Несмотря на критически важную роль в высокоскоростных схемах, компоновка печатной платы часто является одним из последних этапов проектирования. Эта тема имеет множество аспектов, по ней было написано много литературы. В данной статье компоновка рассматривается с практической точки зрения. Основная цель в том, чтобы заострить внимание новичков на многих различных тонкостях, которые им необходимо учитывать при компоновке печатных плат для высокоскоростных схем. Но статья также предназначена для освежения знаний тех, кто какое-то время не занимался компоновкой плат. Не все темы могут быть детально рассмотрены в рамках такой небольшой статьи, но мы обратимся к ключевым областям, способным принести наибольшую пользу в улучшении характеристик схемы, сокращении времени проектирования и минимизации трудоемких доработок.

Хотя основное внимание уделяется схемам с высокоскоростными операционными усилителями (ОУ), обсуждаемые здесь темы и методы в целом применимы к компоновке большинства других высокоскоростных аналоговых схем. Когда ОУ работает в области ВЧ, характеристики устройства сильно зависят от компоновки платы. Высококачественная конструкция, которая хорошо выглядит «на бумаге», может показать посредственные характеристики из-за небрежной компоновки. Стараясь все продумывать заранее и обращая внимание на существенные детали в процессе компоновки, можно почти гарантировать, что устройство будет работать так, как ожидалось.

Паразитные параметры - это те маленькие мерзкие гремлины, которые проникают в вашу печатную плату (в буквальном смысле) и сеют хаос в вашей схеме. Это неявные паразитные емкости и индуктивности, проникающие в высокоскоростные цепи. К ним относятся индуктивности выводов компонентов и излишне длинных дорожек. емкости между основанием микросхемы и земляным слоем, слоем питания или дорожками. взаимодействия с переходными отверстиями и еще много другого. На Рисунке 3а показана типичная схема неинвертирующего ОУ. Однако, если бы были учтены паразитные параметры, та же схема выглядела бы, как на Рисунке 3б.

Рисунок 3.	Типичная схема на ОУ (а) и она же с паразитными параметрами (б).

Чтобы нарушить работу высокоскоростных схем, не требуется значительных величин паразитных параметров. Иногда достаточно всего нескольких десятых пикофарады. Показательный пример: если цепь, идущая к инвертирующему входу ОУ, имеет паразитную емкость всего 1 пФ, это может вызвать подъем коэффициента усиления на высоких частотах почти на 2 дБ (Рисунок 4). При достаточной емкости это может привести к потере устойчивости и возбуждению.

Рисунок 4.	Выброс на АЧХ, обусловленный паразитной емкостью.

Несколько основных формул для нахождения величин паразитных параметров помогут при поиске причин неудовлетворительной работы схемы. Формула 1 выражает емкость конденсатора с параллельными плоскими обкладками. (См. Рисунок 5).

Рисунок 5.	Емкость между двумя плоскими пластинами.

(1)

Здесь

C - емкость,
A - площадь пластины в см²,
k - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы,
d - расстояние между пластинами в сантиметрах.

Следует учитывать еще один паразитный параметр - индуктивность дорожек, обусловленную их чрезмерной длиной и отсутствием слоя земли. Формула 2 выражает индуктивность дорожки LT через ее геометрические размеры. (См. Рисунок 6).

Рисунок 6.	Индуктивность участка печатной дорожки.

(2)

где

W - ширина дорожки,
L - ее длина,
H - толщина.

Все величины выражены в миллиметрах.

Колебания на Рисунке 7 иллюстрируют влияние дорожки длиной 2.54 см, идущей к неинвертирующему входу высокоскоростного ОУ. Эквивалентная паразитная индуктивность этой дорожки составляет 29 нГн, чего достаточно, чтобы вызвать устойчивые колебания малой амплитуды, сохраняющиеся в течение всего переходного процесса. На Рисунке 7 также показано, как ослабляет влияние паразитной индуктивности использование земляного слоя.

Рисунок 7.	Переходная характеристика при наличии и отсутствии земляного слоя.

Переходные отверстия являются еще одним источником паразитных параметров; они могут добавлять как индуктивность, так и емкость. Формула 3 позволяет найти величину паразитной индуктивности (см. Рисунок 8).

Рисунок 8.	Размеры переходного отверстия.

(3)

Здесь

T - толщина платы в сантиметрах,
d - диаметр отверстия в сантиметрах.

Формула 4 позволяет найти паразитную емкость отверстия (см. Рисунок 8).

(4)

где

ε_r - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы,
T - толщина платы,
D₁ - диаметр контактной площадки вокруг отверстия,
D₂ - диаметр выреза в земляном слое

Все величины выражены в сантиметрах.

Одиночное переходное отверстие в плате толщиной 0.157 см может внести 1.2 нГн и 0.5 пФ; вот почему при компоновке плат необходимо постоянно быть внимательным, чтобы свести к минимуму паразитные параметры.

Окончание