Печатная плата как компонент конструкции схемы с оу

Схемы с ОУ являются аналоговыми схемами и сильно отличаются от циф­ровых схем. Они должны занимать отдельное место на печатной плате, а то­пологию этой области печатной платы следует выполнять по специальным правилам.

Влияние топологии печатной платы особенно заметно в быстродейству­ющих аналоговых схемах, но распространённые ошибки, описанные далее, могут оказывать влияние на характеристики схем, работающих и в зву­ковом диапазоне частот.

Обсудим некоторые из наиболее частых ошибок разработчиков, изучение их влияния на характе­ристики схем и выработка простых рекомендаций по избежанию этих про­блем.

В любом случае топология печатной платы должна быть выполнена так, чтобы она не влияла на работу схемы. На практике это редко получается. Лю­бые воздействия печатной платы на работу схемы должны быть минимизированы, чтобы работа промышленно изготовленной схемы обеспечивала та­кие же характеристики, как и лабораторный прототип.

Обычно цикл разработки, особенно сложных цифровых устройств, тре­бует как можно более быстрой разводки их печатных плат. Цифровые схемы моделируются, и в большинстве случаев опытная плата без изменений запускается в массовое производство. Разработчики цифровых схем могут скор­ректировать незначительные ошибки введением в плату перемычек и раз­рывов проводников, перепрограммированием логических матриц или флэш-памяти и перейти к другому проекту.

С аналоговыми схемами всё по-другому Некоторые частые ошибки проектирования печатных плат нельзя устранить простым перемыканием или перерезанием дорожек. Они делают использование платы невозможным. Устранение последствий этих ошибок и связанное с этим повторное проектирование вызывают потери сотен часов из плотного графика подго­товки производства. Создание опытного образца требует обычно не больше одного дня. Всегда макетируйте аналоговые схемы!

Источники шумов

Шумы являются главным врагом характеристик аналоговых устройств. К ним относятся:

• Внутренние шумы самой микросхемы ОУ.

• Шумы, которые возбуждаются в аналоговых схемах при соединении их с другими цепями и воздействуют на них через эти соединения. В анало­говых схемах они обычно пренебрежимо малы, за исключением случаев мощных устройств, как, например, усилителей звуковых частот, которые потребляют от источников питания большие токи.

• Наводки, которые излучают и передают в эфир аналоговые схемы. Они обычно также пренебрежимо малы, за исключением случаев высоких ра­бочих частот, как у видеосигналов.

• Шумы внешних цепей, проникающие в аналоговую схему через землю, шины питания, входы и выходы.

• Шумы, которые наводятся на аналоговые схемы через эфир. Во многих случаях аналоговые схемы соседствуют на печатной плате с быстродей­ствующими цифровыми схемами, включая, например, сигнальные про­цессоры. Высокая тактовая частота и сигналы переключения цифровых ключей возбуждают заметные радиопомехи.

• Перечень других источни­ков наводок бесконечен: импульсные источники питания, сотовые теле­фоны, радио и телевизионные станции, люминесцентные светильники, персональные компьютеры, грозовые разряды и т. д. Даже для аналого­вых схем, работающих в звуковом диапазоне частот, радиопомехи могут создавать заметные шумы на выходе.

Механическая конструкция печатных плат

Для применения в различных областях важно правильно выбрать меха­нические характеристики печатных плат.

Материалы для печатных плат классифицируются согласно определени­ям Национальной ассоциации изготовителей электротехнического оборудо­вания (National Electrical Manufacturers Association — NEMA). Для разработчи­ков электронного оборудования было бы очень удобно, если бы эта органи­зация была в тесных союзнических отношениях с электронной промышлен­ностью и осуществляла бы контроль таких параметров материалов, как их электрическое сопротивление и диэлектрическая проницаемость. К сожале­нию, это не так. NEMA занимается вопросами безопасности электрооборудо­вания, и различные материалы для печатных плат классифицируются, в пер­вую очередь, по воспламеняемости, стабильности при воздействии высоких температур и влагостойкости.

Таким образом, выбор материала того или иного класса по NEMA не гарантирует электрических параметров материала. Если это критично, то приходится прибегать к консультациям у изготовите­лей материалов для печатных плат.

Фольгированные материалы характеризуются классом FR (flame resistant — устойчивость к воспламенению) и G. Материал FR-1 имеет наи­меньшую устойчивость к воспламенению, a FR-5 — наибольшую. Материалы G10 и G11 имеют специальные характеристики, описанные в табл. ПГ 1.

Таблица ПГ 1 - Материалы для производства печатных плат

Обозначение класса*	Материал/свойства
FR-1	Бумага с пропиткой фенольными смолами. Предназначена для применения при комнатной температуре, плохая влагоустойчивость
FR-2	Бумага с пропиткой фенольными смолами. Предназначена для применения в качестве односторонних печатных плат в бытовой аппаратуре, хорошая влагоустойчивость
FR-3	Бумага с пропиткой эпоксидными смолами. Сочетает хорошие механические и электрические свойства
FR-4	Стеклоткань с пропиткой эпоксидными смолами. Имеет прекрасные механические и электрические свойства
FR-5	Стеклоткань с пропиткой эпоксидными смолами. Имеет высокую устойчивость к нагреву, обладает свойством самотушения.
G10	Стеклоткань с пропиткой эпоксидными смолами. Имеет высокое сопротивление изоляции, прочное соединение слоя металлизации с подложкой, большую влагостойкость
G11	Стеклоткань с пропиткой эпоксидными смолами. Сохраняет высокую прочность на изгиб при повышенной температуре, чрезвычайная устойчивость к воздействию растворителей
• Материал на основе бумаги обычно называется гетинакс, а на основе стекловолокна — стеклотекстолит.

Не применяйте материал FR-1. Существует множество примеров печат­ных плат с пятнами прогара в местах расположения компонентов, на кото­рых выделяется большая мощность. Этот тип материала представляет собой не что иное, как картон.

Материал FR-4 обычно применяется в оборудовании промышленного на­значения, a FR-2 – в массовой бытовой аппаратуре. Эти два материала для изготовления печатных плат являются промышленными стандартами. От­клонение от этих стандартов ограничивает применимость других материа­лов, так как поставщики материалов для печатных плат имеют оборудова­ние, настроенное именно на их производство. Тем не менее в некоторых слу­чаях имеет смысл обратить внимание и на другие материалы. Например, в качестве подложки при работе на очень высоких частотах часто использу­ется тефлон или керамика. Но следует учитывать, что, чем материал эк­зотичнее, тем он дороже.

При выборе материала для изготовления печатных плат следует обра­тить внимание на влагостойкость.

Почти все требуемые характеристики материала для печатных плат ухудшаются из-за абсорбции воды. Это относится к поверхностному сопротивлению, диэлектрическим потерям, устойчивости к электрическому пробою и механической стабильности. Кроме того, следует учитывать рабочую температуру. Высокая рабочая температура на печатной плате может возникнуть в неожиданном месте, например вблизи большой ИС, работающей с высоким быстродействием. Следует проявлять осторож­ность относительно роста температуры, так как, если хоть один из 500 выво­дов этой микросхемы-монстра окажется прямо над чувствительной аналого­вой цепью, её характеристики из-за воздействия этой высокой температуры могут измениться.

После того как осуществлён выбор материала подложки печатной пла­ты, следует принять решение относительно толщины слоя медной металли­зации. В большинстве случаев, достаточно толщины меди 35 мкм. В мощных цепях лучше применять метал­лизацию с толщиной медного слоя 70 мкм. Следует избе­гать текстолита с толщиной слоя меди 18 мкм, так как в этом случае возможны разрывы между дорожками и контактными площад­ками.

Сколько слоев лучше?

В зависимости от сложности всей разрабатываемой схемы конструктор должен выбрать, сколько применять слоев металлизации на печатной плате.

Односторонние платы

Очень простые схемы бытовых электронных устройств чаще выполня­ют на односторонней печатной плате из недорогого материала FR-1 или FR-2, покрытого слоем меди. В этой конструкции часто приходится делать про­волочные перемычки, заменяющие переходы проводников на другую сторо­ну двухсторонней печатной платы. Этот вариант исполнения печатной пла­ты может быть рекомендован только для низкочастотных схем.

Этот тип конструкции обладает по­вышенной чувствительностью к наводимым помехам, поэтому такие платы сложно конструировать: любая неточность приводит к ошибкам. Вместе с тем множество сложных разработок можно выполнить с использованием од­носторонних плат, но это потребует больших усилий. Примером может быть телевизионный приёмник, в котором все аналоговые цепи размещены на односторонней плате, расположенной на дне корпуса, а металлизирован­ное покрытие электронно-лучевой трубки служит экраном для помех, созда­ваемых цифровой частью схемы настройки, расположенной в верхней части корпуса телевизора.

Е сли необходимо разрабатывать одностороннюю печатную плату, не за­будьте про сопротивления проводников! ОУ не является трёхвыводным при­бором (два входа и выход). На самом деле у него семь выводов, как это пока­зано на рис.

При разработке платы следует принимать во внимание сопротивление си­ловых проводников и сопротивление общего провода для входов и нагрузки. Токи через входные цепи и нагрузку должны где-то замыкаться. Если из-за со­противления токоведущих дорожек в разных точках схемы общая шина будет иметь различные потенциалы, это может создать проблемы.

Двухсторонние платы

Следующими по сложности являются двухсторонние платы. Хотя и встре­чаются двухсторонние платы на материале FR-2, обычно их изготавливают из FR-4. Повышенная прочность материала FR-4 обеспечивает лучшее каче­ство сквозных отверстий.

Двухсторонние платы легче разводить (трассиро­вать) из-за наличия двух слоев фольги. При этом имеется возможность про­пускать сигналы через пересекающиеся проводники, проходящие в разных слоях платы. Впрочем, для аналоговой техники это делать не рекомендуется. Всегда, когда это возможно, нижний слой должен быть связан с землёй, а все сигналы должны проходить по проводникам в верхнем слое металлизации. Такой принцип конструирования обеспечивает следующие выгоды:

• Как правило, соединения с землёй встречаются чаще всего. Использова­ние в качестве земли нижнего слоя металлизации обычно является са­мым простым способом создания такого соединения (через металлизиро­ванные отверстия).

• Это увеличивает механическую прочность плат.

• Это снижает импеданс всех соединений схемы с землёй, что уменьшает нежелательные шумы из-за взаимодействия узлов схемы между собой.

• Это увеличивает распределённую ёмкость для каждой ячейки схемы, что способствует снижению излучения помех.

• Нижний слой металлизации выполняет функцию экрана от внешних на­водок, источник которых находится под платой.

Многослойные платы

Двухсторонние платы, несмотря на их достоинства, не являются лучшим средством конструирования, особенно для чувствительных или высокоча­стотных схем. Чаще всего толщина плат выбирается равной 1,5 мм. Это рас­стояние между слоями металлизации на плате слишком велико, чтобы пол­ностью реализовать те выгоды, которые были отмечены выше. Например, распределённые ёмкости при таком расстоянии между слоями слишком ма­лы.

На многослойных платах выполняются наиболее сложные разработки. Некоторые из причин для этого очевидны:

• Легче выполняется трассировка шин питания и земли. Если шина пита­ния занимает весь металлизированный слой, то подключение к ней осу­ществляется просто через металлизированное отверстие.

• На других слоях проще провести трассировку сигнальных проводников.

• Ёмкости, распределённые между слоями земли и шин питания, более эф­фективно уменьшают высокочастотные шумы.

Есть и другие, менее очевидные преимущества многослойных плат, например меньшее излучение электромагнитных помех из-за эффекта отражения (image plane effect), известного со времён Маркони. Когда проводник рас­полагается параллельно проводящей поверхности, в ней возбуждаются высокочастотные токи, почти равные токам в проводнике, но имеющие противоположное направление. При этом проводник и проводящая по­верхность образуют своего рода линию передачи, которая излучает элек­тромагнитные волны вовне намного слабее, чем уединённый проводник.

Эффект зеркального отражения работает как со слоем земли, так и со сло­ями шин питания — главное, чтобы эти слои не имели разрывов. Любой зазор или разрыв вызывает сильное ослабление этого эффекта.

Уровень излучаемых радиопомех и помехозащищённость у много­слойных плат на 20 дБ лучше, чем у двухслойных.

Расположение слоев в печатной плате

В прошлом было много споров относительно оптимального расположе­ния слоев в многослойных печатных платах. Возьмем, к примеру, четырёх-слойную плату, состоящую из двух сигнальных слоев, слоя земли и слоя пита­ния. Как лучше разместить сигнальные слои — между слоями земли и пита­ния, что обеспечивает экранировку и упрощает трассировку сигнальных до­рожек между двумя соседними слоями, или, наоборот, слои земли и питания поместить внутрь этого «бутерброда»?

При этом важно помнить, что независимо от решения сигнальные прово­дники будут выходить на верхнюю или нижнюю поверхность. Открытыми будут также выводы ОУ и проводники, ведущие к близлежащим пассивным компонентам и переходным отверстиям. Поэтому экранирующий эффект бу­дет ослаблен. Намного лучше использовать преимущества распределённой ёмкости между слоями земли и питания, сделав их внутренними.

Другое преимущество этого решения состоит в доступности сигнальных проводников для контроля параметров их напряжений при внешнем распо­ложении сигнальных слоев. Кроме того, при таком расположении слоев на­много проще при необходимости выполнять корректировку схемы. Любой, кто хоть раз в жизни менял соединения проводников, расположенных во вну­тренних слоях, оценит эту возможность.

При четырёх и более слоях существует общее правило располагать про­водники с высокочастотными сигналами между слоями земли и питания, а низкочастотные проводники — снаружи.

Заземление

Хорошее заземление является важнейшим аспектом конструирования. Его необходимо планировать в первую очередь, ещё на этапе разработки кон­цепции системы.