Существует множество методов создания печатных плат . Все они имеют как плюсы, так и минусы. Основными критериями выбора способа создания печатной платы являются простота, т.е. способность реализации с помощью того, что есть дома либо на работе, и точность – насколько можно уменьшить расстояние между дорожками без ущерба для схемы. Возможно, данные критерии и не самые важные, но для меня простота и точность всегда были самыми важными.
Метод, который я опишу здесь, называется «методом плоттерной резки» . Метод хорошо известен тем, кто занят в сфере наружной рекламы. В наружной рекламе необходимо вырезать буквы, цифры, контуры на клеящей бумаге. Конечно, можно (как китайцы) все делать вручную, но там, где нужна точность, на помощь приходит плоттер. Вместо картриджа с чернилами на таком плоттере установлен нож-резак, который делает прорези в клеящем слое, оставляя бумажную подложку целой.
Плоттер можно найти в любой типографии и за небольшие деньги получить резку печатной платы с очень высокой плотностью дорожек. Чертеж печатной платы должен быть представлен в векторной форме, наиболее предпочтительным для этого является формат CorelDraw. Вот именно о создании печатной платы в программе Corel Draw и пойдет разговор ниже.
Для начала нужно определиться с рисунком печатной платы. В сети достаточно материала, чтобы найти подходящий по полноте и качеству исполнения рисунок платы. Как все рисунки, файл будет иметь расширение: jpg, bmp, gif, tif…
Берем рисунок печатной платы. Качество рисунка может быть как очень хорошим, так и не очень. Например, вот что мне удалось найти.
Качество картинки оставляет желать лучшего, поэтому с помощью любого графического редактора облагораживаем картинку. Самым распространенным редактором является Photoshop, но для работы в этой программе нужны навыки и месяцы освоения, поэтому можно пойти более длинным путем и произвести обработку в стандартной программе Windows – Paint.
Целью обработки является увеличение контрастности дорожек, удаление лишних затемнений, обрезка картинки до нужного размера. Если все это удается, то можно сразу переходить к установке программы CorelDraw. Всю обработку я производил на очень медленной машине (800 МГц, 384 Mb), поэтому новые версии программы для меня не подходили, а вот CorelDraw Graphics Suite X3 прекрасно подошел.
Для тех, кто еще не виртуоз в Photoshop, а в Paint результаты обработки оставили желать лучшего, опишу, что необходимо сделать с картинкой для достижения лучшего результата. Естественно, картинку нужно обработать. Программа для этого подойдет Sprint-Layout. Для работы в этой программе исходное обрабатываемое изображение должно иметь разрешение не более 300 на 300 пикселей, расширение bmp и любое качество. Разрешение ни на что не влияет, далее все можно будет подогнать под реальные размеры печатной платы, просто программа Layout не работает с картинками более 300 на 300 пикселей.
Sprint-Layout – программа для рисования одно- и двухсторонних печатных плат, она позволяет срисовывать печатные платы так сказать «с натуры». Это последнее умение нам и пригодится.
Запускаем программу Sprint-Layout.
«Файл – новый файл», выбираем размеры будущего рисунка печатной платы.
«Опции - задний план», открываем вид печатной платы в формате bmp.
Здесь нужно немного поколдовать с размерами исходного изображения. Хоть максимальное разрешение 300 на 300 пикселей, но при добавлении изображения 300 на 150 изображение получилось явно обрезанным по длине, поэтому при помощи увеличения разрешения dpi подгоняем размер изображения. Если это не получится - нужно изменить физические размеры изображения в фотошопе.
Перерисовываем плату с помощью инструментов программы. Программа на русском языке, и разобраться в ней не так уж и сложно. После срисовывания сохраняем получившееся изображение в формате *.jpg.
После всей обработки должно получиться примерно такое изображение, только нужно сохранить правильный слой.
Добавляем обработанное изображение в CorelDraw. От Corel необходимо только преобразование изображения в векторный рисунок, понятный плоттеру. Для этого:
1) открываем программу и нажимаем «создать»
2) нажимаем «файл – импорт» и выбираем обработанный файл изображения, появляется черная стрелка, указывающая на место, в которое необходимо поместить изображение, правой кнопкой мыши щелкаем по экрану - появляется изображение
3) нужно преобразовать изображение в векторный чертеж. Выбираем "Растровые изображения - Трассировать растровое изображение - Изображение высокого качества"
4) если контуров окна не видно, что бывает при недостаточном разрешении рабочего стола, – жмем кнопку «ввод» либо нажимаем OK и получаем примерно такой вид
5) на палитре цветов на вертикальной полосе справа ЛЕВОЙ кнопкой мышки щелкаем по БЕЛОМУ цвету, а ПРАВОЙ кнопкой мыши - по ЧЕРНОМУ цвету. Это позволит сделать обводку дорожек черного цвета
6) получилось два чертежа, наложенных друг на друга. Один - исходное изображение, второй – векторный чертеж. Сдвигаем один относительно другого, удерживая правую кнопку мыши, выделяем рисунок с темными дорожками и удаляем его кнопкой «delete», устанавливаем размеры печатной платы (в шапке программы - размер объектов). Должен получиться векторный чертеж контуров печатной платы, пригодный для резки на плоттере
7) сохраняем чертеж в формате *.cdr и отправляем на резку
После резки клеящая пленка на бумажной основе имеет множество тоненьких линий, рассекающих клеящий слой пленки и образующих дорожки.
Следующим шагом необходимо убрать всю пленку между дорожками, оставив на бумажной основе дорожки. Осторожно подковырнуть острым ножом место в углу между дорожками и тихонько тянуть в сторону платы и вверх. Необходимо следить за дорожками, чтобы ни одна не осталась на снимаемой пленке. Если дорожка поднимается с бумажной основы, то тихонько ее нужно вернуть на место ногтем.
Нельзя соприкасать снятую пленку с участками еще не снятой пленки и готовыми дорожками. Пленки слипнутся, и снятие будет затруднено. Если резка выполнена качественно, а дорожки большие, то без особых навыков можно проделать эту операцию с первого раза.
Сверху на дорожки для переноса их с бумажной основы на стеклотекстолитовую основу прикатываем прозрачную пленку с клеящим слоем и осторожно убираем бумажную основу, оставляя дорожки приклеенными к прозрачной пленке. Эта пленка имеется в типографиях и обычно идет в наборе к клеящей пленке. Получается, что дорожки с цветной стороны приклеены к прозрачной пленке, а со стороны клеящего слоя просто висят в воздухе.
Полностью подготавливаем плату для переноса на нее дорожек.
Плата должна быть в чистом виде, без жирных пятен, которые могут не дать как следует закрепиться дорожкам, поэтому плату зачищаем наждачной бумагой, обезжириваем, сушим.
Прикатываем пленку с дорожками к фольгированной части стеклотекстолита. Прикатывание подразумевает осторожный, но сильный нажим на дорожки с помощью твердой губки, которая не поцарапает пленку. Затем осторожно снимаем пленку так, чтобы все дорожки остались на печатной плате.
Прогреваем пленку для лучшего приклеивания пленки к плате при помощи фена либо тепловентилятора, протравливаем, промываем, просверливаем отверстия, снимаем пленочные дорожки, зачищаем дорожки наждачной бумагой и залуживаем дорожки.
Подготовка печатной платы происходит в несколько этапов:
1. Вырезать фольгированный стеклотекстолит под размер печатной платы, оставив зазоры под крепление.
2. Зачистить мелкой наждачной бумагой до блеска фольгированный слой стеклотекстолита, обезжирить «нефрасом» или другим растворителем, не оставляющим разводов и пятен, просушить.
3. Любым подходящим способом нанести дорожки будущей схемы.
4. Протравить плату в растворе хлорного железа.
5. Промыть и просушить печатную плату.
6. Просверлить отверстия мелким сверлом.
7. Убрать защитный слой дорожек.
8. Зачистить, обезжирить, просушить.
9. Нанести слой припоя тонким слоем на все дорожки, оставив отверстия незапаяными.
10. Запаять детали.
Кому не приходилось изготавливать печатную плату? Дело это не очень сложное, а результат придаёт проекту завершённость. В этом посте я бы хотел рассказать о процессе создания печатной платы на дому. Я опишу фоторезистивный метод создания платы. Он довольно прост в применении и позволяет печатать весьма сложные платы. Более того, я обошёлся струйным принтером.Пост содержит фотографии, видео и схемы.
Идея фоторезистивного метода очень проста. Медь на печатной плате сверху покрыта специальным веществом. Если на это вещество попадает свет, то оно потом растворяется в проявителе. Если свет не попал, то в проявителе вещество остаётся красителем. Процесс изготовления платы состоит из четырёх частей:
1. Создаём прозрачную маску на которой размечено что с чем соединять
1. Светим на плату с веществом через эту маску
2. Бросаем плату в проявитель: на плате окрашены только места, размеченные на маске
3. Бросаем плату в травитель: он съест всю медь, кроме окрашеной
Создание схемы
Первый шаг создания печатной платы вполне очевиден: надо создать схему того, что будет на плате. Довольно стандартной программой для этого является Eagle CAD . Не смотря на то, что программой довольно сложно овладеть (мне так кажется, что она совершенно отвратительна в использовании), Eagle CAD пользуются очень многие. Пользователей так много, что производители и поставщики деталей иногда создают библиотеки компонентов.В рамках этого поста мы будем делать довольно простое устройство: плату, разводящую контакты для ATTiny. Так, чтобы можно было воткнуть в плату чип, питание и программатор.
Сначала нарисуем простенькую схему, а потом, нажав «Switch to board» расположим компоненты на макете платы.
Схему и разводку платы можно .
Печать макета
Подготовим макет к печате. Надо убедиться, что включены только слои с Bottom, Pads, Vias, Dimension. В меню печати надо включить Mirror и Black. Таким образом макет будет отражен и напечатан лишь черным цветом. Не знаю, есть ли более удобный способ, но я распечатал макет в PDF, сконвертировал PDF в TIFF с довольно прилиным разрешением, а потом в текстовом редакторе размножил картинку, чтобы заполнить лист:
Отмечу, что я печатал две схемы, одну – на сегодня, а другую – на потом.
Документ готов. Печатаем на прозрачной плёнке. Я использовал плёнку от MG Chemicals . Хоть она и предназначена для лазерных принтеров, я использовал свой струйный Lexmark. Минус: чернила легко смазать рукой.
Подготовка платы
Очевидно, что для фоторезистивного процесса необходима плата, покрытая специальным веществом. Можно купить это вещество и покрывать плату самому, но я решил купить готовую . Вырежим из платы кусочек, соответствующий размерам схемы. Я использовал аппарат Dremel для вырезания:
Экспонирование
Всё готово для экспонирования платы. Опыт показывает, что струйный принтер может не дать нужной плотности (то есть чёрный с виду на самом деле будет пронизан мелкими дырочками). Бороться с этим не сложно: можно совместить два или три слоя распечатки. Вот так:
Снимем с платы защитный слой (белая тонка плёночка) и положим её на основу (книжка по электронике даёт +3 к удаче). Плату укроем плёнкой с распечаткой и прижмём это дело стеклом:
Конструкция должна простоять под сильной лампой минут 10:
Проявка
Пока плата экспонируется, разведём проявитель. На коробочке проявителя написана пропорция и рекомендуемая температура. Я взял проявитель от MG Chemicals . Он разводится в любой пластиковой посудине в соотношении 1 к 10:
Проявитель готов, десять минут уже прошло. Берём плату и кидаем её в проявитель:
Травление
Споласкиваем плату в воде и кидаем её в травитель. Я использовал хлорное железо от MG Chemicals . Рекомендуемая температура – 50° C, но я травил при комнатных 25° С. Травилось минут 20:Получится что-то вроде этого:
Зачистка
Оставшийся краситель легко удаляется спиртованными тряпочками:В результате остаётся чистенькая плата:
Отверстия
Дыры дырявить просто. Я использовал тот же аппарат Dremel :Получается почти уже готовая плата:
Компоненты
Цепляем на плату необходимые компоненты и припаиваем их к медной основе:
Результат
Плата получилась что надо, хоть друзьям показывай:
Впрочем, не всем друзьям объяснишь, что это такое…
Безопасность
Процесс изготовления плат этим методом предполагает работу со всякой химической дрянью.Во-перых, не сливайте химическую дрянь в раковину или туалет. В интернете много советов о том, что с этой дрянью делать.
Во-вторых эта химическая дрянь портит одежду, оставляет пятна на руках и делает что-то совсем страшное с глазами. Пожалуйста, используйте средства безопасности! К примеру, я использовал резиновые перчатки, очки и передник из шторы для душа:
Я буду рад ответить на вопросы, услышать предложения как этот процесс можно улучшить, ну и, конечно, дополнить пост любой упущенной информацией.
Печатная плата - это диэлектрическая пластина, на поверхность которой нанесены токопроводящие дорожки и подготовлены места для монтажа электронных компонентов. Электрорадиодетали устанавливают на плату обычно с помощью пайки.
Устройство печатной платы
Электропроводящие дорожки платы выполнены из фольги. Толщина проводников составляет, как правило, 18 или 35 мкм, реже 70, 105, 140 мкм. На плате имеются отверстия и контактные площадки для монтажа радиоэлементов.
Отдельные отверстия служат для соединения проводников, расположенных на разных сторонах платы. На внешние стороны платы нанесено специальное защитное покрытие и маркировка.
Этапы создания печатной платы
В радиолюбительской практике часто приходится иметь дело с разработкой, созданием и изготовлением различных электронных устройств. Причем любой прибор можно построить на печатной или обычной плате с навесным монтажом. Печатная плата работает гораздо лучше, надежнее и выглядит привлекательнее. Создание ее предполагает выполнение ряда операций:
Подготовка макета;
Нанесение рисунка на текстолит;
Травление;
Лужение;
Установка радиоэлементов.
Изготовление печатных плат - сложный, трудоемкий, интересный процесс.
Разработка и изготовление макета
Чертеж платы можно выполнить вручную или на компьютере с помощью одной из специальных программ.
Вручную лучше всего выполнять рисунок платы на бумаге от самописцев в масштабе 1:1. Подходит также миллиметровая бумага. Устанавливаемые электронные компоненты должны изображаться в зеркальном отражении. Дорожки одной стороны платы изображаются сплошными линиями, а другой - пунктирными. Точками отмечаются места крепления радиоэлементов. Вокруг этих мест рисуют паечные площадки. Все чертежи обычно выполняют рейсфедером. Вручную, как правило, делают простые рисунки, более сложные схемы печатных плат разрабатывают на компьютере в специальных приложениях.
Чаще всего используют простую программу Sprint Layout. Для печати годится только лазерный принтер. Бумага должна быть глянцевая. Главное, чтобы тонер не въедался, а оставался сверху. Принтер нужно настроить так, чтобы толщина тонера чертежа была максимальной.
Промышленное производство печатных плат начинается с ввода принципиальной схемы прибора в систему автоматизированного проектирования, которая создает чертеж будущей платы.
Подготовка заготовки и сверление отверстий
Прежде всего необходимо вырезать кусок текстолита с заданными размерами. Обработать края напильником. Закрепить чертеж на плате. Подготовить инструмент для сверления. Сверлить прямо по чертежу. Сверло должно быть хорошего качества и соответствовать диаметру наименьшего отверстия. Если есть возможность, нужно использовать сверлильный станок.
Сделав все необходимые отверстия, снять чертеж и рассверлить каждое отверстие до заданного диаметра. Зачистить мелкой шкуркой поверхность платы. Это необходимо для устранения заусениц и для улучшения сцепления краски с платой. Для удаления следов жира провести обработку платы спиртом.
Нанесение рисунка на стеклотекстолит
Чертеж платы на текстолит можно нанести вручную или с помощью одной из многих технологий. Наибольшей популярностью пользуется лазерно-утюжная технология.
Нанесение рисунка вручную начинают с обозначения монтажных площадок вокруг отверстий. Их наносят с помощью рейсфедера или спички. Отверстия соединяют дорожками в соответствии с чертежом. Чертить лучше нитрокраской, в которой растворена канифоль. Такой раствор обеспечивает прочное сцепление с платой и хорошую устойчивость при травлении с высокой температурой. В качестве краски можно использовать асфальтобитумный лак.
Изготовление печатных плат с помощью лазерно-утюжной технологии дает неплохие результаты. Важно правильно и аккуратно выполнять все операции. Обезжиренную плату нужно положить на ровную поверхность медью вверх. Сверху аккуратно разместить рисунок тонером вниз. Дополнительно положить еще несколько листов бумаги. Полученную конструкцию прогладить горячим утюгом примерно 30-40 секунд. Под воздействием температуры тонер должен перейти из твердого состояния в вязкое, но не в жидкое. Дать плате остыть и поместить ее на несколько минут в теплую воду.
Бумага раскиснет и легко сдерется. Следует внимательно осмотреть полученный рисунок. Отсутствие отдельных дорожек свидетельствует о недостаточной температуре утюга, широкие дорожки получаются при слишком горячем утюге или чрезмерно длительном нагреве платы.
Небольшие дефекты можно подправить маркером, краской или лаком для ногтей. Если заготовка не понравилась, то надо смыть все растворителем, зачистить наждачной бумагой и повторить процесс заново.
Травление
В пластмассовую емкость с раствором помещается обезжиренная печатная плата. В домашних условиях в качестве раствора обычно применяется хлорное железо. Ванночку с ним нужно периодически покачивать. Через 25-30 минут медь полностью растворится. Травление можно ускорить, если использовать подогретый раствор хлорного железа. По окончании процесса печатная плата извлекается из ванночки, тщательно промывается водой. Затем удаляется краска с токопроводящих дорожек.
Лужение
Существует много способов лужения. У нас есть подготовленная печатная плата. В домашних условиях, как правило, отсутствуют специальные приборы и сплавы. Поэтому пользуются простым надежным способом. Плата покрывается флюсом и лудится паяльником с обычным припоем с помощью медной оплетки.
Установка радиоэлементов
На завершающем этапе радиодетали поочередно вставляются в предназначенные для них места и припаиваются. Ножки деталей перед пайкой нужно обязательно обработать флюсом и при необходимости укоротить.
Паяльником пользоваться следует осторожно: при избытке тепла медная фольга может начать отслаиваться, печатная плата будет испорчена. Остатки канифоли удалить спиртом или ацетоном. Готовую плату можно покрыть лаком.
Промышленная разработка
В домашних условиях разработать и изготовить печатную плату для аппаратуры высокого класса невозможно. Например, печатная плата усилителя для High-End-аппаратуры многослойная, использовано покрытие медных проводников золотом и палладием, токопроводящие дорожки имеют разную толщину и т.д. Добиться такого уровня технологии непросто даже на промышленном предприятии. Поэтому в ряде случаев целесообразно приобрести готовую качественную плату или сделать заказ на выполнение работы по своей схеме. В настоящее время производство печатных плат налажено на многих отечественных предприятиях и за рубежом.
Уж сколько было сказано и написано о методах изготовления печатных плат - публикаций несчесть. Но все же рискну описать еще раз один из наиважнейших процессов в изготовлении - травлении, и описать вещества которые для этих целей использовались и используются, а также постараюсь дать оценку новым химическим реактивам которые применяются для этих целей. Однако прежде небольшое отступление. Хочу сделать одно важное замечание по поводу основного используемого для изготовления плат материала - фольгированного стеклогетинакса. Дело в том,что в последнее время появились большие партии этого товара не отличающиеся особым качеством. Особенно это касается двухстороннего стеклотекстолита - в процессе травления оного, несмотря на соблюдение всех технологических соответствий (время травления,температура и концентрация раствора), был замечен факт разбухания деформации и коробления материала. Так что советую быть осторожными при выборе заготовок для плат! Так же следует позаботится о предварительной подготовке стеклотекстолита (до нанесения рисунка).Во многих источниках предлагается предварительная зачистка поверхности медной фольги с помощью наждачной бумаги. Мое личное мнение - делать этого категорически не стоит. Для очистки и обезжиривания платы лучше использовать обычный канцелярский ластик и ацетон. Тряпку для нанесения обезжиривателя (ацетона) лучше не использовать-могут остаться частицы волокон, лучше использовать достаточно жесткую туалетную бумагу. Если заготовка платы имеет какие-либо несмываемые следы, то ее необходимо предварительно подержать 1-2 минуты в травильном растворе (до появления матовости), затем повторить процедуры описанные выше. Далее-нанесение рисунка. Каким из способов вы при этом воспользуетесь (нанесение рисунка от руки, лазерно-утюжная технология, фоторезист) не важно - все зависит от ваших возможностей. Далее следует самый важный и ответственный процесс, от которого зависит вся ваша предварительная кропотливая работа-процесс вытравливания дорожек, или как правильно бы назвали его профессиональные химики - процесс замещения. На нем и остановимся поподробнее. На протяжении всего процесса эволюции радиоэлектронной аппаратуры, радиолюбители использовали для этих целей самые различные химические вещества. Попробую их описать-вполне возможно, что начинающему радиолюбителю из отдаленного от областных центров населенного пункта такое практическое описание может пригодится так как современных реактивов там попросту не достать; профессионалам же это поможет освежить память. Итак. Существуют различные составы для травления фольгированного материала. Приведу рецепты основных из них.
1. Для форсированного травления (4-6 минут) используют следующий состав (в массовых частях): 38 процентная соляная кислота (плотность 1,19г*см), 18-ти процентная (медицинская) перекись водорода (пергидроль). Сначала смешивают 40 частей воды и 40 частей перекиси водорода, затем добавляют 20 частей кислоты. Рисунок платы наносят кислостойкой краской типа НЦ-11.
2. В стакане холодной воды растворяют 4-6 таблеток перекиси водорода и осторожно добавляют 15-25 мл концентрированной серной кислоты. Время травления платы в данном растворе примерно 1 час при комнатной температуре.
3. В 500 мл горячей (80 градусов Цельсия) воды растворяют 4 столовые ложки поваренной соли и 2 ложки медного купороса. Раствор приобретает темно-зеленую окраску. Время травления при комнатной температуре - около 8 часов. Если раствор подогревать постоянно (50 градусов Цельсия) то время травления заметно сократится.
4. В 1 литре горячей воды (60-70 градусов) растворяют 350г хромового ангидрида и добавляют 50г поваренной соли. После того как раствор остынет приступают к травлению. Время травления от 20 до 60 минут. Процесс можно ускорить, если добавить в раствор 50г концентрированной серной кислоты.
5. Применяют также водный раствор азотной кислоты. В зависимости от концентрации кислоты время травления может варьироваться от 2 минут до 1 часа.
6. И наконец, самый используемый на сегодняшний момент раствор - раствор хлорного железа с водой. В 200 мл теплой воды (35-40 градусо Цельсия) растворяют 150грамм хлорного железа в порошке. Время травления зависит от концентрации раствора и его нагрева. Ускорить процес можно также добавлением в раствор хлорного железа 10-30 процентов соляной кислоты.
7. В последнее время в магазинах радиоэлектроники появилось еще одно новое вещество, пришедшее на смену хлорному железу-персульфат натрия (natriumpersulfat) - белый кристаллический порошок. Разводят его следующим образом: в 0,5 литра теплой воды засыпают 250грамм персульфата натрия и размешивают до полного растворения. Все. Раствор готов к использованию. В процессе реакции замещения раствор желательно держать в нагретом состоянии (35-50 градусов Цельсия). Думаю что в скором времени персульфат натрия (наравне как и схожий реактив для травления плат - персульфат аммония) полностью вытеснит хлорное железо из обихода радиолюбителей.
Несколько слов хочу сказать о оснащении оборудованием для травления плат и самом процессе. Прежде всего необходим нагреватель для постоянного поддержания нужной температуры травильного раствора.
Лично я использую нагревательную платформу от вышедшей из обихода электрокофеварки. Мощность нагревательного элемента в ней 0,5 кВт.
Можно применить и обычную электроплитку, и другие способы разогрева - есть над чем потрудиться фантазии самодельщика. В качестве посуды хоть и применимы чашки из нержавейки, но лучше их заменить более химически стойкими из кварцевого стекла (можно найти в специализированных магазинах по продаже химических компонентов) или плафонами от ламп, изготовленными из того же стекла.
Если плата односторонняя,лучше прикрепить ее стороной радиоэлементов к кусочку пенопласта а затем опускать ее стороной печатного рисунка в емкость с травильным раствором - плата будет свободно плавать в травильном растворе, а вещества, получающиеся в процессе реакции замещения, будут оседать на дно сосуда.
Принятие всех этих мер позволяет получать печатные платы почти заводского качества, при ширине дорожек 0,5-0,3 мм, что уже может служить предпосылкой для разработки новых устройств на новейших радиоэлементах с высокой плотностью монтажа, например микроконтроллерах STM32 и многих других, что по сути своей является несомненным достижением и шагом в будущее! Автор материала: Электродыч.
ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ
Из-за существенных отличий аналоговой схемотехники от цифровой, аналоговая часть схемы должна быть отделена от остальной части, а при ее разводке должны соблюдаться особые методы и правила. Эффекты, возникающие из-за неидеальности характеристик печатных плат, становятся особенно заметными в высокочастотных аналоговых схемах, но погрешости общего вида, описанные в этой статье, могут оказывать воздействие на качественные характеристики устройств, работающих даже в звуковом диапазоне частот.
Намерением этой статьи является обсуждение распространенных ошибок, совершаемых разработчиками печатных плат, описание воздействия этих ошибок на качественные показатели и рекомендации по разрешению возникших проблем.
Печатная плата - компонент схемы
Лишь в редких случаях печатная плата аналоговой схемы может быть разведена так, чтобы вносимые ею воздействия не оказывали никакого влияния на работу схемы. В то же время, любое такое воздействие может быть минимизировано так, чтобы характеристики аналоговой схемы устройства были такими же, как и характеристики модели и прототипа.
Макетирование
Разработчики цифровых схем могут скорректировать небольшие ошибки на изготовленной плате, дополняя ее перемычками или, наоборот, удаляя лишние проводники, внося изменения в работу программируемых микросхем и т.п., переходя очень скоро к следующей разработке. Для аналоговой схемы дело обстоит не так. Некоторые из распространенных ошибок, обсуждаемых в этой статье, не могут быть исправлены дополнением перемычек или удалением лишних проводников. Они могут и будут приводить в нерабочее состояние печатную плату целиком.
Очень важно для разработчика цифровых схем, использующего такие способы исправления, прочесть и понять материал, изложенный в этой статье, заблаговременно, до передачи проекта в производство. Немного внимания, уделенного при разработке, и обсуждение возможных вариантов помогут не только предотвратить превращение печатной платы в утильсырье, но и уменьшить стоимость из-за грубых ошибок в небольшой аналоговой части схемы. Поиск ошибок и их исправление может привести к потерям сотен часов. Макетирование может сократить это время до одного дня или менее. Макетируйте все свои аналоговые схемы.
Источники шума и помех
Шум и помехи являются основнымм элементами, ограничивающими качественные характеристики схем. Помехи могут как излучаться источниками, так и наводиться на элементы схемы. Аналоговая схема часто располагается на печатной плате вместе с быстродействующими цифровыми компонентами, включая цифровые сигнал-процессоры (DSP ).
Высокочастотные логические сигналы создают значительные радиочастотные помехи (RFI ). Количество источников излучения шума огромно: ключевые источники питания цифровых систем, мобильные телефоны, радио и телевидение, источники питания ламп дневного света, персональные компьютеры, грозовые разряды и т.д. Даже если аналоговая схема работает в звуковом частотном диапазоне, радиочастотные помехи могут создавать заметный шум в выходном сигнале.
Выбор конструкции печатной платы является важным фактором, определяющим механические характеристики при использовании устройства в целом. Для изготовления печатных плат используются материалы различного уровня качества. Наиболее подходящим и удобным для разработчика будет, если изготовитель печатных плат находиться неподалеку. В этом случае легко осуществить контроль удельного сопротивления и диэлектрической постоянной - основных параметров материала печатной платы. К сожалению, этого бывает недостаточно и часто необходимо знание других параметров, таких как воспламеняемость, высокотемпературная стабильность и коэффициент гигроскопичности. Эти параметры может знать только производитель компонентов, используемых при производстве печатных плат.
Слоистые материалы обозначаются индексами FR (flame resistant, сопротивляемость к воспламенению ) и G. Материал с индексом FR-1 обладает наибольшей горючестью, а FR-5 - наименьшей. Материалы с индексами G10 и G11 обладают особыми характеристиками. Материалы печатных плат приведены в табл. 1.
Не используйте печатную плату категории FR-1. Есть много примеров использования печатных плат FR-1, на которых имеются повреждения от теплового воздействия мощных компонентов. Печатные платы этой категории более похожи на картон.
FR-4 часто используется при изготовлении промышленного оборудования, в то время, как FR-2 используется в производстве бытовой техники. Эти две категории стандартизованы в промышленности, а печатные платы FR-2 и FR-4 часто подходят для большинства приложений. Но иногда неидеальность характеристик этих категорий заставляет использовать другие материалы. Например, для очень высокочастотных приложений в качестве материала печатных плат используются фторопласт и даже керамика. Однако, чем экзотичнее материал печатной платы, тем выше может быть цена.
При выборе материала печатной платы обращайте особое внимание на его гигроскопичность, поскольку этот параметр може оказать сильный негативный эффект на желаемые характеристики платы - поверхностное сопротивление, утечки, высоковольтные изоляционные свойства (пробои и искрения) и механическая прочность. Также обращайте внимание на рабочую температуру. Участки с высокой температурой могут встречаться в неожиданных местах, например, рядом с большими цифровыми интегральными схемами, переключения которых происходят на высокой частоте. Если такие участки расположены непосредственно под аналоговыми компонентами, повышение температуры может сказаться на изменении характеристик аналоговой схемы.
Таблица 1
|
Компоненты, комментарии |
|
|
бумага, фенольная композиция: прессование и штамповка при комнатной температуре, высокий коэффициент гигроскопичности |
|
|
бумага, фенольная композиция: применимый для односторонних печатных плат бытовой техники, невысокий коэффициент гигроскопичности |
|
|
бумага, эпоксидная композиция: разработки с хорошими механическими и электрическими характеристиками |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: прекрасные механические и электрические свойства |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность при повышенных температурах, отсутствие воспламенения |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: высокие изоляционные свойства, наиболее высокая прочность стеклоткани, низкий коэффициент гигроскопичности |
|
|
стеклоткань, эпоксидная композиция: высокая прочность на изгиб при повышенных температурах, высокая сопротивляемость растворителям |
После того, как материал печатной платы выбран, необходимо определить толщину фольги печатной платы. Этот параметр в первую очередь выбирается исходя из максимальной величины протекающего тока. По возможности, старайтесь избегать применения очень тонкой фольги.
КОЛИЧЕСТВО СЛОЕВ ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЫ
В зависимости от общей сложности схемы и качественных требований разработчик должен определить количество слоев печатной платы.
Однослойные печатные платы
Очень простые электронные схемы выполняются на односторонних платах с использованием дешевых фольгированных материалов (FR-1 или FR-2) и часто имеют много перемычек, напоминая двухсторонние платы. Такой способ создания печатных плат рекомендуется только для низкочастотных схем. По причинам, которые будут описаны ниже, односторонние печатные платы в большой степени восприимчивы к наводкам . Хорошую одностороннюю печатную плату достаточно сложно разработать из-за многих причин. Тем не менее хорошие платы такого типа встречаются, но при их разработке требуется очень многое обдумывать заранее.
Двухслойные печатные платы
На следующем уровне стоят двухсторонние печатные платы, которые в большинстве случаев используют в качестве материала подложки FR-4, хотя иногда встречается и FR-2. Применение FR-4 более предпочтительнее, поскольку в печатных платах из этого материала отверстия получаются более лучшего качества. Схемы на двухсторонних печатных платах разводятся гораздо легче, т.к. в двух слоях проще осуществить разводку пересекающихся трасс. Однако для аналоговых схем пересечение трасс выполнять не рекомендуется. Где возможно, нижний слой (bottom ) необходимо отводить под полигон земли, а остальные сигналы разводить в верхнем слое (top ). Использование полигона в качестве земляной шины дает несколько преимуществ:
- общий провод является наиболее часто подключаемым в схеме проводом; поэтому резонно иметь "много" общего провода для упрощения разводки.
- увеличивается механическая прочность платы.
- уменьшается сопротивление всех подключений к общему проводу, что, в свою очередь, уменьшает шум и наводки.
- увеличивается распределенная емкость для каждой цепи схемы, помогая подавлять излучаемый шум.
- полигон, являющийся экраном, подавляет наводки, излучаемые источниками, располагающимися со стороны полигона.
Двухсторонние печатные платы, несмотря на все свои преимущества, не являются лучшими, особенно для малосигнальных или высокоскоростных схем. В общем случае, толщина печатной платы, т.е. расстояние между слоями металлизации, равняется 1,5 мм, что слишком много для полной реализации некоторых преимуществ двухслойной печатной платы, приведенных выше. Распределенная емкость, например, слишком мала из-за такого большого интервала.
Многослойные печатные платы
Для ответственных схемотехнических разработок требуются многослойные печатные платы (МПП). Некоторые причины их применения очевидны:
- такая же удобная, как и для шины общего провода, разводка шин питания; если в качестве шин питания используются полигоны на отдельном слое, то довольно просто с помощью переходных отверстий осуществить подводку питания к каждому элементу схемы;
- сигнальные слои освобождаются от шин питания, что облегчает разводку сигнальных проводников;
- между полигонами земли и питания появляется распределенная емкость, которая уменьшает высокочастотный шум.
Кроме этих причин применения многослойных печатных плат существуют другие, менее очевидные:
- лучшее подавление электромагнитных (EMI ) и радиочастотных (RFI ) помех благодаря эффекту отражения (image plane effect ), известному еще во времена Маркони. Когда проводник размещается близко к плоской проводящей поверхности, большая часть возвратных высокочастотных токов будет протекать по плоскости непосредственно под проводником. Направление этих токов будет противоположно направлению токов в проводнике. Таким образом, отражение проводника в плоскости создает линию передачи сигнала. Поскольку токи в проводнике и в плоскости равны по величине и противоположны по направлению, создается некоторое уменьшение излучаемых помех. Эффект отражения эффективно работает только при неразрывных сплошных полигонах (ими могут быть как полигоны земли, так и полигоны питания). Любое нарушение целостности будет приводить к уменьшению подавления помех.
- снижение общей стоимости при мелкосерийном производстве. Несмотря на то, что изготовление многослойных печатных плат обходится дороже, их возможное излучение меньше, чем у одно- и двухслойных плат. Следовательно, в некоторых случаях применение лишь многослойных плат позволит выполнить требования по излучению, поставленные при разработке, и не проводить дополнительных испытаний и тестирований. Применение МПП может снизить уровень излучаемых помех на 20 дБ по сравнению с двухслойными платами.
Порядок следования слоев
У неопытных разработчиков часто возникает некоторое замешательство по поводу оптимального порядка следования слоев печатной платы. Возьмем для примера 4-слойную палату, содержащую два сигнальных слоя и два полигонных слоя - слой земли и слой питания. Какой порядок следования слоев лучший? Сигнальные слои между полигонами, которые будут служить экранами? Или же сделать полигонные слои внутренними, чтобы уменьшить взаимовлияние сигнальных слоев?
При решении этого вопроса важно помнить, что часто расположение слоев не имеет особого значения, поскольку все равно компоненты располагаются на внешних слоях, а шины, подводящие сигналы к их выводам, порой проходят через все слои. Поэтому любые экранные эффекты представляют собой лишь компромисс. В данном случае лучше позаботиться о создании большой распределенной емкости между полигонами питания и земли, расположив их во внутренних слоях.
Другим преимуществом расположения сигнальных слоев снаружи является доступность сигналов для тестирования, а также возможность модификации связей. Любой, кто хоть раз изменял соединения проводников, располагающихся во внутренних слоях, оценит эту возможность.
Для печатных плат с более, чем четырьмя слоями, существует общее правило располагать высокоскоростные сигнальные проводники между полигонами земли и питания, а низкочастотным отводить внешние слои.
ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Хорошее заземление - общее требование насыщенной, многоуровневой системы. И оно должно планироваться с первого шага дизайнерской разработки.
Основное правило: разделение земли .
Разделение земли на аналоговую и цифровую части - один из простейших и наиболее эффективных методов подавления шума. Один или более слоев многослойной печатной платы обычно отводится под слой земляных полигонов. Если разработчик не очень опытен или невнимателен, то земля аналоговой части будет непосредственно соединена с этими полигонами, т.е. аналоговый возвратный ток будет использовать такую же цепь, что и цифровой возвратный ток. Авторазводчики работают примерно также и объединяют все земли вместе.
Если переработке подвергается ранее разработанная печатная плата с единым земляным полигоном, объединяющим аналоговую и цифровую земли, то необходимо сначала физически разделить земли на плате (после этой операции работа платы становится практически невозможной). После этого прозводятся все подключения к аналоговому земляному полигону компонентов аналоговой схемы (формируется аналоговая земля) и к цифровому земляному полигону компонентов цифровой схемы (формируется цифровая земля). И лишь после этого в источнике производится объединение цифровой и аналоговой земли.
Другие правила формирования земли:
Почти все сигналы тактовых частот являются достаточно высокочастотными сигналами, поэтому даже небольшие емкости между трассами и полигонами могут создавать значительные связи. Необходимо помнить, что не только основная тактовая частота может вызывать проблему, но и ее высшие гармоники.
Пример хорошего размещения компонентов
На рисунке 4 показан возможный вариант размещения всех компонентов на плате, включая источник питания. Здесь используются три отделенных друг от друга и изолированных полигона земли/питания: один для источника, один для цифровой схемы и один для аналоговой. Цепи земли и питания аналоговой и цифровой частей объединяются только в источнике питания. Высокочастоный шум отфильтровывается в цепях питания дросселями. В этом примере высокочастотные сигналы аналоговой и цифровой частей отнесены друг от друга. Такой дизайн имеет очень высокую вероятность на благоприятный исход, поскольку обеспечено хорошее размещение компонентов и следование правилам разделения цепей.
Имеется лишь один случай, когда необходимо объединение аналоговых и цифровых сигналов над областью полигона аналоговой земли. Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи размещаются в корпусах с выводами аналоговой и цифровой земли. Принимая во внимание предыдущие рассуждения, можно предположить, что вывод цифровой земли и вывод аналоговой земли должны быть подключенны к шинам цифровой и аналоговой земли соответственно. Однако в данном случае это не верно.
Названия выводов (аналоговый или цифровой) относятся лишь к внутренней структуре преобразователя, к его внутренним соединениям. В схеме эти выводы должны быть подключены к шине аналоговой земли. Соединение может быть выполнено и внутри интегральной схемы, однако получить низкое сопротивление такого соединения довольно сложно из-за топологических ограничений. Поэтому при использовании преобразователей предполагается внешнее соединение выводов аналоговой и цифровой земли. Если этого не сделать, то параметры микросхемы будут значительно хуже приведенных в спецификации.
Необходимо учитывать то, что цифровая элементы преобразователя могут ухудшать качественные характеристики схемы, привнося цифровые помехи в цепи аналоговой земли и аналогового питания. При разработке преобразователей учитывается это негативное воздействие так, чтобы цифровая часть потребляла как можно меньше мощности. При этом помехи от переключений логических элементов уменьшаются. Если цифровые выводы преобразователя не сильно нагружены, то внутренние переключения обычно не вызывают особых проблем. При разработке печатной платы, содержащей АЦП или ЦАП, необходимо должным образом отнестись к развязке цифрового питания преобразователя на аналоговую землю.
ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАССИВНЫХ КОМПОНЕНТОВ
Для правильной работы аналоговых схем весьма важен правильный выбор пассивных компонентов. Начинайте дизайнерскую разработку с внимательного рассмотрения высокочастотных характеристик пассивных компонентов и предварительного размещения и компоновки их на эскизе платы.
Большое число разработчиков совершенно игнорируют частотные ограничения пассивных компонентов при использовании в аналоговой схемотехнике. Эти компоненты имеют ограниченные частотные диапазоны и их работа вне специфицированной частотной области может привести к непредсказуемым результатам. Кто-то может подумать, что это обсуждение касается только высокоскоростных аналоговых схем. Однако, это далеко не так - высокочастотные сигналы достаточно сильно воздействуют на пассивные компоненты низкочастотных схем посредством излучения или прямой связи по проводникам. Например, простой низкочастотный фильтр на операционном усилителе может легко превращаться в высокочастотный фильтр при воздействии на его вход высокой частоты.
Резисторы
Высокочастотные характеристики резисторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 5.
Обычно применяются резисторы трех типов: 1) проволочные, 2) углеродные композитные и 3) пленочные. Не надо иметь много воображения, чтобы понять, как проволочный резистор может превращаться в индуктивность, поскольку он представляет собой катушку с проводом из высокоомного металла. Большинство разработчиков электронных устройств не имеют понятия о внутренней структуре пленочных резисторов, которые также представляют собой катушку, правда, из металлической пленки. Поэтому пленочные резисторы также обладают индуктивностью, которая меньше, чем у проволочных резисторов. Пленочные резисторы с сопротивлением не более 2 кОм можно свободно использовать в высокочастотных схемах. Выводы резисторов параллельны друг другу, поэтому между ними существует заметная емкостная связь. Для резисторов с большим сопротивлением межвыводная емкость будет уменьшать полный импеданс на высоких частотах.
Конденсаторы
Высокочастотные характеристики конденсаторов могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 6.
Конденсаторы в аналоговых схемах используются в качестве элементов развязки и фильтрующих компонентов. Для идеального конденсатора реактивное сопротивление определяется по следующей формуле:
Следовательно, электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ будет обладать сопротивлением 1,6 Ом на частоте 10 кГц и 160 мкОм на частоте 100 МГц. Так ли это?
При использовании электролитических конденсаторов необходимо следить за правильным подключением. Положительный вывод должен быть подключен к более положительному постоянному потенциалу. Неправильное подключение приводит к протеканию через электролитический конденсатор постоянного тока, что может вывести из строя не только сам конденсатор, но и часть схемы.
В редких случаях разность потенциалов по постоянному току между двумя точками в схеме может менять свой знак. Это требует применения неполярных электролитических конденсаторов, внутренняя структура которых эквивалентна двум полярным конденсаторам, соединенным последовательно.
Индуктивности
Высокочастотные характеристики индуктивностей могут быть представлены эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.
Реактивное сопротивление индуктивности описывается следующей формулой:
Следовательно, индуктивность 10 мГн будет обладать реактивным сопротивлением 628 Ом на частоте 10 кГц, а на частоте 100 МГц - сопротивлением 6,28 МОм. Верно?
Печатная плата
Сама печатная плата обладает характеристиками рассмотренных выше пассивных компонентов, правда, не столь очевидными.
Рисунок проводников на печатной плате может быть как источником, так и приемником помех. Хорошая разводка проводников уменьшает чувствительность аналоговой схемы к излучению источников.
Печатная плата восприимчива к излучению, поскольку проводники и выводы компонентов образовывают своеобразные антенны. Теория антенн представляет собой достаточно сложный предмет для изучения и не рассматривается в этой статье. Тем не менее, некоторые основы здесь приводятся.
Немного из теории антенн
На постоянном токе или низких частотах преобладает активная составляющая. При повышении частоты реактивная составляющая становится все более и более значимой. В диапазоне от 1 кГц до 10 кГц индуктивная составляющая начинает оказывать влияние, и проводник более не является низкоомным соединителем, а скорее выступает как катушка индуктивности.
Формула для расчета индуктивности проводника печатной платы выглядит следующим образом:
Обычно, трассы на печатной плате обладают значениями от 6 нГн до 12 нГн на сантиметр длины. Например, 10-сантиметровый проводник обладает сопротивлением 57 мОм и индуктивностью 8 нГн на см. На частоте 100 кГц реактивное сопротивление становится равным 50 мОм, а на более высоких частотах проводник будет представлять собой скорее индуктивность, чем активное сопротивление.
Правило штыревой антенны гласит, что она начинает ощутимо взаимодействовать с полем при своей длине около 1/20 от длины волны, а максимальное взаимодействие происходит при длине штыря, равной 1/4 от длины волны. Поэтому 10-сантиметровый проводник из примера в предыдущем параграфе начнет становиться довольно хорошей антенной на частотах выше 150 МГц. Необходимо помнить, что несмотря на то, что генератор тактовой частоты цифровой схемы может и не работать на частоте выше 150 МГц, в его сигнале всегда присутствуют высшие гармоники. Если на печатной плате присутствуют компоненты со штыревыми выводами значительной длины, то такие выводы также могут служить антеннами.
Другой основной тип антенн - петлевые антенны. Индуктивность прямого проводника сильно увеличивается, когда он изгибается и становится частью дуги. Увеличивающаяся индуктивность понижает частоту, на которой начинает происходить взаимодействие антенны с линиями поля.
Опытные дизайнеры печатных плат, достаточно хорошо разбирающиеся в теории петлевых антенн, знают, что нельзя создавать петли для критичных сигналов. Некоторые разработчики, однако, не задумываются об этом, и проводники возвратного и сигнального тока в их схемах представляют собой петли. Создание петлевых антенн легко показать на примере (рис. 8). Кроме того, здесь показано и создание щелевой антенны.
Рассмотрим три случая:
Вариант A - пример скверного дизайна. В нем вовсе не используется полигон аналоговой земли. Петлевой контур формируется земляным и сигнальным проводником. При прохождении тока возникают электрическое и перпендикулярное ему магнитное поля. Эти поля образовывают основу петлевой антенны. Правило петлевой антенны гласит, что для наибольшей эффективности длина каждого проводника должна быть равно половине длины волны принимаемого излучения. Однако, следует не забывать, что даже при 1/20 от длины волны петлевая антенна все еще остается достаточно эффективной.
Вариант Б лучше варианта A, но здесь присутствует разрыв в полигоне, вероятно, для создания определенного места для разводки сигнальных проводников. Пути сигнального и возвратного токов образуют щелевую антенну. Другие петли образуются в вырезах вокруг микросхем.
Вариант В - пример лучшего дизайна. Пути сигнального и возвратного тока совпадают, сводя на нет эффективность петлевой антенны. Заметьте, что в этом варианте также присутствуют вырезы вокруг микросхем, но они отделены от пути возвратного тока.
Теория отражения и согласования сигналов находится близко к теории антенн.
Когда проводник печатной платы поворачивает на угол 90° может возникнуть отражение сигнала. Это происходит, главным образом, из-за изменения ширины пути прохождения тока. В вершине угла ширина трассы увеличивается в 1.414 раза, что приводит к рассогласованию характеристик линии передачи, особенно распределенной емкости и собственной индуктивности трассы. Довольно часто необходимо повернуть на печатной плате трассу на 90°. Многие современные CAD-пакеты позволяют сглаживать углы проведенных трасс или проводить трассы в виде дуги. На рисунке 9 показаны два шага улучшения формы угла. Только последний пример поддерживает постоянной ширину трассы и минимизирует отражения.
Совет для опытных разводчиков печатных плат: оставляйте процедуру сглаживания на последний этап работ перед созданием каплеобразных выводов и заливкой полигонов. Иначе, CAD-пакет будет производить сглаживание дольше из-за более сложных вычислений.
Между проводниками печатной платы, находящимися на разных слоях, возникает емкостная связь, когда они пересекаются. Иногда это может создать проблему. Проводники, находящиеся друг над другом на смежных слоях, создают длинный пленочный конденсатор. Емкость такого конденсатора расчитывается по формуле, приведенной на рисунке 10.
Например, печатная плата может обладать следующими параметрами:
- 4 слоя; сигнальный и слой полигона земли - смежные,
- межслойный интервал - 0,2 мм,
- ширина проводника - 0,75 мм,
- длина проводника - 7,5 мм.
Типовое значение диэлектрической постоянной ER для FR-4 равняется 4.5.
Подставив все значения в формулу, получим значение емкости между этими двумя шинами, равное 1,1 пФ. Даже такая, казалось бы, небольшая емкость для некоторых приложений является недопустимой. Рисунок 11 иллюстрирует эффект от емкости в 1 пФ, возникающий при подключении ее к инвертирующему входу высокочастотного операционного усилителя.
Видно, что происходит удвоение амплитуды выходного сигнала на частотах, близких к верхнему пределу частотного диапазона ОУ. Это, в свою очередь, может привести к генерации, особенно на рабочих частотах антенны (выше 180 МГц).
Этот эффект порождает многочисленные проблемы, для решения которых, тем не менее, существует много способов. Самый очевидный из них - уменьшение длины проводников. Другой способ - уменьшение их ширины. Нет причины применения проводника такой ширины для подводки сигнала к инвертирующему входу, т.к. по этому проводнику протекает очень небольшой ток. Уменьшение длины трассы до 2,5 мм, а ширины до 0,2 мм приведет к уменьшению емкости до 0,1 пФ, а такая емкость уже не приведет к столь значительному подъему частотной характеристики. Еще один способ решения - удаление части полигона под инвертирующим входом и проводником, подходящим к нему.
Ширину проводников печатной платы невозможно бесконечно уменьшить. Предельная ширина определяется как технологическим процессом, так и толщиной фольги. Если два проводника проходят близко друг к другу, то между ними образуется емкостная и индуктивная связь (рис. 12).
Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, исключая случаи разводки дифференциальных или микрополосковых линий. Зазор между проводниками должен быть минимум в три раза больше ширины проводников.
Емкость между трассами в аналоговых схемах может создать затруднения при больших сопротивлениях резисторов (несколько МОм). Относительно большая емкостная связь между инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя легко может привести к самовозбуждению схемы.
Например, при d=0,4 мм и h=1,5 мм (достаточно распространенные величины) индуктивность отверстия равна 1,1 нГн.
Помните, что, если в схеме присутствуют большие сопротивления, то особое внимание следует уделить очистке платы. На заключительных операциях изготовления печатной платы должны удаляться остатки флюса и загрязнений. В последнее время при монтаже печатных плат достаточно часто применяются водорастворимые флюсы. Являясь менее вредными, они легко удаляются водой. Но при этом отмывка платы недостаточно чистой водой может привести к дополнительным загрязнениям, которые ухудшают диэлектрические характеристики. Следовательно, очень важно производить отмывку печатной платы с высокоимпедансной схемой свежей дистиллированой водой.
РАЗВЯЗКА СИГНАЛОВ
Как уже отмечалось, помехи могут проникать в аналоговую часть схемы через цепи питания. Для уменьшения таких помех применяются развязывающие (блокировочные) конденсаторы, уменьшающие локальный импеданс шин питания.
Если необходимо развести печатную плату, на которой имеются и аналоговая, и цифровая части, то необходимо иметь хотя бы небольшое представление об электрических характеристиках логических элементов.
Типовой выходной каскад логического элемента содержит два транзистора, последовательно соединенные между собой, а также между цепями питания и земли (рис. 14).
Эти транзисторы в идеальном случае работают строго в противофазе, т.е. когда один из них открыт, то в этот же момент времени второй закрыт, формируя на выходе либо сигнал логической единицы, либо логического нуля. В установившемся логическом состоянии потребляемая мощность логического элемента невелика.
Ситуация кардинально меняется, когда выходной каскад переключается из одного логического состояния в другое. В этом случае в течение короткого промежутка времени оба транзистора могут быть открыты одновременно, а ток питания выходного каскада сильно увеличивается, поскольку уменьшается сопротивление участка пути тока от шины питания до шины земли через два последовательно соединенных транзистора. Потребляемая мощность скачкообразно возрастает, а затем также убывает, что приводит к локальному изменению напряжения питания и возникновению резкого, кратковременного изменения тока. Такие изменения тока приводят к излучению радиочастотной энергии. Даже на сравнительно простой печатной плате может быть десятки или сотни рассмотренных выходных каскадов логических элементов, поэтому суммарный эффект от их одновременной работы может быть очень большим.
Невозможно точно предсказать диапазон частот, в котором будут находиться эти выбросы тока, поскольку частота их возникновения зависит от множества причин, в том числе и от задержки распространения переключений транзисторов логического элемента. Задержка, в свою очередь, также зависит от множества случайных причин, возникающих в процессе производства. Шум от переключений имеет широкополосное распределение гармонических составляющих во всем диапазоне. Для подавления цифрового шума существует несколько способов, применение которых зависит от спектрального распределения шума.
В таблице 2 представлены максимальные рабочие частоты для распространенных типов конденсаторов.
Таблица 2
Из таблицы очевидно, что танталовые электролитические конденсаторы применяются для частот ниже 1 МГц, на более высоких частотах должны применяться керамические конденсаторы. Необходимо не забывать, что конденсаторы имеют собственный резонанс и их неправильный выбор может не только не помочь, но и усугубить проблему. На рисунке 15 показаны типовые собственные резонансы двух конденсаторов общего применения - 10 мкФ танталового электролитического и 0,01 мкФ керамического.
Реальные характеристики могут отличаться у различных производителей и даже от партии к партии у одного производителя. Важно понимать, что для эффективной работы конденсатора подавляемые им частоты должны находиться в более низком диапазоне, чем частота собственного резонанса. В противном случае характер реактивного сопротивления будет индуктивным, а конденсатор перестанет эффективно работать.
Не стоит заблуждаться относительно того, что один 0,1 мкФ конденсатор будет подавлять все частоты. Небольшие конденсаторы (10 нФ и менее) могут работать более эффективно на более высоких частотах.
Развязка питания ИС
Развязка питания интегральных схем с целью подавления высокочастотного шума состоит в применении одного или нескольких конденсаторов, подключенных между выводами питания и земли. Важно, чтобы проводники, соединяющие выводы с конденсаторами, были короткими. Если это не так, то собственная индуктивность проводников будет играть заметную роль и сводить на нет выгоды от применения развязывающих конденсаторов.
Развязывающий конденсатор должен быть подключен к каждому корпусу микросхемы, независимо от того, сколько операционных усилителей находится внутри корпуса - 1, 2 или 4. Если ОУ питается двухполярным питанием, то, само собой разумеется, что развязывающие конденсаторы должны располагаться у каждого вывода питания. Значение емкости должно быть тщательно выбрано в зависимости от типа шума и помех, присутствующих в схеме.
В особо сложных случаях может появиться необходимость добавления индуктивности, включенной последовательно с выводом питания. Индуктивность должна располагаться до, а не после конденсаторов.
Другим, более дешевым способом является замена индуктивности резистором с малым сопротивлением (10...100 Ом). При этом вместе с развязывающим конденсатором резистор образует низкочастотный фильтр. Этот способ уменьшает диапазон питания операционного усилителя, который к тому же становится более зависимым от потребляемой мощности.
Обычно для подавления низкочастотных помех в цепях питания бывает достаточно применить один или несколько алюминиевых или танталовых электролитических конденсаторов у входного разъема питания. Дополнительный керамический конденсатор будет подавлять высокочастотные помехи от других плат.
РАЗВЯЗКА ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ СИГНАЛОВ
Множество шумовых проблем является результатом непосредственного соединения входных и выходных выводов. В результате высокочастотных ограничений пассивных компонентов реакция схемы на воздействие высокочастотного шума может быть достаточно непредсказуемой.
В ситуациии, когда частотный диапазон наведенного шума в значительной степени отличается от частотного диапазона работы схемы, решение просто и очевидно - размещение пассивного RC-фильтра для подавления высокочастотных помех. Однако, при применении пассивного фильтра надо быть осторожным: его характеристики (из-за неидеальности частотных характеристик пассивных компонентов) утрачивают свои свойства на частотах, в 100...1000 раз превышающих частоту среза (f 3db). При использовании последовательно соединенных фильтров, настроенных на разные частотные диапазоны, более высокочастотный фильтр должен быть ближайшим к источнику помех. Индуктивности на ферритовых кольцах также могут применяться для подавления шума; они сохраняют индуктивный характер сопротивления до некоторой определенной частоты, а выше их сопротивление становится активным.
Наводки на аналоговую схему могут быть настолько большими, что избавиться (или, по крайней мере, уменьшить) от них возможно только с помощью применения экранов. Для эффективной работы они должны быть тщательно спроектированы так, чтобы частоты, создающие наибольшие проблемы, не смогли попасть в схему. Это означает, что экран не должен иметь отверстия или вырезы с размерами, большими, чем 1/20 длины волны экранируемого излучения. Хорошая идея отводить достаточное место под предполагаемый экран с самого начала проектирования печатной платы. При использовании экрана можно дополнительно использовать ферритовые кольца (или бусинки) для всех подключений к схеме.
КОРПУСА ОПЕРАЦИОННЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ
В одном корпусе обычно размещаются один, два или четыре операционных усилителя (рис. 16).
Одиночный ОУ часто также имеет дополнительные входы, например, для регулировки напряжения смещения. Сдвоенные и счетверенные ОУ имеют лишь инвертирующий и неинвертирующий входы и выход. Поэтому при необходимости иметь дополнительные регулировки надо применять одиночные операционные усилители. При использовании дополнительных выводов необходимо помнить, что по своей структуре они являются вспомогательными входами, поэтому управление ими должно осущуствляться аккуратно и в соответствии с рекомендациями производителя.
В одиночном ОУ выход располагается на противоположной стороне от входов. Это может создать затруднение при работе усилителя на высоких частотах из-за протяженных проводников обратной связи. Один из путей преодоления этого состоит в размещении усилителя и компонентов обратной связи на разных сторонах печатной платы. Это, однако, приводит к как минимум двум дополнительным отверстиям и вырезам в полигоне земли. Иногда стоит использовать сдвоенный ОУ для разрешения данной проблемы, даже если второй усилитель не используется (при этом его выводы должны быть подключены должным образом). Рисунок 17 иллюстрирует уменьшение длины проводников цепи обратной связи для инвертирующего включения.
Сдвоенные ОУ особенно часто используются в стереофонических усилителях, а счетверенные - в схемах многокаскадных фильтров. Однако, в этом есть довольно значительный минус. Несмотря на то, что современная технология обеспечивает приличную изоляцию между сигналами усилителей, расположенных на одном кремниевом кристалле, между ними все же существуют некоторые перекрестные помехи. Если необхомимо иметь очень малую величину таких помех, то необходимо использовать одиночные операционные усилители. Перекрестные помехи возникают не только при использовании сдвоенных или счетверенных усилителей. Их источником может служить очень близкое расположение пассивных компонентов разных каналов.
Сдвоенные и счетверенные ОУ, кроме вышесказанного, позволяют осуществить более плотный монтаж. Отдельные усилители как бы зеркально расположены друг относительно друга (рис. 18).
На рисунках 17 и 18 показаны не все подключения, требуемые для нормальной работы, например, формирователь среднего уровня при однополярном питании. На рисунке 19 приведена схема такого формирователя при использовании счетверенного усилителя.
На схеме показаны все необходимые подключения для реализации трех независимых инвертирующих каскадов. Необходимо обратить внимание на то, что проводники формирователя половины напряжения питания располагаются непосредственно под корпусом интегральной схемы, что позволяет уменьшить их длину. Этот пример иллюстрирует не то, как должно быть, а то, что должно быть сделано. Напряжение среднего уровня, например, могло бы быть единым для всех четырех усилителей. Пассивные компоненты могут быть соответствующего размера. Например, планарные компоненты типоразмера 0402 соответствуют расстоянию между выводами стандартного корпуса SO. Это позволяет сделать длину проводников очень короткой для высокочастотных приложений.
ОБЪЕМНЫЙ И ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОНТАЖ
При размещении операционных усилителей в корпусах типа DIP и пассивных компонентов с проволочными выводами требуется наличие на печатной плате переходных отверстий для их монтажа. Такие компоненты в настоящее время используются, когда нет особых требований к размерам печатной платы; обычно они стоят дешевле, но стоимость печатной платы в процессе изготовления возрастает из-за сверловки дополнительных отверстий под выводы компонентов.
Кроме того, при использовании навесных компонентов увеличиваются размеры платы и длины проводников, что не позволяет работать схеме на высоких частотах. Переходные отверстия обладают собственной индуктивностью, что также накладывает ограничения на динамические характеристики схемы. Поэтому навесные компоненты не рекомендуется применять для реализации высокочастотных схем или для аналоговых схем, размещенных поблизости с высокоскоростными логическими схемами.
Некоторые разработчики, пытаясь уменьшить длину проводников, размещают резисторы вертикально. С первого взгляда может показаться что, это сокращает длину трассы. Однако при этом увеличивается путь прохождения тока по резистору, а сам резистор представляет собой петлю (виток индуктивности). Излучающая и принимающая способность возрастает многократно.
При поверхностном монтаже не требуется размещения отверстия под каждый вывод компонента. Однако возникают проблемы при тестирования схемы, и приходится использовать переходные отверстия в качестве контрольных точек, особенно при применении компонентов малого типоразмера.
НЕИСПОЛЬЗУЕМЫЕ СЕКЦИИ ОУ
При использовании сдвоенных и счетверенных операционных усилителей в схеме некоторые их секции могут остаться незадействованными и должны быть в этом случае корректно подключены. Ошибочное подключение может привести к увеличению потребляемой мощности, большему нагреву и большему шуму используемых в этом же корпусе ОУ. Выводы неиспользумых операционных усилителей могут быть подключены так, как изображено на рис. 20а. Подключение выводов с дополнительными компонентами (рис. 20б) позволит легко использовать этот ОУ при наладке.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Помните следующие основные моменты и постоянно соблюдайте их при проектировании и разводке аналоговых схем.
Общие:
- думайте о печатной плате как о компоненте электрической схемы;
- имейте представление и понимание об источниках шума и помех;
- моделируйте и макетируйте схемы.
Печатная плата:
- используйте печатные платы только из качественного материала (например, FR-4);
- схемы, выполненные на многослойных печатных платах, на 20 дБ менее восприимчивее к внешним помехам, чем схемы, выполненные на двухслойных платах;
- используйте разделенные, неперекрывающиеся полигоны для различных земель и питаний;
- располагайте полигоны земли и питания на внутренних слоях печатной платы.
Компоненты:
- осознавайте частотные ограничения, вносимые пассивными компонентами и проводниками платы;
- старайтесь избегать вертикального размещения пассивных компонентов в высокоскоростных схемах;
- для высокочастотных схем используйте компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа;
- проводники должны быть чем короче, тем лучше;
- если требуется большая длина проводника, то уменьшайте его ширину;
- неиспользуемые выводы активных компонентов должны быть правильно подключены.
Разводка:
- размещайте аналоговую схему вблизи разъема питания;
- никогда не разводите проводники, передающие логические сигналы, через аналоговую область платы, и наоборот;
- проводники, подходящие к инвертирующему входу ОУ, делайте короткими;
- удостоверьтесь, что проводники инвертирующего и неинвертирующего входов ОУ не располагаются параллельно друг другу на большом протяжении;
- старайтесь избегать применения лишних переходных отверстий, т.к. их собственная индуктивность может привести к возникновению дополнительных проблем;
- не разводите проводники под прямыми углами и сглаживайте вершины углов, если это возможно.
Развязка:
- используйте правильные типы конденсаторов для подавления помех в цепях питания;
- для подавления низкочастотных помех и шумов используйте танталовые конденсаторы у входного разъема питания;
- для подавления высокочастотных помех и шумов используйте керамические конденсаторы у входного разъема питания;
- используйте керамические конденсаторы у каждого вывода питания микросхемы; если необходимо, используйте несколько конденсаторов для разных частотных диапазонов;
- если в схеме происходит возбуждение, то необходимо использовать конденсаторы с меньшим значением емкости, а не большим;
- в трудных случаях в цепях питания используйте последовательно включенные резисторы малого сопротивления или индуктивности;
- развязывающие конденсаторы аналогового питания должны подключаться только к аналоговой земле, а не к цифровой.
