Печатные платы. И все об их проектировании.

   Опытные проектировщики знают трудности создания работоспособной схемы (под схемой здесь понимается не только электрическая принципиальная схема, но и реальная печатная плата, в некоторых случаях даже включенная в состав некоего устройства), содержащей аналоговую и цифровую части в смысле объединения земли этих частей. Они могут рассказывать истории о земле, которая была не там, где они предполагали или ее не было там вообще, несмотря на убеждение, что она там должна быть. На платах шины и/или провода, которые казались совершенно хорошими землями, преображались в индуктивности, что является неприемлемым в высокоскоростных или высокочастотных схемах.

  Разработчики высокоскоростных схем давно уже поняли, что каждый квадратный дюйм платы, на котором не располагаются компоненты схемы или проводники, должен быть залит земляным полигоном. Нарушение этого простого правила приводит к катастрофическим последствиям. Но иногда строгое соблюдение этого правила невозможно при очень плотном монтаже; в этом случае необходимо уменьшать плотность и отводить больше места для полигона. Даже макетные платы должны быть с двухслойной металлизацией, один слой которой должен быть отведен под земляную шину, что повысит шансы разработчика на создание достойной схемы в будущем.

  Другое основное правило при работе с высокоскоростными и/или высокочастотными схемами - объединение аналоговой и цифровой земли вместе на печатной плате. Следующее правило для схем, содержащих аналоговую и цифровую части, - использование каждого свободного вывода для создания соединения с общим проводом и отделения аналоговых и цифровых сигналов. Избегайте применения соединений тонкими многожильными монтажными проводами, включая соединения выводов питания и общего вывода. Обобщая выше сказанное, можно сказать, что необходимо использовать печатные платы с, как минимум, двухслойной металлизацией с максимальной площадью общего вывода (наилучший вариант - полигон) и толстыми, хорошо расположенными подводящими проводами питания и земли.

  Во всех высокоскоростных схемах, имеющих цифровые и аналоговые сигналы, требуется разносить их друг от друга как можно дальше для предотвращения возможного взаимовлияния между ними. Шины приходящих или уходящих цифровых сигналов должны иметь минимальную длину. Чем короче шина цифрового сигнала, тем меньше вероятность возникновения связи с аналоговой частью схемы и аналоговыми сигналами, которые в большинстве случаев являются более подверженными внешнему влиянию, чем цифровые. Аналоговые сигналы должны разводиться как можно дальше от цифровых сигналов, так далеко, как только могут позволить размеры платы. Аналоговые и цифровые сигналы в идеальном случае никогда не должны проходить параллельно друг другу на небольшом расстоянии. Если они должны пересекаться, то пересечение должно быть выполнено под прямым углом (естественно, на разных слоях платы) для минимизации взаимовлияния.

  Для ввода и вывода аналоговых сигналов могут потребоваться коаксиальные кабели, с их механическим закреплением, всегда хорошо решающие задачу электромагнитной экранировки. В случае, когда на одной плате совместно используются схема выборки-хранения и АЦП, необходимо размещать их возможно более близко друг от друга. Все общие выводы должны быть подключены к единому низкоимпедансному полигону земли, и эти подключения должны быть выполнены корректно (еще один аргумент для использования большого цельного полигона общего вывода, доступного на всей области печатной платы).

  Несмотря на то, что локальные соединения аналоговой и цифровой земли улучшают качественные характеристики схемы, они могут вызвать проблемы при использовании АЦП и ЦАП. В схемах преобразователи данных (АЦП и ЦАП) должны рассматриваться как аналоговые компоненты; схемотехнический дизайн должен быть разработан таким способом, чтоб защитить шины с милливольтовыми сигналами от наводок на них. Размещайте АЦП и ЦАП (также как и другие аналоговые компоненты) вблизи от других элементов аналоговой части схемы, потому что:

  • отражения создают трудности при передаче аналоговых сигналов на длинные расстояния без потери полосы и амплитуды;
  • шум, генерируемый в цифровой части схемы, может проникать в аналоговую часть через полигон земли или шины питания, а также посредством излучения.

  Шина возвратного тока питания (общий провод) каждой платы в комплексной схеме должна быть соединена с общим источником питания толстым проводом. В случаях, когда аналоговая и цифровая земля должны быть обязательно разделены, каждая из них должна быть раздельно соединена с источником питания; не соединяйте две земли одним проводом с источником питания. Каждая шина питания, поступающая в плату с высокоскоростной или высокочувствительной схемой, должна быть тщательно шунтирована на шину возвратного тока питания (шину общего провода питания) для предотвращения проникновения помех по этим шинам. Шунтирующие керамические конденсаторы (диапазон емкости от 0,01 до 0,1 мкФ) необходимо размещаться так близко от схемы, как только возможно; и, наконец, один танталовый конденсатор хорошего качества (диапазон емкости от 3 до 200 мкФ) должен использоваться для каждой шины питания и размещаться вблизи от вывода питания для уменьшения низкочастотных пульсаций питания.

  В такой же степени, шумовые проблемы могут создаваться из-за плохого контакта в разъемах питания. Если сопротивление их контактов довольно значительно и протекает изменяющийся по величине ток, то изменяющееся падение напряжения на таком контакте вызовет шум и может оказать влияние на остальные части схемы. Это предостережение особенно касается напряжения, используемого для питания микросхем ТТЛ; вред от этой проблемы может быть снижен введением дополнительных выводов питания.

  Часто имеются различия в реализации схем с использованием прецизионных ИС по отношению к схемам с использованием интегральных или гибридных модулей. Некоторые ИС специально разработаны с разделенными аналоговой и цифровой землями из-за того, что они не могут выполнять свои функции должным образом без такого разделения.

  Отмечая это, производители ИС, как правило, подробно описывают, как достигнуть оптимальных качественных показателей для их схем. Эти подробности использования часто дают понять пользователю, как соединить вместе аналоговую и цифровую земли схемы, а когда это делается, то соединение должно быть расположено на возможно более близком расстоянии от ИС. В других, более редких случаях, для отдельных устройств или систем может потребоваться удаленное соединение земли.

  В заключение - старый, добрый совет: лучшее решение для получения оптимальных характеристик любых устройств - старательно придерживаться рекомендациям производителя.

 

Видеокурс по проектированию печатных плат в P CAD.



Материал по PCAD