Практические советы по разводке печатных плат для высокочастотных устройств

Цель настоящей публикации – дать полезные советы по раз­водке печатной платы начинаю­щим разработчикам быстродей­ствующих систем и устройств.

Дж. Ардизони

Разводка печатной платы является заключитель­ным этапом проектирования быстродействующего устройства или системы. Настоящая публикация не может дать ответ на все вопросы, которые могут воз­никнуть при проектировании подобных устройств, од­нако ключевые моменты, позволяющие сократить время проектирования и обеспечить предельные па­раметры проектируемого устройства, изложены в статье достаточно подробно. Несмотря на то, что все рекомендации по разводке печатной платы рассмот­рены на примере высокочастотных операционных усилителей, они также применимы и к другим анало­говым компонентам. Схемотехнические решения мо­гут выглядеть очень привлекательно “на бумаге”, однако из-за плохого монтажа получить ожидаемые параметры удается далеко не всегда. Оптимальное размещение компонентов и грамотная трассировка печатной платы могут обеспечить наилучшие пара­метры проектируемого устройства.

Принципиальная электрическая схема. Хоро­шей разводке печатной платы должна предшество­вать разработка хорошей принципиальной схемы. Ес­ли распространение сигнала в принципиальной схеме происходит слева направо, то в таком же направле­нии должен распространяться сигнал на печатной плате. При разводке печатной платы необходимо по­лучить как можно больше информации о принципи­альной схеме проектируемого устройства. Поэтому разработчик принципиальной схемы, если это воз­можно, должен работать непосредственно с техноло­гом.

Какая информация необходима технологу кроме спецификации компонентов, рассеиваемой мощнос­ти и допусков? Это, прежде всего, информация о форме сигнала, механических параметрах (габаритах корпуса, допустимой длине печатных проводников, ограничениях на размеры печатной платы), сведения о том, какие компоненты должны находиться на каж­дой стороне печатной платы, включая компоненты с регулируемыми параметрами, сведения о темпера­турных характеристиках компонентов, допустимом импедансе печатных проводников, краткие сведения о работе принципиальной схемы и т.д.

Какую информацию должен предоставить разработчик принципиальной схемы технологу? Эта информация должна включать краткое описание работы основных узлов схемы, эскиз платы с указани­ем примерного расположения входных и выходных узлов, количество слоев, толщину слоев, назначение каждого слоя: сигнальный, слой питания, слой земли цифровой, слой земли аналоговой и т.п. Должны быть указаны компоненты с критическими параметрами, печатные проводники с ограничением импеданса, согласованные по параметрам печатные проводники. Должно быть известно, какие проводники следует удалить друг от друга, каковы размеры компонентов, какие компоненты должны находиться рядом, а какие удалены друг от друга.

Расположение компонентов. Как правило, зара­нее определено, где должны быть вход и выход печат­ной платы, остальное пространство печатной платы зачастую заполняется произвольно. Чтобы избежать (при таком подходе) перепроектирования печатной платы, следует вначале разместить компоненты с критическими параметрами, влияющие на прохожде­ние сигнала от входа к выходу. Это позволит сокра­тить время на трассировку печатной платы и стои­мость разработки печатной платы в целом.

Развязка источников питания. Существует два основных принципа разводки цепей питания высоко­частотных компонентов, включая операционные уси­лители. Это, прежде всего, включение между шинами питания и земли нескольких конденсаторов (как пра­вило, достаточно включить параллельно два конден­сатора). Величина емкости конденсатора выбирается таким образом, чтобы переменная составляющая не попала в цепь питания усилителя. Это особенно важ­но на высоких частотах, на которых коэффициент ослабления нестабильности напряжения питания уси­лителя уменьшается. Дополнительно включенные в цепь питания конденсаторы позволяют компенсиро­вать уменьшение этого коэффициента на высоких частотах. На рис. 1 показана зависимость импеданса конденсатора от величины его емкости и частоты.

Рис. 1. Зависимость импеданса конденсатора от величины емкости и частоты

Поэтому неправиль­ный выбор типа конденсатора может привести к поте­ре устойчивости проектируемого устройства. Как правильно выбрать конденсатор развязки рассмотре­но в . Развязывающие конденсаторы минимальных размеров и небольшой величины емкости должны ус­танавливаться в непосредственной близости от выхо­дов усилителя на той же стороне печатной платы, на которой этот усилитель установлен. На рис. 2 показано, как должны подключаться развязывающие кон­денсаторы. Точно так же вблизи усилителя должны быть расположены конденсаторы большой емкости (от 0.01 до 2.2 мкФ). Если используются электролити­ческие конденсаторы, их паразитное последователь­ное эквивалентное сопротивление должно быть ми­нимальным .

Рис. 2. Схема подключения развязывающих конденсаторов

Ко второму методу развязки цепей питания отно­сится включение развязывающих конденсаторов между положительным и отрицательным источниками питания. Данный метод применяют, когда затрудни­тельно расположить четыре конденсатора вблизи од­ной ИМС. Недостатком второго метода является то, что в связи с удвоением напряжения на обкладках конденсатора увеличиваются его размеры. С другой стороны, данный метод позволяет увеличить коэффи­циент ослабления нестабильности напряжения пита­ния и уменьшить уровень нелинейных искажений.

Паразитные параметры. К этим параметрам от­носятся паразитные емкости и индуктивности, кото­рые из-за плохого печатного монтажа могут быть включены в электрические цепи высокочастотного устройства. Паразитные индуктивности могут быть образованы выводами корпусов ИМС и длинными пе­чатными проводниками. Паразитные емкости могут быть образованы монтажной площадкой и земляным слоем, монтажной площадкой и слоем питания, мон­тажной площадкой и проводником печатной платы и т.п. На рис. 3, а приведена идеальная принципиаль­ная схема неинвертирующего усилителя. Если ука­зать все паразитные элементы, которые могут быть образованы вследствие неудачного проектирования печатной платы, то получим принципиальную схему не­инвертирующего усилителя, приведенную на рис. 3, б.

Рис. 3. Идеальная принципиальная схема (а) и схема с паразитными элементами (б) неинвертирующего усилителя

В высокочастотных цепях даже незначительная вели­чина паразитного параметра может привести к изме­нениям работы устройства в целом. Так, например, па­разитный конденсатор на входе усилителя (рис. 3, б) может увеличить выброс на кривой АЧХ на 2 дБ (рис. 4). Паразитная емкость может привести к потере устойчивости усилителя. Ниже приведены простые формулы, позволяющие определить величину пара­зитных параметров. Так, например, величина пара­зитной емкости С, образованной двумя пластинами (рис. 5), определяется из выражения (1).

Рис. 4. Дополнительный выброс на кривой АЧХ

где А – площадь пластины в см , к – диэлектрическая постоянная материала платы, d – расстояние между пластинами в см.

Рис. 6. Индуктивность L фрагмента печатного проводника

Из выражения (2) можно определить величину па­разитной индуктивности (L) печатного проводника с габаритами lхhхw.

Осцилляции, приведенные на рис. 7, вызваны под­ключением печатного проводника длиной 2.5 см к не­инвертирующему входу усилителя. Эквивалентная па­разитная индуктивность этого проводника составляет 29 нГн. Уменьшить влияние этой индуктивности позво­ляет земляной слой печатной платы. Сквозные отвер­стия являются еще одним источником паразитных па­раметров, из выражения (3) можно вычислить паразит­ную индуктивность L, образованную таким отверстием.

Рис. 7. Импульсный сигнал на выходе ОУ, расположенного на печатной плате с земляным слоем (а) и без земляного слоя (б)

где Т – толщина печатной платы в см, d – диаметр сквозного отверстия в см.

Паразитную емкость С такого отверстия, чертеж которого показан на рис. 8, можно определить из вы­ражения (4).

где εr – диэлектрическая проницаемость материала печатной платы, Т – ее толщина в см, D1 – диаметр монтажной площадки вокруг отверстия в см, D2 – ди­аметр неметаллизированной поверхности вокруг монтажной площадки в см. Одно отверстие в печат­ной плате толщиной 0.157 см увеличивает величину паразитной индуктивности на 1.2 нГн и паразитной емкости на 0.5 пФ. Вот почему разводка печатной платы для высокочастотных устройств должна выпол­няться тщательно с учетом факторов, влияющих на работу устройств в целом.

Рис. 8. Чертеж сквозного отверстия на печатной плате

Земляной слой. Земляной слой печатной платы обеспечивает экранирование, рассеивание тепла, уменьшает величину паразитных индуктивностей проектируемого устройства, однако приводит к уве­личению паразитной емкости. При использовании та­кого слоя необходимо учитывать как его преимущест­ва, так и недостатки.

В идеальном случае один из слоев печатной платы должен быть земляным. Он ослабляет электромаг­нитное поле, наводимое на сигнальные проводники. Большая площадь такого слоя сводит к минимуму сопротивление земляной шины питания.

Однако, несмотря на указанные преимущества, в некоторых случаях приходится отказываться от ис­пользования такого слоя. Высокочастотные ОУ рабо­тают лучше, если под монтажными площадками вход­ного и выходного выводов земляной слой отсутствует, так как наличие такого слоя приводит к увеличению паразитной емкости на входе и выходе усилителя. Это, в свою очередь, может привести к потере устой­чивости ОУ или ухудшению АЧХ за счет увеличения выбросов в области ВЧ. Наличие паразитной емкост­ной нагрузки на выходе ОУ может привести к форми­рованию дополнительного полюса, если усилитель охвачен отрицательной обратной связью, и, как след­ствие, к потере устойчивости ОУ.

Аналоговая и цифровая земля проектируемого устройства должны быть разнесены в пределах одной печатной платы. Прохождение импульсов с крутыми фронтами в сигнальных цепях приводит к большим выбросам тока в земляной шине. Эти выбросы фор­мируют шумы в аналоговых цепях усилителя. Для уменьшения уровня таких шумов шины аналоговой и цифровой земли должны быть объединены на печат­ной плате только в одной точке.

На высоких частотах необходимо учитывать скин- или поверхностный эффект, приводящий к протека­нию токов только в поверхностном слое проводника, что вызывает увеличение сопротивления этого про­водника по сравнению с его сопротивлением на пос­тоянном токе. Эквивалентное уменьшение сечения медного проводника при протекании высокочастот­ных токов хорошо аппроксимируется выражением (5)

где R – толщина скин-слоя.

Для ослабления влияния скин-эффекта при изго­товлении печатных проводников следует использо­вать вместо меди другие металлы, менее чувстви­тельные к данному эффекту.

Влияние типа корпуса. Усилители, как и другие микроэлектронные компоненты, выпускаются в раз­личных корпусах. Тип корпуса может оказывать влия­ние на высокочастотные характеристики ОУ и других аналоговых ИМС. Основное влияние оказывают пара­зитные параметры, связанные с конструкцией корпу­са. На рис. 9, а и 9, б приведены примеры разводки печатной платы для ОУ соответственно в корпусе SOIC и SOT-23. Каждый из корпусов имеет свои пре­имущества. Сначала рассмотрим особенности монта­жа ОУ с обратной связью в корпусе SOIC (рис. 9, а). Основная задача при разводке печатной платы заклю­чается в минимизации длины печатных проводников. Паразитная индуктивность в цепи обратной связи мо­жет привести к появлению звона и перегрузок. На рис. 9, а и 9, б проводник цепи обратной связи прохо­дит вокруг ИМС усилителя, в то время как на рис. 9, в этот проводник проходит под ИМС усилителя, выпол­ненной в корпусе SOIC. В последнем случае длина проводника короче, чем в первом и втором случаях. В конструкции, приведенной на рис. 9, а, наибольшая длина печатных проводников и, как следствие, наи­большая величина паразитной индуктивности. В конструкции, приведенной на рис. 9, б, используют­ся сквозные отверстия, приводящие к образованию паразитных индуктивностей и емкостей. Разводка ИМС ОУ в корпусе SOT-23 практически идеальна: ми­нимальная длина печатных проводников в цепи об­ратной связи, нагрузка и развязывающие конденса­торы соединены с земляной шиной в одной точке и их связи тоже имеют минимальную длину. Конденсатор развязки для положительного напряжения питания на рис. 9, в не показан, т.к. он находится с другой сторо­ны печатной платы под таким же конденсатором для отрицательного напряжения питания. Следует отме­тить, что благодаря новому расположению выводов в ряде высокочастотных усилителей (например, AD8045 производства фирмы Analog Devices) удается уменьшить длину проводников в цепи обратной свя­зи. Это объясняется тем, что, как показано на рис. 10, вывод инвертирующего входа и вывод выхода ИМС усилителя AD8045 находятся рядом. Разводка такого усилителя существенно упрощается (рис. 11) и, кро­ме того, ослабляются нелинейные искажения по вто­рой гармонике, так как в новом корпусе отсутствует индуктивная связь между выводами неинвертирую­щего входа и отрицательного напряжения питания. Максимальная величина ослабления таких искажений может достигать 14 дБ. На рис. 12 приведены зависи­мости нелинейных искажений для усилителя AD8099, выполненного в корпусе старой конструкции (SOIC) и в новом корпусе LFCSP с измененным порядком вы­водов. Новый корпус, кроме того, имеет лучшие параметры по мощности рассеивания, т.к. его термосо­противление уменьшено на 40%. Это приводит к уве­личению эксплуатационной надежности усилителей, выполненных в корпусе LFCSP. Отметим, что кроме усилителя AD8099 фирма Analog Devices выпускает в новом корпусе усилители AD8045 и AD8000.

Рис. 9. Примеры установки ОУ на печатной плате: в корпусе SOIC (a), в корпусе SOT-23 (б) и в корпусе SOIC с цепью обратной связи под корпусом (в)

Рис. 10. Расположение выводов усилителя AD8099, обеспечивающее минимальные нелинейные искажения

Рис. 11. Пример установки на печатную плату усилителя AD8045

Рис. 12. Зависимость уровня нелинейных искажений от частоты для усилителя AD8099 в корпусах SOIC и LFCSP

Трассировка платы и экранирование. На печат­ную плату поступают аналоговые и цифровые сигналы в полосе частот от нуля до гигагерц. Для исключения взаимного влияния этих сигналов приходится приме­нять специальные меры. Земляные слои являются хо­рошим экраном для сигнальных проводников. При разводке печатных плат для высокочастотных уст­ройств можно воспользоваться следующими реко­мендациями:

• следует минимизировать длину параллельных проводников, что позволяет уменьшить величину взаимной индукции
• следует минимизировать длину проводников на смежных слоях для уменьшения емкостной связи
• печатные проводники, которые необходимо изо­лировать друг от друга, желательно размещать на разных слоях на значительном удалении друг от друга; если такие проводники не удается разнес­ти, следует располагать их ортогонально с земля­ным слоем между ними.

Ортогональное расположение проводников поз­воляет уменьшить емкостную связь между ними, а земляной металлизированный слой выполняет в этом случае роль электромагнитного экрана. Перечислен­ные приемы используются при формировании линий с контролируемым импедансом.

Высокочастотные сигналы, как правило, поступа­ют именно на такие линии. Они имеют волновое со­противление, например, 50 Ом, и выполнены на осно­ве микрополосковых и полосковых линий связи.

Микрополосковая линия с контролируемым импе­дансом для передачи ВЧ-сигнала изображена на рис. 13. Выражение (6) может быть использовано для расчета импеданса Z_O, если в качестве материала пе­чатной платы используется стеклотекстолит FR4.

где Н – расстояние между микрополосковой линией и земляным слоем печатной платы, W – ширина микрополоскового проводника, Т – толщина этого провод­ника, εr  – диэлектрическая проницаемость стекло­текстолита. Все геометрические размеры необходи­мо подставлять в тысячных долях дюйма.

Рис. 13. Чертеж микрополосковой линии

Полосковая линия с контролируемым импедансом представлена на рис. 14. Она состоит из слоев пита­ния и земли, между которыми находится диэлектрик с сигнальной линией. Для создания такой линии требу­ется больше слоев, ее размеры зависят от толщины диэлектрического материала. Такая линия стоит до­роже микрополосковой и изготавливается по специ­альному заказу. Волновое сопротивление Z_O этой ли­нии определяется из выражения (7).

Рис. 14. Чертеж полосковой линии

Защитное кольцо (guard ring) является еще одним средством экранирования входной цепи усилителя или другой аналоговой ИМС. Такое кольцо изолирует наиболее чувствительные к помехам узлы от паразит­ных токов. На рис. 15 показано, как должно быть орга­низовано защитное кольцо на инвертирующем и не­инвертирующем входах ИМС AD8067, выполненной в корпусе 5-SOT23.

Рис. 15. Защитное кольцо вокруг входа инвертирующего и неинвертирующего ОУ: принципиальная схема (а), пример установки на печатной плате (б)

Выводы

• Грамотному проектированию печатной платы должна предшествовать разработка оптимальной принципиальной схемы высокочастотного устрой­ства.
• Проектирование печатной платы должно быть выполнено таким образом, чтобы свести к минимуму образование паразитных емкостных и индуктивных связей.
• Для устранения помех по цепям питания необ­ходимо правильно выбрать конденсаторы развязки и установить их в соответствии с рекомендациями, проведенными в статье.
• Применение земляного слоя позволяет снизить уровень электромагнитных помех, однако может при­вести к увеличению паразитной емкости.
• Большое значение при проектировании ВЧ-устройств имеет тип корпуса ИМС; наилучшими для ВЧ- устройств являются корпуса типа
• Оптимальная трассировка и грамотное экрани­рование обеспечивают максимальную полосу частот проектируемого ВЧ-устройства.