Разводка и экранирование
На печатных платах электронных схем могут одновременно присутствовать самые различные сигналы – аналоговые и цифровые, с высоким и низким напряжением, большим и малым током, от постоянного тока до гигагерцовых частот. Не дать им интерферировать друг с другом может оказаться трудной задачей.
Вспомнив совет «не доверяй никому», важно заранее продумать план, как на плате будут обрабатываться сигналы. Важно отметить, какие сигналы чувствительны, и определить, какие шаги следует предпринять для сохранения неприкосновенности этих сигналов. Слои земли, кроме предоставления опорного потенциала для электрических сигналов, можно также использовать и для экранирования. Когда требуется изолировать сигналы, первым делом следует обеспечить достаточное расстояние между дорожками сигналов. Рассмотрим несколько практических мер:
Минимизирование длин параллельных линий и предотвращение близкого соседства между сигнальными дорожками на одном и том же слое уменьшит индуктивную связь
Минимизирование длин дорожек на смежных слоях предотвратит емкостную связь
Сигнальные дорожки, требующие особой изоляции должны проводиться на разных слоях, и, если их невозможно разнести подальше – должны пролегать перпендикулярно друг другу, и между ними следует проложить слой земли. Перпендикулярная разводка минимизирует емкостную связь, а земля образует электрический экран. Эта методика используется при формировании линий с согласованным импедансом (волновым сопротивлением).
Высокочастотные (ВЧ) сигналы обычно проводят по линиям с согласованным импедансом. То есть, волновое сопротивление дорожки обеспечивается равным, например 50 Ом (типичное для ВЧ-схем). Два широко применяемых типа согласованных линий – микрополосковые и полосковые – могут дать одинаковые результаты, но имеют разные реализации.
Микрополосковая согласованная линия, показанная на рисунке 13, может проходить на любой стороне платы; она использует слой земли, лежащий непосредственно под ним в качестве плоскости базового заземления.
Рис. 13. Микрополосковая линия передачи
TRACE – Дорожка;
DIELECTRIC – Изолятор;
GROUND PLANE – Плоскость земли.
Для расчета характеристического волнового сопротивления линии на плате FR4 можно воспользоваться формулой 6.
(6)
H – расстояние от плоскости земли до дорожки, W – ширина дорожки, T – толщина дорожки; все размеры в милах (1мил = 10-3 дюйма). εr – относительная диэлектрическая проницаемость материала платы.
Полосковая согласованная линия (рис. 14) использует два слоя плоскости земли и находящуюся между ними сигнальную дорожку. Этот способ использует больше дорожек, требует большего количества слоев, он чувствителен к изменениям толщины изолятора и стоит дороже, поэтому он обычно применяется только в устройствах с повышенными требованиями.
Рис. 14. Полосковая согласованная линия.
EMBEDDED TRACE – Дорожка, встроенная между слоями;
DIELECTRIC – Изолятор;
GROUND, POWER PLANES – Плоскости земли и питания.
Уравнение для расчета характеристического волнового сопротивления полосковой линии:
(7)
Защитные кольца – другой широко применяемый в схемах с ОУ вид экранирования; они предназначены для предотвращения попадания паразитных токов в чувствительные узлы схемы. Их принцип действия прост – полное окружение чувствительного узла защитным проводником, на котором поддерживается или на который подается (через малый импеданс) такой же потенциал, как и у чувствительного узла, и таким образом в защитное кольцо стекают паразитные токи, не попадая в чувствительный узел. На рисунке 15(a) показаны схемы защитных колец для инвертирующего и неинвертирующего включения ОУ. На рисунке 15(b) показана типичная реализация обоих вариантов защитных колец для ОУ в корпусе SOT-23-5.
Рис. 15. Защитные кольца. (a) Инвертирующая и неинвертирующая схема. (b) Корпус SOT-23-5
GUARD RING – Защитное кольцо;