ЗАГАЛЬНІ ЗМІНИ

Через суттєві відмінності аналогової схемотехніки від цифрової, аналогова частина схеми повинна бути відокремлена від решти, а при її розведенні повинні дотримуватися особливих методів і правил. Ефекти, що виникають через неідеальність характеристик друкованих плат, стають особливо помітними у високочастотних аналогових схемах, але похибки загального виду, описані в цій статті, можуть впливати на якісні характеристики пристроїв, що працюють навіть у звуковому діапазоні частот.

Наміром цієї статті є обговорення поширених помилок, які здійснюються розробниками друкованих плат, опис впливу цих помилок на якісні показники та рекомендації щодо вирішення проблем, що виникли.

Друкована плата – компонент схеми

Лише в окремих випадках друкована плата аналогової схеми може бути розведена так, щоб внесені нею впливу не впливали на роботу схеми. У той же час, будь-яка така дія може бути мінімізована так, щоб характеристики аналогової схеми пристрою були такими ж, як і моделі і прототипу.

Макетування

Розробники цифрових схем можуть скоригувати невеликі помилки на виготовленій платі, доповнюючи її перемичками або, навпаки, видаляючи зайві провідники, вносячи зміни в роботу програмованих мікросхем і т.п., швидко переходячи до наступної розробки. Для аналогової схеми справа не так. Деякі з найпоширеніших помилок, що обговорюються в цій статті, не можуть бути виправлені доповненням перемичок або видаленням зайвих провідників. Вони можуть і приводитимуть у неробочий стан друковану плату цілком.

Дуже важливо для розробника цифрових схем, який використовує такі способи виправлення, прочитати та зрозуміти матеріал, викладений у цій статті, заздалегідь, до передачі проекту у виробництво. Небагато уваги, приділеної при розробці, та обговорення можливих варіантів допоможуть не тільки запобігти перетворенню друкованої плати в утильсировину, а й зменшити вартість через грубі помилки в невеликій аналоговій частині схеми. Пошук помилок та їх виправлення може призвести до втрат сотень годин. Макетування може скоротити цей час до одного дня або менше. Макетуйте всі свої аналогові схеми.

Джерела шуму та перешкод

Шум і перешкоди є основним елементами, що обмежують якісні характеристики схем. Перешкоди можуть випромінюватись джерелами, так і наводитися на елементи схеми. Аналогова схема часто розташовується на друкованій платі разом з цифровими компонентами швидкодіючими, включаючи цифрові сигнал-процесори (DSP).

Високочастотні логічні сигнали створюють значні радіочастотні перешкоди (RFI). Кількість джерел випромінювання шуму величезна: ключові джерела живлення цифрових систем, мобільні телефони, радіо та телебачення, джерела живлення ламп денного світла, персональні комп'ютери, грозові розряди тощо. Навіть якщо аналогова схема працює в частотному діапазоні, радіочастотні перешкоди можуть створювати помітний шум у вихідному сигналі.

КАТЕГОРІЇ ДРУКОВАНИХ ПЛАТ

Вибір конструкції друкованої плати є важливим фактором, що визначає механічні характеристики при використанні пристрою загалом. Для виготовлення друкованих плат використовують матеріали різного рівня якості. Найбільш підходящим та зручним для розробника буде, якщо виробник друкованих плат знаходиться неподалік. У цьому випадку легко здійснити контроль питомого опору та діелектричної постійної - основних параметрів матеріалу друкованої плати. На жаль, цього буває недостатньо і часто необхідне знання інших параметрів, таких як займистість, високотемпературна стабільність та коефіцієнт гігроскопічності. Ці параметри може знати лише виробник компонентів, які використовуються під час виробництва друкованих плат.

Шаруваті матеріали позначаються індексами FR (flame resistant, опірність до займання) і G. Матеріал з індексом FR-1 має найбільшу горючість, а FR-5 - найменшу. Матеріали з індексами G10 і G11 мають особливі характеристики. Матеріали друкованих плат наведено у табл. 1.

Не використовуйте друковану плату категорії FR-1. Є багато прикладів використання друкованих плат FR-1, на яких є пошкодження теплового впливу потужних компонентів. Друковані плати цієї категорії більш схожі на картон.

FR-4 часто використовується при виготовленні промислового обладнання, тоді як FR-2 використовується у виробництві побутової техніки. Ці дві категорії стандартизовані в промисловості, а друковані плати FR-2 та FR-4 часто підходять для більшості програм. Але іноді неідеальність характеристик цих категорій змушує використовувати інші матеріали. Наприклад, для дуже високочастотних додатків як матеріал друкованих плат використовуються фторопласт і навіть кераміка. Однак, чим екзотичніший матеріал друкованої плати, тим вищою може бути ціна.

При виборі матеріалу друкованої плати звертайте особливу увагу на його гігроскопічність, оскільки цей параметр може мати сильний негативний ефект на бажані характеристики плати - поверхневий опір, витік, високоізоляційні ізоляційні властивості (пробої і іскріння) і механічна міцність. Також звертайте увагу на робочу температуру. Ділянки з високою температурою можуть зустрічатися в несподіваних місцях, наприклад, поряд з великими інтегральними цифровими схемами, перемикання яких відбуваються на високій частоті. Якщо такі ділянки розташовані безпосередньо під аналоговими компонентами, підвищення температури може позначитися зміні характеристик аналогової схеми.

Таблиця 1

Категорія	Компоненти, коментарі
FR-1	папір, фенольна композиція: пресування та штампування при кімнатній температурі, високий коефіцієнт гігроскопічності
FR-2	папір, фенольна композиція: застосовний для односторонніх друкованих плат побутової техніки, невисокий коефіцієнт гігроскопічності
FR-3	папір, епоксидна композиція: розробки з хорошими механічними та електричними характеристиками
FR-4	склотканина, епоксидна композиція: чудові механічні та електричні властивості
FR-5	склотканина, епоксидна композиція: висока міцність при підвищених температурах, відсутність займання
G10	склотканина, епоксидна композиція: високі ізоляційні властивості, найвища міцність склотканини, низький коефіцієнт гігроскопічності
G11	склотканина, епоксидна композиція: висока міцність на вигин при підвищених температурах, висока опірність розчинникам

Після того, як вибрано матеріал друкованої плати, необхідно визначити товщину фольги друкованої плати. Цей параметр в першу чергу вибирається виходячи з максимальної величини струму, що протікає. По можливості намагайтеся уникати застосування дуже тонкої фольги.

КІЛЬКІСТЬ ШАРІВ ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ

Одношарові друковані плати

Дуже прості електронні схеми виконуються на односторонніх платах із використанням дешевих фольгованих матеріалів (FR-1 або FR-2) і часто мають багато перемичок, нагадуючи двосторонні плати. Такий спосіб створення друкованих плат рекомендується лише низькочастотних схем. З причин, які будуть описані нижче, односторонні друковані плати великою мірою сприйнятливі до наведень. Хорошу односторонню друковану плату досить складно розробити через багато причин. Проте хороші плати такого типу зустрічаються, але при їх розробці потрібно дуже багато обмірковувати заздалегідь.

Двошарові друковані плати

На наступному рівні стоять двосторонні друковані плати, які в більшості випадків використовують як матеріал підкладки FR-4, хоча іноді зустрічається і FR-2. Застосування FR-4 краще, оскільки в друкованих платах з цього матеріалу отвори виходять кращої якості. Схеми на двосторонніх друкованих платах розлучаються набагато легше, т.к. у двох шарах простіше здійснити розведення трас, що перетинаються. Однак для аналогових схем перетин трас виконувати не рекомендується. Де можливо, нижній шар (bottom) необхідно відводити під полігон землі, інші сигнали розводити у верхньому шарі (top). Використання полігону як земляна шина дає кілька переваг:

• загальний провід є проводом, що найбільш часто підключається в схемі; тому резонно мати багато загального дроту для спрощення розведення.
• збільшується механічна міцність плати.
• зменшується опір всіх підключень до загального дроту, що, у свою чергу, зменшує шум та наведення.
• збільшується розподілена ємність для кожного ланцюга схеми, допомагаючи пригнічувати шум, що випромінюється.
• полігон, що є екраном, пригнічує наведення, що випромінюються джерелами, що розташовуються з боку полігону.

Двосторонні друковані плати, незважаючи на всі свої переваги, не найкращі, особливо для малосигнальних або високошвидкісних схем. У випадку, товщина друкованої плати, тобто. відстань між шарами металізації дорівнює 1,5 мм, що занадто багато для повної реалізації деяких переваг двошарової друкованої плати, наведених вище. Розподілена ємність, наприклад, занадто мала через такий великий інтервал.

Багатошарові друковані плати

Для відповідальних схемотехнічних розробок потрібні багатошарові плати (МПП). Деякі причини їх застосування очевидні:

• така ж зручна, як і для шини загального дроту, розведення шин живлення; якщо як шини живлення використовуються полігони на окремому шарі, то досить просто за допомогою перехідних отворів здійснити підведення живлення до кожного елемента схеми;
• сигнальні шари звільняються від шин живлення, що полегшує розведення сигнальних провідників;
• між полігонами землі та живлення з'являється розподілена ємність, яка зменшує високочастотний шум.

Крім цих причин застосування багатошарових друкованих плат є інші, менш очевидні:

• найкраще придушення електромагнітних (EMI) і радіочастотних (RFI) перешкод завдяки ефекту відбиття (image plane effect), відомому ще за часів Марконі. Коли провідник розміщується близько до плоскої провідної поверхні, більша частина зворотних високочастотних струмів протікатиме по площині безпосередньо під провідником. Напрямок цих струмів буде протилежним напряму струмів у провіднику. Таким чином, відображення провідника у площині створює лінію передачі сигналу. Оскільки струми в провіднику і площині рівні за величиною і протилежні у напрямку, створюється деяке зменшення перешкод, що випромінюються. Ефект відбиття ефективно працює тільки при нерозривних суцільних полігонах (ними можуть бути як полігони землі, так і полігони живлення). Будь-яке порушення цілісності призведе до зменшення придушення перешкод.
• зниження загальної вартості за дрібносерійного виробництва. Незважаючи на те, що виготовлення багатошарових друкованих плат обходиться дорожче, їхнє можливе випромінювання менше, ніж у одно- та двошарових плат. Отже, у деяких випадках застосування лише багатошарових плат дозволить виконати вимоги щодо випромінювання, поставлені при розробці, та не проводити додаткових випробувань та тестувань. Застосування МПП може знизити рівень випромінюваних перешкод на 20 дБ порівняно з двошаровими платами.

Порядок проходження шарів

У недосвідчених розробників часто виникає деяке замішання щодо оптимального порядку проходження шарів друкованої плати. Візьмемо для прикладу 4-шарову палату, що містить два сигнальні шари і два полігонні шари - шар землі та шар живлення. Який порядок проходження шарів кращий? Сигнальні шари між полігонами, які служитимуть екранами? Чи зробити полігонні шари внутрішніми, щоб зменшити взаємовплив сигнальних шарів?

При вирішенні цього питання важливо пам'ятати, що часто розташування шарів не має особливого значення, оскільки все одно компоненти розташовуються на зовнішніх шарах, а шини, що підводять їх до висновків, часом проходять через всі шари. Тому будь-які екранні ефекти є лише компромісом. В даному випадку краще подбати про створення великої розподіленої ємності між полігонами живлення та землі, розташувавши їх у внутрішніх шарах.

Іншою перевагою розташування сигнальних шарів зовні є доступність сигналів для тестування та можливість модифікації зв'язків. Будь-хто, хто хоч раз змінював з'єднання провідників, що знаходяться у внутрішніх шарах, оцінить цю можливість.

Для друкованих плат з більш, ніж чотирма шарами, існує загальне правило розташовувати високошвидкісні сигнальні провідники між полігонами землі та живлення, а низькочастотним відводити зовнішні шари.

Заземлення

Поділ землі на аналогову та цифрову частини - один із найпростіших та найефективніших методів придушення шуму. Один або більше шарів багатошарової друкованої плати зазвичай відводиться під шар земляних полігонів. Якщо розробник дуже досвідчений чи неуважний, то земля аналогової частини буде безпосередньо пов'язані з цими полігонами, тобто. аналоговий зворотний струм використовуватиме такий самий ланцюг, що і цифровий зворотний струм. Авторозвідники працюють приблизно також і об'єднують усі землі разом.

Якщо переробці піддається раніше розроблена друкована плата з єдиним земляним полігоном, що об'єднує аналогову та цифрову землі, необхідно спочатку фізично розділити землі на платі (після цієї операції робота плати стає практично неможливою). Після цього проводяться всі підключення до аналогового земляного полігону компонентів аналогової схеми (формується аналогова земля) і цифрового земляного полігону компонентів цифрової схеми (формується цифрова земля). І лише після цього у джерелі проводиться об'єднання цифрової та аналогової землі.

Інші правила формування землі:

• Шини живлення та землі повинні бути під одним потенціалом по змінному струмущо передбачає використання конденсаторів розв'язки та розподіленої ємності.
• Не допускайте перекриття аналогових та цифрових полігонів (рис. 1). Розташовуйте шини та полігони аналогового живлення над полігоном аналогової землі (аналогічно шинам цифрового живлення). Якщо в якомусь місці існує перекриття аналогового і цифрового полігону, розподілена ємність між ділянками, що перекриваються, буде створювати зв'язок по змінному струму, і наведення від роботи цифрових компонентів потраплять в аналогову схему. Такі перекриття анулюють ізоляцію полігонів.
  
• Поділ не означає електричної аналогічної ізоляції від цифрової землі (рис. 2). Вони повинні з'єднуватися разом у якомусь, бажано одному, низькоімпедансному вузлі. Правильна, з погляду землі, система має лише одну землю, яка є виведенням заземлення для систем з живленням від мережної змінної напруги або загальним висновком для систем з живленням від постійної напруги (наприклад, акумулятора). Всі сигнальні струми та струми живлення в цій схемі повинні повертатися до цієї землі в одну точку, яка слугуватиме системною землею. Такою точкою може бути виведення корпусу пристрою. Важливо розуміти, що при приєднанні загального виведення схеми до кількох точок корпусу можуть утворюватись земляні контури. Створення єдиної загальної точки об'єднання земель одна із найважчих аспектів системного дизайну.
  
• По можливості розділяйте висновки роз'ємів, призначені передачі переворотних струмів - зворотні струми повинні об'єднуватися лише у точці системної землі. Старіння контактів роз'ємів, а також часта розстиковування їх частин у відповідь призводить до збільшення опору контактів, отже, для більш надійної роботи необхідно використання роз'ємів з деякою кількістю додаткових висновків. Складні цифрові друковані плати мають багато шарів і містять сотні чи тисячі провідників. Додавання ще одного провідника рідко створює проблему на відміну доданих додаткових висновків роз'ємів. Якщо це не вдається зробити, то необхідно створювати два провідники зворотного струму для кожного силового ланцюга на платі, дотримуючись особливих запобіжних заходів.
• Важливо відокремлювати шини цифрових сигналів від місць на друкованій платі, де розташовані аналогові компоненти схеми. Це передбачає ізоляцію (екранування) полігонами, створення коротких трас аналогових сигналів та уважне розміщення пасивних компонентів за наявності поруч розташованих шин високошвидкісних цифрових та відповідальних аналогових сигналів. Шини цифрових сигналів повинні розводитися навколо ділянок з аналоговими компонентами та не перекриватися з шинами та полігонами аналогової землі та аналогового живлення. Якщо цього не робити, то технологія міститиме новий непередбачений елемент - антену, випромінювання якої впливатиме на високоімпедансні аналогові компоненти та провідники (рис. 3).

• Хорошою концепцією є розміщення аналогової частини схеми поблизу вхідних/вихідних з'єднань плати. Розробники цифрових друкованих плат, що використовують потужні інтегральні схеми, часто схильні розводити шини шириною 1 мм і довжиною кілька сантиметрів для з'єднання аналогових компонентів, вважаючи, що малий опір траси допоможе позбавитися наведень. Те, що при цьому виходить, є протяжним плівковим конденсатором, на який будуть наводитися паразитні сигнали від цифрових компонентів, цифрової землі і цифрового живлення, посилюючи проблему.

Приклад гарного розміщення компонентів

На малюнку 4 показаний можливий варіант розміщення всіх компонентів на платі, включаючи джерело живлення. Тут використовуються три відокремлених один від одного та ізольованих полігону землі/живлення: один для джерела, один для цифрової схеми та один для аналогової. Ланцюги землі та живлення аналогової та цифрової частин об'єднуються лише у джерелі живлення. Високочасто шум відфільтровується в ланцюгах живлення дроселями. У цьому прикладі високочастотні сигнали аналогової та цифрової частин віднесені один від одного. Такий дизайн має дуже високу ймовірність на сприятливий результат, оскільки забезпечене гарне розміщення компонентів та дотримання правил розділення ланцюгів.

Є лише один випадок, коли необхідно об'єднання аналогових та цифрових сигналів над областю полігону аналогової землі. Аналого-цифрові та цифро-аналогові перетворювачі розміщуються у корпусах з висновками аналогової та цифрової землі. Зважаючи на попередні міркування, можна припустити, що виведення цифрової землі та виведення аналогової землі повинні бути підключені до шин цифрової та аналогової землі відповідно. Однак у цьому випадку це не так.

Назви висновків (аналоговий чи цифровий) відносяться лише до внутрішньої структури перетворювача, до його внутрішніх сполук. У схемі ці висновки мають бути підключені до шин аналогової землі. З'єднання може бути виконане і всередині інтегральної схеми, однак отримати низький опір такого з'єднання досить складно через топологічні обмеження. Тому при використанні перетворювачів передбачається зовнішнє поєднання висновків аналогової та цифрової землі. Якщо цього не зробити, то параметри мікросхеми будуть значно гіршими за наведені в специфікації.

Необхідно враховувати те, що цифрові елементи перетворювача можуть погіршувати якісні характеристики схеми, привносячи цифрові перешкоди в ланцюзі аналогової землі та аналогового живлення. При розробці перетворювачів враховується цей негативний вплив так, щоб цифрова частина споживала якнайменше потужності. У цьому перешкоди від перемикань логічних елементів зменшуються. Якщо цифрові висновки перетворювача не сильно навантажені, внутрішні перемикання зазвичай не викликають особливих проблем. При розробці друкованої плати, що містить АЦП або ЦАП, необхідно належним чином поставитися до розв'язування цифрового живлення на аналогову землю.

ЧАСТОТНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПАСИВНИХ КОМПОНЕНТІВ

Велика кількість розробників ігнорують частотні обмеження пасивних компонентів при використанні в аналоговій схемотехніці. Ці компоненти мають обмежені частотні діапазони і їхня робота поза специфікованою частотною області може призвести до непередбачуваних результатів. Хтось може подумати, що це обговорення стосується лише високошвидкісних аналогових схем. Однак це далеко не так - високочастотні сигнали досить сильно впливають на пасивні компоненти низькочастотних схем за допомогою випромінювання або прямого зв'язку по провідникам. Наприклад, простий низькочастотний фільтр на операційному підсилювачі може легко перетворюватися на високочастотний фільтр при впливі на його вхід високої частоти.

Резистори

Високочастотні характеристики резисторів можуть бути еквівалентною схемою, наведеною на малюнку 5.

Конденсатори

Високочастотні характеристики конденсаторів можуть бути еквівалентною схемою, наведеною на малюнку 6.

Насправді ніхто ніколи не бачив електролітичного конденсатора з реактивним опором 160 мкОм. Обкладки плівкових та електролітичних конденсаторів є свитими шарами фольги, які створюють паразитну індуктивність. Ефект власної індуктивності у керамічних конденсаторів значно менший, що дозволяє використовувати їх під час роботи на високих частотах. Крім цього, конденсатори мають струм витоку між обкладками, який еквівалентний включеному паралельно їх висновків резистору, що додає свій паразитний вплив до дії послідовно включеного опору висновків і обкладок. До того ж електроліт не є ідеальним провідником. Всі ці опори складаються створюють еквівалентний послідовний опір (ESR). Конденсатори, що використовуються як розв'язки, повинні мати малий ESR, оскільки послідовний опір обмежує ефективність придушення пульсацій і перешкод. Підвищення робочої температури значно збільшує еквівалентний послідовний опір і може призвести до погіршення характеристик конденсатора. Тому, якщо передбачається використання алюмінієвого електролітичного конденсатора за підвищеної робочої температури, необхідно використовувати конденсатори відповідного типу (105°С).

Висновки конденсатора також роблять свій внесок у збільшення паразитної індуктивності. Для малих значень ємності важливо залишати довжину короткої висновків. Поєднання паразитних індуктивності та ємності може створити резонансний контур. Вважаючи, що висновки мають індуктивність близько 8 нГн на сантиметр довжини, конденсатор ємністю 0,01 мкФ з висновками довжиною по одному сантиметру матиме резонансну частоту близько 12,5 МГц. Цей ефект відомий інженерам, котрі десятиліття тому розробляли електронні вакуумні прилади. Той, хто відновлює антикварні радіоприймачі і не знає про цей ефект, стикається з багатьма проблемами.

При використанні електролітичних конденсаторів слід стежити за правильним підключенням. Позитивний висновок має бути підключений до більш позитивного постійного потенціалу. Неправильне підключення призводить до протікання через електролітичний конденсатор постійного струму, що може вивести з ладу як сам конденсатор, а й частина схеми.

У поодиноких випадках різниця потенціалів по постійному струму між двома точками у схемі може змінювати свій знак. Це вимагає застосування неполярних електролітичних конденсаторів, внутрішня структура яких еквівалентна двом полярним конденсаторам, послідовно з'єднаним.

Індуктивності

Високочастотні характеристики індуктивностей можуть бути еквівалентною схемою, наведеною на малюнку 7.

Насправді, немає індуктивності з реактивним опором 6,28 МОм. Природу виникнення паразитного опору легко зрозуміти - витки котушки виконані з дроту, який має деякий опір на одиницю довжини. Паразитна ємність сприймається важче до тих пір, поки не взяти до уваги те, що наступний виток котушки розташований впритул до попереднього, і між розташованими провідниками виникає ємнісний зв'язок. Паразитна ємність обмежує верхню робочу частоту. Невеликі дротяні індуктивності починають ставати неефективними в діапазоні 10...100 МГц.

Друкована плата

Сама друкована плата має характеристики розглянутих вище пасивних компонентів, щоправда, не настільки очевидними.

Малюнок провідників на друкованій платі може бути як джерелом, і приймачем перешкод. Хороше розведення провідників зменшує чутливість аналогової схеми до випромінювання джерел.

Друкована плата сприйнятлива до випромінювання, оскільки провідники та висновки компонентів утворюють своєрідні антени. Теорія антен є досить складний предмет для вивчення і не розглядається в цій статті. Проте деякі основи тут наводяться.

Трохи з теорії антен

Одним з основних типів антен є штир або прямий провідник. Така антена працює, тому що прямий провідник має паразитну індуктивність і тому може концентрувати та вловлювати випромінювання від зовнішніх джерел. Повний імпеданс прямого провідника має резистивну (активну) та індуктивну (реактивну) складові:

На постійному струмі чи низьких частотах переважає активна складова. При підвищенні частоти реактивна складова стає дедалі більш значущою. У діапазоні від 1 кГц до 10 кГц індуктивна складова починає впливати, і провідник більше не є низькоомним з'єднувачем, а швидше виступає як котушка індуктивності.

Формула для розрахунку індуктивності провідника друкованої плати має такий вигляд:

Зазвичай, траси на друкованій платі мають значення від 6 нГн до 12 нГн на сантиметр довжини. Наприклад, 10-сантиметровий провідник має опір 57 мОм і індуктивністю 8 нГн на див. На частоті 100 кГц реактивний опір стає рівним 50 мОм, а на більш високих частотах провідник буде швидше індуктивність, ніж активний опір.

Правило штирьової антени говорить, що вона починає відчутно взаємодіяти з полем за своєї довжини близько 1/20 від довжини хвилі, а максимальна взаємодія відбувається при довжині штиря, що дорівнює 1/4 від довжини хвилі. Тому 10-сантиметровий провідник з прикладу попередньому параграфі почне ставати досить гарною антеною на частотах вище 150 МГц. Потрібно пам'ятати, що незважаючи на те, що генератор тактової частоти цифрової схеми може і не працювати на частоті вище 150 МГц, у його сигналі є присутні вищі гармоніки. Якщо на друкованій платі присутні компоненти зі штиревими висновками значної довжини, такі висновки також можуть бути антенами.

Інший основний тип антен - петлеві антени. Індуктивність прямого провідника сильно збільшується, коли він згинається і стає частиною дуги. Індуктивність, що збільшується, знижує частоту, на якій починає відбуватися взаємодія антени з лініями поля.

Досвідчені дизайнери друкованих плат, які досить добре знаються на теорії петлевих антен, знають, що не можна створювати петлі для критичних сигналів. Деякі розробники, однак, не замислюються про це, і провідники зворотного та сигнального струму в їх схемах є петлями. Створення петлевих антен легко показати з прикладу (рис. 8). Крім того, тут показано створення щілинної антени.

Розглянемо три випадки:

Варіант A – приклад поганого дизайну. У ньому не використовується полігон аналогової землі. Петльовий контур формується земляним та сигнальним провідником. При проходженні струму виникають електричне та перпендикулярне йому магнітне поля. Ці поля утворюють основу петльової антени. Правило петльової антени свідчить, що з максимальної ефективності довжина кожного провідника має дорівнювати половині довжини хвилі прийнятого випромінювання. Однак, слід не забувати, що навіть за 1/20 від довжини хвилі петлева антена все ще залишається досить ефективною.

Варіант Б кращий за варіант A, але тут є розрив у полігоні, ймовірно, для створення певного місця для розведення сигнальних провідників. Шляхи сигнального та зворотного струмів утворюють щілинну антену. Інші петлі утворюються у вирізах навколо мікросхем.

Варіант В – приклад кращого дизайну. Шляхи сигнального та зворотного струму збігаються, зводячи нанівець ефективність петльової антени. Зауважте, що у цьому варіанті також є вирізи навколо мікросхем, але вони відокремлені від шляху зворотного струму.

Теорія відображення та узгодження сигналів знаходиться близько до теорії антен.

Коли провідник друкованої плати повертає на кут 90°, може виникнути відображення сигналу. Це відбувається, головним чином, через зміну ширини шляху проходження струму. У вершині кута ширина траси збільшується в 1.414 рази, що призводить до неузгодженості характеристик лінії передачі, особливо розподіленої ємності та власної індуктивності траси. Досить часто необхідно повернути на друкованій платі трасу на 90 °. Багато сучасних CAD-пакетів дозволяють згладжувати кути проведених трас або проводити траси у вигляді дуги. На малюнку 9 показано два кроки покращення форми кута. Тільки останній приклад підтримує постійну ширину траси та мінімізує відображення.

Порада для досвідчених розвідників друкованих плат: залишайте процедуру згладжування на останній етап робіт перед створенням краплеподібних висновків та заливкою полігонів. Інакше, CAD-пакет вироблятиме згладжування довше через складніші обчислення.

ПАРАЗИТНІ ЕФЕКТИ ДРУКОВАНОЇ ПЛАТИ

- 4 шари; сигнальний та шар полігону землі - суміжні,

- міжшаровий інтервал - 0,2 мм,

- ширина провідника – 0,75 мм,

- Довжина провідника - 7,5 мм.

Типове значення постійної діелектричної ER для FR-4 дорівнює 4.5.

Підставивши всі значення формулу, отримаємо значення ємності між цими двома шинами, що дорівнює 1,1 пФ. Навіть така, здавалося б, невелика ємність для деяких програм є неприпустимою. Малюнок 11 ілюструє ефект від ємності в 1 пФ, що виникає при підключенні її до входу, що інвертує, високочастотного операційного підсилювача.

Цей ефект породжує численні проблеми, на вирішення яких, тим щонайменше, існує багато способів. Найочевидніший із них - зменшення довжини провідників. Інший спосіб – зменшення їх ширини. Немає причини застосування провідника такої ширини для підведення сигналу до входу, що інвертує, т.к. по цьому провіднику протікає дуже невеликий струм. Зменшення довжини траси до 2,5 мм, а ширини до 0,2 мм призведе до зменшення ємності до 0,1 пФ, а така ємність вже не призведе до значного підйому частотної характеристики. Ще один спосіб рішення - видалення частини полігону під входом, що інвертує, і провідником, придатним до нього.

Інвертуючий вхід операційного підсилювача, особливо високошвидкісного, великою мірою схильний до генерації у схемах з високим коефіцієнтом посилення. Це відбувається через небажану ємність вхідного каскаду ОУ. Тому, дуже важливо зменшити паразитну ємність і розташовувати компоненти зворотного зв'язку настільки близько до входу, що інвертує, наскільки це можливо. Якщо, незважаючи на вжиті заходи, відбувається збудження підсилювача, необхідно пропорційно зменшити опори резисторів зворотного зв'язку для зміни резонансної частоти ланцюга. Також може допомогти збільшення резисторів, щоправда, значно рідше, т.к. ефект збудження залежить від імпедансу схеми. При зміні резисторів зворотного зв'язку не можна забувати і про зміну ємності конденсатора, що коригує. Також не можна забувати і про те, що при зменшенні опору резисторів збільшується споживана потужність схеми.

Ширину провідників друкованої плати неможливо нескінченно зменшити. Гранична ширина визначається як технологічним процесом, і товщиною фольги. Якщо два провідники проходять близько один до одного, то між ними утворюється ємнісний та індуктивний зв'язок (рис. 12).

Залежності, що описують ці паразитні ефекти, досить складні, щоб їх наводити в цій статті, але їх можна знайти в літературі, присвяченій лініям передачі та полосковим лініям.

Сигнальні провідники не повинні розлучатися паралельно один одному, за винятком випадків розведення диференціальних або мікросмужкових ліній. Зазор між провідниками повинен бути мінімум втричі більший за ширину провідників.

Місткість між трасами в аналогових схемах може створити труднощі при великих опорах резисторів (кілька МОм). Відносно великий ємнісний зв'язок між інвертуючим та неінвертуючим входами операційного підсилювача легко може призвести до самозбудження схеми.

Щоразу, коли під час розведення друкованої плати виникає необхідність у створенні перехідного отвору, тобто. міжшарової сполуки (рис. 13), необхідно пам'ятати, що при цьому виникає також паразитна індуктивність. При діаметрі отвору після металізації d та довжині каналу h індуктивність можна обчислити за наступною наближеною формулою:

Наприклад, при d=0,4 мм і h=1,5 мм (досить поширені величини) індуктивність отвору дорівнює 1,1 нГн.

Майте на увазі, що індуктивність отвору разом з такою ж паразитною ємністю формують резонансний контур, що може позначитися під час роботи на високих частотах. Власна індуктивність отвору досить мала, і резонансна частота десь у гігагерцовому діапазоні, але якщо сигнал протягом свого шляху змушений проходити через кілька перехідних отворів, то їх індуктивності складаються (послідовне з'єднання), а резонансна частота знижується. Висновок: намагайтеся уникати великої кількості перехідних отворів при розведенні відповідальних високочастотних провідників аналогових схем. Інше негативне явище: за великої кількості перехідних отворів у полігоні землі можуть створюватися петльові ділянки. Найкраще аналогове розведення - всі сигнальні провідники розташовуються на одному шарі друкованої плати.

Крім розглянутих вище паразитних ефектів, існують ще такі, які пов'язані з недостатньо чистою поверхнею плати.

Пам'ятайте, що якщо у схемі присутні великі опори, то особливу увагу слід приділити очищенню плати. На заключних операціях виготовлення друкованої плати повинні видалятися залишки флюсу та забруднень. Останнім часом при монтажі друкованих плат досить часто використовуються водорозчинні флюси. Як менш шкідливі, вони легко видаляються водою. Але при цьому відмивання плати недостатньо чистою водою може призвести до додаткових забруднення, які погіршують діелектричні характеристики. Отже, дуже важливо робити відмивання друкованої плати з високоімпедансною схемою свіжою дистильованою водою.

РОЗВ'ЯЗАННЯ СИГНАЛІВ

Якщо необхідно розвести друковану плату, на якій є і аналогова, і цифрова частини, необхідно мати хоча б невелике уявлення про електричні характеристики логічних елементів.

Типовий вихідний каскад логічного елемента містить два транзистори, послідовно з'єднані між собою, а також між ланцюгами живлення та землі (рис. 14).

Ситуація кардинально змінюється, коли вихідний каскад перемикається з одного логічного стану до іншого. В цьому випадку протягом короткого проміжку часу обидва транзистори можуть бути відкриті одночасно, а струм живлення вихідного каскаду сильно збільшується, оскільки зменшується опір ділянки шляху струму від шини живлення до шини землі через два послідовно з'єднані транзистори. Споживана потужність стрибкоподібно зростає, а потім також зменшується, що призводить до локальної зміни напруги живлення та виникнення різкої, короткочасної зміни струму. Такі зміни струму призводять до випромінювання радіочастотної енергії. Навіть на порівняно простій друкованій платі може бути десятки або сотні розглянутих вихідних каскадів логічних елементів, тому сумарний ефект від їхньої одночасної роботи може бути дуже великим.

Неможливо точно передбачити діапазон частот, в якому будуть знаходитися ці викиди струму, оскільки частота їх виникнення залежить від багатьох причин, у тому числі від затримки поширення перемикань транзисторів логічного елемента. Затримка, своєю чергою, також залежить від безлічі випадкових причин, що у процесі виробництва. Шум від перемикань має широкосмуговий розподіл гармонійних складових у всьому діапазоні. Для придушення цифрового шуму існує кілька способів, застосування яких залежить від спектрального шуму розподілу.

У таблиці 2 представлені максимальні робочі частоти поширених типів конденсаторів.

Таблиця 2

Тип	Максимальна частота
алюмінієвий електролітичний	100 кГц
танталовий електролітичний	1 МГц
слюдяний	500 МГц
керамiчний	1 ГГц

З таблиці очевидно, що танталові електролітичні конденсатори застосовуються для частот нижче 1 МГц, більш високих частотах повинні застосовуватися керамічні конденсатори. Необхідно не забувати, що конденсатори мають власний резонанс і їхній неправильний вибір може не тільки не допомогти, але й ускладнити проблему. На малюнку 15 показані типові власні резонанси двох конденсаторів загального застосування - 10 мкФ танталового електролітичного та 0,01 мкФ керамічного.

Реальні характеристики можуть відрізнятися у різних виробників і навіть від партії до партії одного виробника. Важливо розуміти, що для ефективної роботи конденсатора частоти, що їм придушуються, повинні перебувати в більш низькому діапазоні, ніж частота власного резонансу. В іншому випадку характер реактивного опору буде індуктивним, а конденсатор перестане ефективно працювати.

Не варто помилятися щодо того, що один 0,1 мкФ конденсатор пригнічуватиме всі частоти. Невеликі конденсатори (10 нФ і менше) можуть працювати більш ефективно на високих частотах.

Розв'язка живлення ІВ

Розв'язка живлення інтегральних схем з метою придушення високочастотного шуму полягає у застосуванні одного або кількох конденсаторів, підключених між виводами живлення та землі. Важливо, щоб провідники, що з'єднують висновки з конденсаторами, були короткими. Якщо це не так, то власна індуктивність провідників буде відігравати помітну роль і зводити нанівець вигоди від застосування конденсаторів, що розв'язують.

Розв'язуючий конденсатор повинен бути підключений до кожного корпусу мікросхеми, незалежно від того, скільки операційних підсилювачів знаходиться всередині корпусу - 1, 2 або 4. Якщо ОУ живиться двополярним живленням, то само собою зрозуміло, що конденсатори, що розв'язують, повинні розташовуватися у кожного виведення живлення. Значення ємності має бути ретельно вибрано залежно від типу шуму та перешкод, присутніх у схемі.

В особливо складних випадках може виникнути необхідність додавання індуктивності, послідовно включеної з виведенням живлення. Індуктивність повинна розташовуватись до, а не після конденсаторів.

Іншим, дешевшим способом є заміна індуктивності резистором з малим опором (10...100 Ом). При цьому разом з конденсатором, що розв'язує, резистор утворює низькочастотний фільтр. Цей спосіб зменшує діапазон живлення операційного підсилювача, який до того ж стає більш залежним від споживаної потужності.

Зазвичай для придушення низькочастотних перешкод у ланцюгах живлення буває достатньо застосувати один або кілька алюмінієвих або танталових електролітичних конденсаторів у роз'ємах вхідного живлення. Додатковий керамічний конденсатор придушуватиме високочастотні перешкоди від інших плат.

РОЗВ'ЯЗАННЯ ВХІДНИХ І ВИХІДНИХ СИГНАЛІВ

У ситуації, коли частотний діапазон наведеного шуму значною мірою відрізняється від частотного діапазону роботи схеми, рішення просто і очевидно - розміщення пасивного RC-фільтра для придушення високочастотних перешкод. Однак, при застосуванні пасивного фільтра треба бути обережним: його характеристики (через неідеальність частотних характеристик пасивних компонентів) втрачають свої властивості на частотах, що в 100...1000 разів перевищують частоту зрізу (f_3db). При використанні послідовно з'єднаних фільтрів, налаштованих на різні частотні діапазони, більш високочастотний фільтр має бути найближчим до джерела перешкод. Індуктивності на феритових кільцях можуть застосовуватися для придушення шуму; вони зберігають індуктивний характер опору до певної певної частоти, а вище їх опір стає активним.

Наведення на аналогову схему можуть бути настільки великими, що позбутися (або принаймні зменшити) їх можна тільки за допомогою застосування екранів. Для ефективної роботи вони повинні бути ретельно спроектовані так, щоб частоти, що створюють найбільші проблеми, не змогли потрапити до схеми. Це означає, що екран не повинен мати отвори або вирізи з розмірами більшими, ніж 1/20 довжини хвилі випромінювання, що екранується. Хороша ідея відводити достатнє місце під передбачуваний екран із самого початку проектування друкованої плати. При використанні екрану можна додатково використовувати феритові кільця (або намистинки) для всіх підключень до схеми.

КОРПУСУ ОПЕРАЦІЙНИХ ПІДСИЛЮВАЧІВ

В одиночному ОУ вихід розташовується на протилежному боці входів. Це може створити утруднення під час роботи підсилювача на високих частотах через протяжних провідників зворотного зв'язку. Один із шляхів подолання цього полягає у розміщенні підсилювача та компонентів зворотного зв'язку на різних сторонах друкованої плати. Це, однак, призводить до як мінімум двох додаткових отворів та вирізів у полігоні землі. Іноді варто використовувати здвоєний ОУ для вирішення цієї проблеми, навіть якщо другий підсилювач не використовується (при цьому його висновки повинні бути належним чином підключені). Малюнок 17 ілюструє зменшення довжини провідників ланцюга зворотного зв'язку інвертуючого включення.

Здвоєні та звірені ОУ, крім вищесказаного, дозволяють здійснити більш щільний монтаж. Окремі підсилювачі ніби дзеркально розташовані один щодо одного (рис. 18).

На рисунках 17 та 18 показані не всі підключення, необхідні для нормальної роботи, наприклад, формувач середнього рівня при однополярному живленні. На малюнку 19 наведена схема такого формувача при використанні ліченого підсилювача.

На схемі показані всі необхідні підключення для реалізації трьох незалежних каскадів, що інвертують. Необхідно звернути увагу, що провідники формувача половини напруги живлення розташовуються безпосередньо під корпусом інтегральної схеми, що дозволяє зменшити їх довжину. Цей приклад ілюструє не те, як має бути, а те, що має бути зроблено. Напруга середнього рівня, наприклад, могла б бути єдиною для всіх чотирьох підсилювачів. Пасивні компоненти можуть відповідного розміру. Наприклад, планарні компоненти типорозміру 0402 відповідають відстані між виводами стандартного SO корпусу. Це дозволяє зробити довжину провідників дуже коротким для високочастотних додатків.

Типи корпусів операційних підсилювачів включають, в основному, DIP (dual-in-line) і SO (small-outline). Разом із зменшенням розміру корпусу зменшується і крок висновків, що дозволяє застосовувати менші пасивні компоненти. Зменшення розмірів схеми загалом зменшує паразитні індуктивності та дозволяє працювати на більш високих частотах. Однак це призводить також до виникнення сильніших перехресних перешкод через збільшення ємнісного зв'язку між компонентами та провідниками.

ОБСЯГНИЙ І ПОВЕРХНЕВИЙ МОНТАЖ

Крім того, при використанні навісних компонентів збільшуються розміри плати та довжини провідників, що не дозволяє працювати схемою на високих частотах. Перехідні отвори мають власну індуктивність, що також накладає обмеження на динамічні характеристики схеми. Тому навісні компоненти не рекомендується застосовувати для реалізації високочастотних схем або аналогових схем, розміщених поблизу з високошвидкісними логічними схемами.

Деякі розробники, намагаючись зменшити довжину провідників, розміщують резистори вертикально. З першого погляду може здатися, що це скорочує довжину траси. Однак при цьому збільшується шлях проходження струму резистором, а сам резистор являє собою петлю (виток індуктивності). Випромінювальна та приймаюча здатність зростає багаторазово.

При поверхневому монтажі не потрібно розміщувати отвор під кожен висновок компонента. Однак виникають проблеми при тестуванні схеми, і доводиться використовувати перехідні отвори як контрольні точки, особливо при застосуванні компонентів малого типорозміру.

НЕВИКОРИСТАНІ СЕКЦІЇ ОУ

ВИСНОВОК

• думайте про друковану плату як компонент електричної схеми;
• майте уявлення та розуміння про джерела шуму та перешкод;
• моделюйте та макетуйте схеми.

Друкована плата:

• використовуйте друковані плати лише з якісного матеріалу (наприклад, FR-4);
• схеми, виконані на багатошарових друкованих платах, на 20 дБ менш сприйнятливішими до зовнішніх перешкод, ніж схеми, виконані на двошарових платах;
• використовуйте розділені полігони, що не перекриваються, для різних земель і харчів;
• розташовуйте полігони землі та живлення на внутрішніх шарах друкованої плати.

компоненти:

• усвідомлюйте частотні обмеження, що вносяться пасивними компонентами та провідниками плати;
• намагайтеся уникати вертикального розміщення пасивних компонентів у високошвидкісних схемах;
• для високочастотних схем використовуйте компоненти, які призначені для поверхневого монтажу;
• провідники повинні бути чим коротшими, тим краще;
• якщо потрібна більша довжина провідника, то зменшуйте його ширину;
• висновки активних компонентів, що не використовуються, повинні бути правильно підключені.

• розміщуйте аналогову схему поблизу роз'єму живлення;
• ніколи не розводьте провідники, що передають логічні сигнали, через аналогову область плати, і навпаки;
• провідники, які підходять до інвертуючого входу ОУ, робіть короткими;
• упевніться, що провідники інвертуючого та неінвертуючого входів ОУ не розташовуються паралельно один одному на великому протязі;
• намагайтеся уникати застосування надлишкових перехідних отворів, т.к. їхня власна індуктивність може призвести до виникнення додаткових проблем;
• не розводьте провідники під прямими кутами та згладжуйте вершини кутів, якщо це можливо.

розв'язка:

• використовуйте правильні типи конденсаторів для придушення перешкод у ланцюгах живлення;
• для придушення низькочастотних перешкод та шумів використовуйте танталові конденсатори біля вхідного гнізда живлення;
• для придушення високочастотних перешкод та шумів використовуйте керамічні конденсатори біля вхідного гнізда живлення;
• використовуйте керамічні конденсатори кожного виведення живлення мікросхеми; якщо потрібно, використовуйте кілька конденсаторів для різних частотних діапазонів;
• якщо у схемі відбувається збудження, необхідно використовувати конденсатори з меншим значенням ємності, а не великим;
• у важких випадках у ланцюгах живлення використовуйте послідовно включені резистори малого опору чи індуктивності;
• конденсатори, що розв'язують, аналогового живлення повинні підключатися тільки до аналогової землі, а не до цифрової.

Цукерки, що відновлюють зубну емаль 06.06.2023

Американські вчені з університету Вашингтона розробили льодяники, які підтримують та відновлюють зубну емаль. Препарат уже пройшов випробування на щурах та віддалених зубах людей та свиней.

Льодяники зі смаком м'яти створені на основі похідного від білка амелогеніну генно-інженерного пептиду. Амелогенін – ключовий білок у процесі формування емалі та коронки зуба.

Пептид, який утримуватиметься в цукерках, з'єднуватиметься з дентином - шаром зуба, який розміщується під емаллю. Таким чином, створюватиметься новий шар емалі.

Вчені прогнозують, що для підтримки міцності зубної емалі достатньо буде використовувати один льодяник на день, а два вже допоможуть відновити пошкоджену емаль.