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.

Рис. 1. Залежність імпедансу конденсатора від частоти

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.

Рис. 2. Підключення розв’язувальних конденсаторів  до виводів живлення ІМС 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.

Рис. 3. Типова схема операційного підсилювача без паразитних компонентів (а) і з паразитними компонентами (б)

Рис. 4. Додаткові піки на кривій АЧХ підсилювача, викликані паразитною ємністю

Рис. 5. Паразитна ємність між двома шарами друкованої плати

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).

Рис. 6. Розміри провідника на друкованій платі, якій утворює паразитну індуктивність

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.

Рис 7. Імпульсна характеристика ІМС підсилювача без заземлення (червоний колір), та із заземленням (зелений колір)

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.

Рис. 8. Розміри перехідного отвору на друкованій платі

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.

Рис. 9. Відмінності компонування схеми ОП для корпусів SOIC (a), SOT-23 (б) та SOIC (в) з маршрутом зворотного зв’язку під корпусом ОП

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.

Рис. 10. Розташування входів та виходів ОП у корпусі  LFCSP

Рис. 11. Схема розводки друкованої плати для ОП із низьким рівнем спотворень у корпусі LFCSP

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.

Рис. 12. Порівняння спотворень одного і того ж підсилювача у корпусах SOIC і LFCSP

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.

Рис. 13. Мікросмужкова лінія зв’язку а друкованій платі

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.

Рис. 14. Смужкова лінія з керованим опором

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.

Рис. 15. Захисні кільця інвертуючого та неінвертуючого підсилювачів на схемі (a) та на друкованій платі (б)

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.