонентів; вони можуть утворювати як паразитну індуктивність, так і паразит­ну ємність. Рівняння 3 є формулою для утвореної отвором паразитної індуктивності L (рис. 8).

Lотв = 2T нГн,                       (3)

де T – товщина друкованої плати у см, d – діаметр отвору у см.

Рівняння 4 призначене для розрахунку паразитної ємності отвору (рис. 8):

Сотв = 0.55е_rTDi/(D2 – D 1) пФ,                     4)

де £_r– відносна проникність матеріалу плати, Т- тов­щина плати, D1 – діаметр площадки, що оточує отвір, D2 — діаметр зазору на шарі заземлення (всі розміри вказані в сантиметрах).

Вплив перехідних отворів

Додамо, що один отвір на платі товщиною 1.57 мм може додати паразитну індуктивність 1.2 нГн та пара­зитну ємність 0.5 пФ.

Роль шару заземлення

Велика площа шару заземлення забезпечує екранування, розсіювання тепла та зменшує пара­зитну індуктивність, але збільшує паразитну ємність. Незважаючи на те, що використання великої площі шару заземлення має багато переваг, слід бути обе­режним при її застосуванні, оскільки існують деякі об­меження до її розмірів.

В ідеалі один шар друкованої плати має бути по­вністю призначений для заземлення. Не можна під­даватися спокусі виділити ділянки цього шару для маршрутизації корисних сигналів. Шар заземлення зменшує індуктивність провідників шляхом компен­сації магнітного поля між провідником і шаром зазем­лення.

Оскільки площа шару заземлення зазвичай до­сить велика, опір у шарі заземлення зводиться до мі­німуму. На низьких частотах струм у цьому шарі буде проходити по шляху найменшого опору, а на високих частотах – по шляху найменшого імпедансу. Тим не менш, є винятки, коли менша площа заземлення може бути кращою. Високошвидкісні підсилювачі працюватимуть краще, якщо металеву поверхню шару заземлення видалити з-під його вхідних і вихід­них контактів.

Паразитна ємність, створена шаром заземлення на вході і додана до вхідної ємності операційного під­силювача, знижує його запас по фазі та може призве­сти до порушення його стійкості. Ємнісне наванта­ження на виході підсилювача створює додатковий по­люс у контурі зворотного зв’язку. Це може зменшити запас по фазі та призвести до нестабільної роботи підсилювача.

Аналогові та цифрові схеми, у тому числі їх зазем­лення, повинні бути рознесені на поверхні друкованої плати. Краєві ефекти шару заземлення формують стрибки струмів, що протікають у шарі заземлення, і призводять до додаткового шуму, який підвищує спо­творення корисного сигналу.

Аналогові та цифрові земляні шини (а також заземлення джерела живлення) повинні бути прив’яза­ні до однієї спільної точки заземлення на друкованій платі, щоб мінімізувати рівень циркулюючих цифро­вих та аналогових струмів у земляних шинах.

На високих частотах слід враховувати явище, яке називається скін-ефектом, і за яким струми у друко­ваній платі протікають на зовнішніх поверхнях провід­ників, фактично роблячи провідник вужчим, що збіль­шує його опір відносно постійного струму. Хоча скін- ефект виходить за рамки цієї статті, хорошим набли­женням глибини скін-поверхні (Skin Depth) в мідному провіднику (вираженої у сантиметрах) в залежності від частоти сигналу є рівняння 5:

Skin = 6.61Л f.                               (5)

Вибір корпусу підсилювача. Операційні підси­лювачі зазвичай випускаються в різних корпусах. Ви­браний тип корпусу може вплинути на роботу високо­частотної друкованої плати підсилювача. Основним впливом є паразитні елементи та маршрутизація сиг­налу.

Зосередимося на маршрутизації сигналів на вхо­дах, виходах та в колах живлення підсилювача. На рис. 9 показано відмінності компонування підсилюва­ча у корпусі SOIC (a) і у корпусі SOT-23 (б).

Порівняння корпусів

Кожен тип корпусу має відповідні переваги та не­доліки. Зосереджуючись на корпусі SOIC, розглянемо шлях сигналу зворотного зв’язку. Існує кілька варіан­тів маршрутизації зворотного зв’язку. Важливо, щоб у контурі зворотного зв’язку довжина провідників була максимально короткою.

Паразитна індуктивність у зворотному зв’язку може спричинити дзвін і перерегулювання на виході підсилювача. На рис 9,a і 9,б шлях зворотного зв’язку проходить навколо підсилювача. На рис. 9,в показано альтернативний підхід – шлях зворотного зв’язку проходить під корпусом SOIC, що зменшує його до­вжину.

Перший варіант може призвести до надмірної до­вжини провідника зі збільшенням послідовної індук­тивності. Другий варіант використовує перехідні отвори, які можуть додати паразитні ємність та індук­тивність. Вплив і наслідки цих паразитних елементів слід враховувати при компоновці друкованої плати.

Третій варіант розводки корпусу SOT-23 майже ідеальний: мінімальні довжина лінії зворотного зв’яз­ку та використання перехідних отворів; навантажу­вальний і розв’язувальний конденсатори мають ко­ротку відстань до земляного шару; конденсатори позитивної шини (не показані на малюнку 9,б), розта­шовані безпосередньо під конденсаторами негатив­ної шини в нижній частині плати.

Підсилювачі з низьким рівнем спотворень: нова розводка ІМС ОП з низьким рівнем спотворень, яка застосовується в деяких сучасних операційних підсилювачах, допомагає усунути обидві проблеми, притаманні для корпусів SOT-23 та SOIC. У підсилю­вачах у корпусі типу LFCSP з низьким рівнем спотво­рень використовується нетрадиційна розводка, як показано на рис. 10. Це пов’язано зі зсувом входів та виходів безпосередньо в корпусі ІМС підсилюва­ча, що дає змогу утворити контур зворотного зв’яз­ку найкоротшим шляхом (виводи входу і виходу знаходяться рядом), як показано на рис. 11.

Переваги LFCSP

Ще однією перевагою корпусу LFCSP є змен­шення спотворення другої гармоніки. Однією з при­чин викривлення другої гармоніки в традиційних конфігураціях підсилювача є зв’язок між неінвер- туючим входом і негативною шиною живлення. Внутрішня розводка ІМС підсилювача для корпусу LFCSP усуває цей зв’язок і значно зменшує спотво­рення другої гармоніки; в деяких випадках зниження може досягати 14 дБ.

На рис. 12 показано різницю у рівнях спотворен­ня між підсилювачами у корпусі SOIC і у корпусі LFC- SP. Останній корпус має ще одну перевагу, а саме у розсіюванні потужності. Корпус LFCSP має метале­ву підкладку, яка знижує температурний опір корпу­су приблизно на 40%. Завдяки нижчому темпера­турному опору підсилювач менше нагрівається, і як наслідок має вищу надійність.

Маршрутизація та екранування. Через друко­вану плату проходять як аналогові, так цифрові сиг­нали із високими та низькими напругою та струмом у діапазоні від постійного струму до НВЧ-діапазону. Захистити сигнали від перешкод у таких умовах до­сить важко. Тому важливо продумати заздалегідь, як сигнали будуть оброблятися на друкованій платі.

Важливо визначити, які сигнали є чутливими до перешкод, і відповідно визначити, які заходи не­обхідно вжити для протидії цим перешкодам. Шар заземлення забезпечує загальну або нульову точку відліку для електричних сигналів, і його також можна використовувати для екранування. Якщо потрібна ізоляція сигналу, першим кроком має бути забезпе­чення необхідної фізичної відстані між трасами сиг­налів.

Методи маршрутизації

Ось кілька прийомів, які варто використовува­ти при розводці плати для високих і надвисоких ча­стот:

• зведення до мінімуму довгих паралельних про­відників і близькості сигнальних шин на одній платі, це зменшить індуктивний зв’язок
• зведення до мінімуму довгих провідників на су­міжних шарах, це запобігатиме ємнісному зв’язку
• сигнальні шини, які потребують ізоляції, повин­ні прокладатися на окремих шарах і, якщо їх немож­ливоповністю віддалити, повинні проходити ортого­нально одна до одної та з шиною заземлення між ними.

Ортогональна маршрутизація зведе до мінімуму ємнісний зв’язок, а земляна шина утворить елек­тричний екран.

Лінії з контрольованим опором

Високочастотні сигнали зазвичай проходять по лініях із контрольованим опором, наприклад, 50 Ом (типовий опір для радіочастотних схем). Два поши­рених типи ліній зв’язку із контрольованим опором – це мікросмужкова та смужкова лінії, які можуть да­вати подібні результати, але з різними реалізаціями. Мікросмужкова лінія з контрольованим опором, яка показана на рис 13, може бути розташована на од­ному з боків друкованої плати; у цьому випадку вико­ристовується шар заземлення, як показано на рис 13.

Рівняння 6 можна використовувати для розра­хунку характеристичного опору для плати типу FR4.

де H – відстань від шару заземлення до сигнального провідника, W – ширина провідника, T – товщина провідника; усі розміри вказані в дюймах х10^-3, є_r – діелектрична проникність матеріалу друкованої пла­ти.

Смужкова лінія

У смужкових лініях із керованим опором (рис. 14) використовуються два шари заземлення, між якими розташована смужкова лінія для передачі сигналу. Цей підхід використовує більше ліній, вимагає біль­ше шарів заземлення, він більш чутливий до зміни товщини діелектрика та коштує дорожче, тому за­звичай використовується лише за спеціальними технічними вимогами до високочастотного при­строю, що розробляється.

Розрахункове рівняння характеристичного опору для смужкової лінії:

Захисні кільця – це ще один поширений тип ек­ранування, який використовується на друкованій платі з операційними підсилювачами та іншими ана­логовими і аналого-цифровими схемами; він використовується для запобігання потраплянню паразитних струмів у чутливі вузли схеми. Принцип простий — чутливий вузол повністю оточують захисним провід­ником (кільцем чи екраном), на який наводиться на­пруга від паразитних струмів.

На рис. 15,a показано схеми захисного кільця для інвертуючих і неінвертуючих конфігурацій операцій­ного підсилювача. На рис. 15,б – типове виконання захисних кілець для обох типів підсилювача у корпусі SOT-23-5.

Додамо, що існують інші варіанти екранування чутливих вузлів на друковані платі, які можна знайти у джерелах .

ВИСНОВКИ

Оптимальна компоновка друкованої плати важли­ва для успішного проєктування схеми на основі операційних підсилювачів та інших аналогових і аналого- цифрових вузлів, особливо для радіочастотного діа­пазону. Гарна схема є основою для надійно пра­цюючого пристрою; тісна взаємодія між розробника­ми принципової схеми та друкованої плати є важли­вою, особливо щодо розводки та розташування ком­понентів на платі. При цьому слід звернути увагу на розв’язку джерел живлення, мінімізацію паразитних напруг, струмів та компонентів, оптимальне розташу­вання заземлення, вибір типів корпусів ІМС, а також на методи маршрутизації та екранування.

ЛІТЕРАТУРА

• Ardizzoni, John, “Keep High-Speed Circuit-Board Layout on Track,” EE Times, May 23, 2005.
• Brokaw, Paul, “An IC Amplifier User’s Guide to De­coupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change,” Analog Devices Application Note AN-202.
• Brokaw, Paul and Jeff Barrow, “Grounding for Low- and High-Frequency Circuits,” Analog Devices Applica­tion Note AN-345.
• Buxton, Joe, “Careful Design Tames High-Speed Op Amps,” Analog Devices Application Note AN-257.
• DiSanto, Greg, “Proper PC-Board Layout Improves Dynamic Range,” EDN, November 11, 2004.
• Grant, Doug and Scott Wurcer, “Avoiding Passive­Component Pitfalls,” Analog Devices Application Note AN-348.
• Johnson, Howard W., and Martin Graham, High­Speed Digital Design, a Handbook of Black Magic, Pren­tice Hall, 1993.
• Jung, Walt, ed., Op Amp Applications Handbook, Elsevier-Newnes, 2005.