ALLGEMEINE ÜBERLEGUNGEN

Aufgrund der erheblichen Unterschiede zwischen analogen und digitalen Schaltungen muss der analoge Teil der Schaltung vom Rest der Schaltung getrennt und bei der Verkabelung besondere Methoden und Regeln beachtet werden. Die Auswirkungen einer nicht idealen PCB-Leistung machen sich besonders bei analogen Hochfrequenzschaltungen bemerkbar, aber die in diesem Artikel beschriebenen allgemeinen Fehler können die Qualität von Geräten beeinträchtigen, die sogar im Audiofrequenzbereich arbeiten.

Ziel dieses Artikels ist es, häufige Fehler von PCB-Designern zu diskutieren, die Auswirkungen dieser Fehler auf die Leistung zu beschreiben und Empfehlungen zur Lösung auftretender Probleme zu geben.

Leiterplatte - Schaltungskomponente

Nur in seltenen Fällen kann die Leiterplatte einer analogen Schaltung so verlegt werden, dass die damit verbundenen Effekte keinen Einfluss auf die Funktion der Schaltung haben. Gleichzeitig können solche Auswirkungen minimiert werden, sodass die Eigenschaften der analogen Schaltkreise des Geräts denen des Modells und Prototyps entsprechen.

Layout

Designer digitaler Schaltungen können kleine Fehler auf der hergestellten Platine korrigieren, indem sie Jumper hinzufügen oder umgekehrt unnötige Leiter entfernen, Änderungen am Betrieb programmierbarer Mikroschaltungen vornehmen usw. und so sehr bald mit der nächsten Entwicklung fortfahren. Dies ist bei einer analogen Schaltung nicht der Fall. Einige der in diesem Artikel behandelten häufigen Fehler können nicht durch das Hinzufügen von Brücken oder das Entfernen überschüssiger Drähte behoben werden. Sie können und werden die gesamte Leiterplatte funktionsuntüchtig machen.

Für einen Designer digitaler Schaltungen, der diese Korrekturmethoden verwendet, ist es sehr wichtig, den Inhalt dieses Artikels lange vor der Übermittlung des Entwurfs an die Produktion zu lesen und zu verstehen. Ein wenig Design-Aufmerksamkeit und die Diskussion möglicher Optionen verhindern nicht nur, dass die Leiterplatte zum Schrott wird, sondern reduzieren auch die Kosten, die durch Fehler in einem kleinen analogen Teil der Schaltung entstehen. Das Finden und Beheben von Fehlern kann Hunderte von Stunden verschwenden. Durch Prototyping kann diese Zeit auf einen Tag oder weniger verkürzt werden. Stecken Sie alle Ihre analogen Schaltkreise in ein Steckbrett.

Quellen von Rauschen und Interferenzen

Rauschen und Interferenzen sind die Hauptfaktoren, die die Qualitätsmerkmale von Schaltkreisen einschränken. Störungen können entweder von Quellen ausgehen oder auf Schaltungselementen induziert werden. Analoge Schaltkreise finden sich häufig auf einer Leiterplatte zusammen mit digitalen Hochgeschwindigkeitskomponenten, einschließlich digitalen Signalprozessoren (DSPs).

Hochfrequente Logiksignale verursachen erhebliche Funkfrequenzstörungen (RFI). Die Zahl der Lärmemissionsquellen ist enorm: wichtige Stromversorgungen für digitale Systeme, Mobiltelefone, Radio und Fernsehen, Stromversorgungen für Leuchtstofflampen, Personalcomputer, Blitzentladungen usw. Selbst wenn die analoge Schaltung im Audiofrequenzbereich arbeitet, kann RFI merkliches Rauschen im Ausgangssignal verursachen.

PCB-KATEGORIEN

Die Wahl des PCB-Designs ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der mechanischen Leistung des Geräts als Ganzes. Für die Herstellung von Leiterplatten werden Materialien unterschiedlicher Qualitätsstufen verwendet. Am geeignetsten und bequemsten für den Designer ist es, wenn der Leiterplattenhersteller in der Nähe ist. In diesem Fall ist es einfach, den spezifischen Widerstand und die Dielektrizitätskonstante – die Hauptparameter des Leiterplattenmaterials – zu steuern. Leider reicht dies nicht aus und häufig sind Kenntnisse über andere Parameter wie Entflammbarkeit, Hochtemperaturstabilität und Hygroskopizität erforderlich. Diese Parameter können nur dem Hersteller der bei der Herstellung von Leiterplatten verwendeten Komponenten bekannt sein.

Laminierte Materialien werden mit den Indizes FR (schwer entflammbar, flammhemmend) und G bezeichnet. Das Material mit dem Index FR-1 weist die höchste Entflammbarkeit auf, FR-5 die geringste. Materialien mit den Indizes G10 und G11 weisen besondere Eigenschaften auf. Die Materialien der Leiterplatten sind in der Tabelle angegeben. 1.

Keine Leiterplatte der Kategorie FR-1 verwenden. Es gibt viele Beispiele für FR-1-Leiterplatten, die durch Hochleistungskomponenten thermisch beschädigt wurden. Leiterplatten in dieser Kategorie ähneln eher Pappe.

FR-4 wird häufig bei der Herstellung von Industrieanlagen verwendet, während FR-2 bei der Herstellung von Haushaltsgeräten verwendet wird. Diese beiden Kategorien sind branchenstandardisiert und FR-2- und FR-4-Leiterplatten eignen sich häufig für die meisten Anwendungen. Aber manchmal erzwingt die Unvollkommenheit der Eigenschaften dieser Kategorien die Verwendung anderer Materialien. Für Anwendungen mit sehr hohen Frequenzen werden beispielsweise PTFE und sogar Keramik als Leiterplattenmaterialien verwendet. Allerdings kann der Preis umso höher ausfallen, je exotischer das PCB-Material ist.

Achten Sie bei der Auswahl eines Leiterplattenmaterials besonders auf dessen Hygroskopizität, da dieser Parameter die gewünschten Eigenschaften der Leiterplatte – Oberflächenwiderstand, Leckage, Hochspannungsisolationseigenschaften (Durchschläge und Funken) und mechanische Festigkeit – stark negativ beeinflussen kann. Achten Sie auch auf die Betriebstemperatur. Hotspots können an unerwarteten Orten gefunden werden, beispielsweise in der Nähe großer digitaler integrierter Schaltkreise, die mit hoher Frequenz schalten. Befinden sich solche Bereiche direkt unter analogen Komponenten, kann ein Temperaturanstieg die Eigenschaften des analogen Schaltkreises beeinträchtigen.

Tabelle 1

Kategorie	Komponenten, Kommentare
FR-1	Papier, phenolische Zusammensetzung: Pressen und Stempeln bei Raumtemperatur, hohe Hygroskopizität
FR-2	Papier, Phenolzusammensetzung: anwendbar für einseitige Leiterplatten von Haushaltsgeräten, niedriger Wasseraufnahmekoeffizient
FR-3	Papier, Epoxidzusammensetzung: Entwicklungen mit guten mechanischen und elektrischen Eigenschaften
FR-4	Glasfaser, Epoxidzusammensetzung: ausgezeichnete mechanische und elektrische Eigenschaften
FR-5	Glasfaser, Epoxidzusammensetzung: hohe Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, nicht brennbar
G10	Glasfaser, Epoxidzusammensetzung: hohe Isoliereigenschaften, höchste Festigkeit von Glasfaser, geringe Hygroskopizität
G11	Glasfaser, Epoxidzusammensetzung: hohe Biegefestigkeit bei erhöhten Temperaturen, hohe Lösungsmittelbeständigkeit

Sobald das PCB-Material ausgewählt ist, muss die Dicke der PCB-Folie bestimmt werden. Dieser Parameter wird in erster Linie basierend auf dem Maximalwert des fließenden Stroms ausgewählt. Vermeiden Sie nach Möglichkeit die Verwendung von sehr dünner Folie.

ANZAHL DER SCHICHTEN DER BEDRUCKTEN KARTE

Einlagige Leiterplatten

Sehr einfache elektronische Schaltkreise werden auf einseitigen Platinen aus billigen Folienmaterialien (FR-1 oder FR-2) hergestellt und verfügen oft über viele Jumper, die doppelseitigen Platinen ähneln. Diese Art der Leiterplattenherstellung wird nur für Niederfrequenzschaltungen empfohlen. Aus Gründen, die im Folgenden beschrieben werden, Einseitige Leiterplatten sind sehr störanfällig. Aus vielen Gründen ist es schwierig, eine gute einseitige Leiterplatte zu entwerfen. Dennoch gibt es gute Boards dieser Art, bei deren Entwicklung muss man sich aber im Vorfeld viele Gedanken machen.

Zweilagige Leiterplatten

Auf der nächsten Ebene stehen doppelseitige Leiterplatten, die in den meisten Fällen FR-4 als Substratmaterial verwenden, manchmal kommt aber auch FR-2 vor. Die Verwendung von FR-4 ist vorzuziehen, da aus diesem Material Löcher in Leiterplatten mit besserer Qualität erhalten werden. Schaltungen auf doppelseitigen Leiterplatten lassen sich wesentlich einfacher verdrahten. In zwei Schichten ist es einfacher, sich kreuzende Leiterbahnen zu verlegen. Für analoge Schaltungen wird die Leiterbahnkreuzung jedoch nicht empfohlen. Nach Möglichkeit ist die unterste Ebene (unten) dem Bodenpolygon zuzuordnen und die restlichen Signale sollten in der oberen Ebene (oben) geführt werden. Die Nutzung einer Deponie als Bodenbus bietet mehrere Vorteile:

• Der gemeinsame Draht ist der am häufigsten angeschlossene Draht im Stromkreis. Daher ist es sinnvoll, viele gemeinsame Kabel zu haben, um die Verkabelung zu vereinfachen.
• erhöht die mechanische Festigkeit der Platine.
• Der Widerstand aller Verbindungen zum gemeinsamen Kabel wird verringert, was wiederum Rauschen und Interferenzen reduziert.
• Die verteilte Kapazität für jeden Schaltkreis wird erhöht, was dazu beiträgt, abgestrahltes Rauschen zu unterdrücken.
• Das Polygon, bei dem es sich um einen Bildschirm handelt, unterdrückt Aufnahmen, die von Quellen ausgehen, die sich auf der Seite des Polygons befinden.

Doppelseitige Leiterplatten sind trotz aller Vorteile nicht die beste Lösung, insbesondere für Kleinsignal- oder Hochgeschwindigkeitsschaltungen. Im Allgemeinen beträgt die Leiterplattendicke, d. h. Der Abstand zwischen den Beschichtungsschichten beträgt 1,5 mm, was zu viel ist, um einige der oben genannten Vorteile einer zweischichtigen Leiterplatte voll auszuschöpfen. Beispielsweise ist die zugewiesene Kapazität aufgrund eines so großen Abstands zu gering.

Mehrschichtige Leiterplatten

Für ein verantwortungsvolles Schaltungsdesign sind mehrschichtige Leiterplatten (MPBs) erforderlich. Einige Gründe für ihre Verwendung liegen auf der Hand:

• derselbe Komfort wie bei der gemeinsamen Busverdrahtung, der Strombusverkabelung; Wenn Polygone auf einer separaten Ebene als Strombusse verwendet werden, ist es ganz einfach, jedes Element der Schaltung über Vias mit Strom zu versorgen;
• Signalschichten werden von Stromschienen befreit, was die Verkabelung von Signalleitern erleichtert;
• Zwischen den Erdungs- und Leistungspolygonen entsteht eine verteilte Kapazität, die hochfrequentes Rauschen reduziert.

Neben diesen Gründen für den Einsatz mehrschichtiger Leiterplatten gibt es noch weitere, weniger offensichtliche:

• bessere Unterdrückung elektromagnetischer (EMI) und Hochfrequenzstörungen (RFI) aufgrund des seit Marconi bekannten Reflexionseffekts (Bildebeneneffekt). Wenn ein Leiter in der Nähe einer flachen leitenden Oberfläche platziert wird, fließen die meisten hochfrequenten Rückströme in der Ebene direkt unter dem Leiter. Die Richtung dieser Ströme ist entgegengesetzt zur Richtung der Ströme im Leiter. Somit entsteht durch die Reflexion des Leiters in der Ebene eine Signalübertragungsleitung. Da die Ströme im Leiter und in der Ebene gleich groß und entgegengesetzt gerichtet sind, wird eine gewisse Reduzierung der abgestrahlten Störungen bewirkt. Der Reflexionseffekt funktioniert nur mit nicht unterbrechenden Vollpolygonen (es können sowohl Bodenpolygone als auch Nahrungspolygone sein). Jede Verletzung der Integrität führt zu einer Verringerung der Störunterdrückung.
• Reduzierung der Gesamtkosten bei der Produktion in kleinem Maßstab. Obwohl mehrschichtige Leiterplatten teurer in der Herstellung sind, ist ihre mögliche Emission geringer als bei ein- und zweischichtigen Leiterplatten. Daher können Sie in einigen Fällen durch die Verwendung von nur mehrschichtigen Platinen die während der Entwicklung festgelegten Strahlungsanforderungen erfüllen und keine zusätzlichen Tests und Tests durchführen. Durch den Einsatz von MFP kann der abgestrahlte Schallpegel im Vergleich zu Zweischichtplatinen um 20 dB reduziert werden.

Layer-Reihenfolge

Bei unerfahrenen Designern herrscht häufig Verwirrung über die optimale Reihenfolge der Leiterplattenschichten. Nehmen Sie zum Beispiel eine 4-Schichten-Kammer mit zwei Signalschichten und zwei Polygonschichten – einer Erdungsschicht und einer Leistungsschicht. Was ist die beste Ebenenreihenfolge? Signalschichten zwischen Polygonen, die als Bildschirme dienen? Oder die Polygonschichten intern gestalten, um die Interferenz der Signalschichten zu reduzieren?

Bei der Lösung dieses Problems ist es wichtig zu bedenken, dass die Lage der Schichten oft keine Rolle spielt, da sich die Komponenten immer noch auf den äußeren Schichten befinden und die Busse, die Signale an ihre Anschlüsse weiterleiten, manchmal durch alle Schichten verlaufen Lagen. Daher sind eventuelle Bildschirmeffekte nur ein Kompromiss. In diesem Fall ist es besser, darauf zu achten, eine große verteilte Kapazität zwischen den Strom- und Bodenpolygonen zu schaffen und diese in den inneren Schichten zu platzieren.

Ein weiterer Vorteil der außen liegenden Signalschichten ist die Verfügbarkeit von Signalen zum Testen sowie die Möglichkeit, Verbindungen zu modifizieren. Jeder, der schon einmal die Anschlüsse von Leitern in den Innenlagen verändert hat, wird diese Möglichkeit zu schätzen wissen.

Bei Leiterplatten mit mehr als vier Lagen gilt als allgemeine Regel, Hochgeschwindigkeitssignalleiterbahnen zwischen Masse- und Stromversorgungsebene zu platzieren und die äußeren Lagen für Niederfrequenzleiterbahnen zu belassen.

ERDUNG

Die Aufteilung des Bodens in analoge und digitale Teile ist eine der einfachsten und effektivsten Methoden zur Rauschunterdrückung. Eine oder mehrere Schichten einer mehrschichtigen Leiterplatte werden normalerweise unter einer Schicht aus Masseebenen angeordnet. Wenn der Entwickler nicht sehr erfahren oder nachlässig ist, wird die Masse des analogen Teils direkt mit diesen Polygonen verbunden, d. h. Der analoge Rückstrom verwendet denselben Stromkreis wie der digitale Rückstrom. Autozüchter arbeiten weitgehend auf die gleiche Weise und vereinen alle Ländereien miteinander.

Wenn eine zuvor entworfene Leiterplatte mit einem einzigen Erdungspolygon, das analoge und digitale Erdungen kombiniert, einer Bearbeitung unterzogen wird, müssen zunächst die Erdungen auf der Platine physisch getrennt werden (nach diesem Vorgang wird der Betrieb der Platine nahezu unmöglich). Danach werden alle Verbindungen zur analogen Masseebene der analogen Schaltungskomponenten (analoge Masse wird gebildet) und zur digitalen Masseebene der digitalen Schaltungskomponenten (digitale Masse wird gebildet) hergestellt. Und erst danach werden digitale und analoge Masse in der Quelle kombiniert.

Andere Landbildungsregeln:

• Die Strom- und Erdungsschienen müssen auf dem gleichen Wechselstrompotential liegen., was die Verwendung von Entkopplungskondensatoren und verteilter Kapazität impliziert.
• Vermeiden Sie überlappende analoge und digitale Polygone (Abb. 1). Positionieren Sie die analogen Stromschienen und Polygone über dem analogen Erdungspolygon (ähnlich wie bei digitalen Stromschienen). Wenn es an irgendeinem Punkt eine Überlappung zwischen den analogen und digitalen Bereichen gibt, erzeugt die verteilte Kapazität zwischen den überlappenden Bereichen eine Wechselstromkopplung, und das Rauschen aus dem Betrieb der digitalen Komponenten gelangt in den analogen Schaltkreis. Solche Überlappungen machen die Polygonisolation ungültig.
  
• Trennung bedeutet nicht, dass die analoge von der digitalen Masse elektrisch isoliert ist (Abbildung 2). Sie müssen in einem, vorzugsweise einem, niederohmigen Knoten miteinander verbunden werden. Ein ordnungsgemäß geerdetes System verfügt nur über eine Erdung, nämlich den Erdungsanschluss für Systeme mit Wechselstromversorgung oder die gemeinsame Erdung für Systeme mit Gleichstromversorgung (z. B. eine Batterie). Alle Signal- und Leistungsströme in diesem Stromkreis müssen an einem einzigen Punkt zu dieser Erde zurückfließen, die als Systemerde dient. Ein solcher Punkt kann der Ausgang des Gerätegehäuses sein. Es ist wichtig zu verstehen, dass sich Masseschleifen bilden können, wenn die Schaltungsmasse an mehreren Punkten des Gehäuses angeschlossen wird. Die Schaffung eines einzigen gemeinsamen Erdungspunkts ist einer der schwierigsten Aspekte des Systemdesigns.
  
• Wenn möglich, trennen Sie die Klemmen der Anschlüsse, die Rückströme führen sollen. Die Rückströme sollten nur am Erdungspunkt der Anlage zusammengeführt werden. Die Alterung der Steckerkontakte sowie das häufige Trennen ihrer Gegenteile führen zu einer Erhöhung des Widerstands der Kontakte. Für einen zuverlässigeren Betrieb ist es daher erforderlich, Steckverbinder mit einer bestimmten Anzahl zusätzlicher Pins zu verwenden. Komplexe digitale Leiterplatten bestehen aus vielen Schichten und enthalten Hunderte oder Tausende von Leitern. Das Hinzufügen eines weiteren Leiters stellt im Gegensatz zum Hinzufügen zusätzlicher Anschlussstifte selten ein Problem dar. Schlägt dies fehl, müssen unter besonderen Vorkehrungen für jeden Stromkreis auf der Platine zwei Rückstromleiter angelegt werden.
• Es ist wichtig, die digitalen Signalleitungen von den Stellen auf der Leiterplatte zu trennen, an denen sich die analogen Komponenten der Schaltung befinden. Dazu gehört die Isolierung (Abschirmung) durch Polygone, kurze analoge Signalwege und die sorgfältige Platzierung passiver Komponenten in der Nähe von Hochgeschwindigkeits-Digitalbussen und kritischen Analogbussen. Digitale Signalbusse sollten um analoge Komponentenbereiche herum geführt werden und dürfen sich nicht mit analogen Erdungs- und analogen Strombussen und -polygonen überschneiden. Geschieht dies nicht, wird die Entwicklung ein neues unvorhergesehenes Element enthalten – eine Antenne, deren Strahlung hochohmige analoge Komponenten und Leiter beeinflusst (Abb. 3).

• Es ist ein gutes Konzept, den analogen Teil der Schaltung in der Nähe der I/O-Anschlüsse der Platine zu platzieren. Entwickler digitaler Leiterplatten, die leistungsstarke integrierte Schaltkreise verwenden, neigen häufig dazu, Sammelschienen mit einer Breite von 1 mm und mehreren Zentimetern Länge zu verlegen, um analoge Komponenten zu verbinden, da sie davon ausgehen, dass ein geringer Leiterbahnwiderstand dazu beiträgt, Übersprechen zu vermeiden. Das Ergebnis ist ein erweiterter Folienkondensator, der Störsignale von digitalen Komponenten, digitaler Masse und digitaler Stromversorgung auffängt, was das Problem noch verschärft.

Ein Beispiel für gute Komponentenplatzierung

Abbildung 4 zeigt eine mögliche Anordnung aller Komponenten auf der Platine, einschließlich der Stromversorgung. Hier werden drei separate und isolierte Masse-/Stromversorgungsebenen verwendet: eine für die Quelle, eine für den digitalen Schaltkreis und eine für den analogen Schaltkreis. Die Masse- und Stromkreise des analogen und digitalen Teils werden nur in der Stromversorgung zusammengefasst. Hochfrequente Störungen werden in den Versorgungsstromkreisen durch Drosseln herausgefiltert. In diesem Beispiel werden die Hochfrequenzsignale des analogen und digitalen Teils voneinander getrennt. Ein solches Design hat eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit eines günstigen Ergebnisses, da es eine gute Platzierung der Komponenten und die Einhaltung der Regeln zur Trennung der Stromkreise gewährleistet.

Es gibt nur einen Fall, in dem analoge und digitale Signale über eine analoge Massefläche kombiniert werden müssen. Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandler sind in Gehäusen mit analogen und digitalen Erdungsstiften untergebracht. Unter Berücksichtigung der vorherigen Überlegungen kann davon ausgegangen werden, dass der digitale Erdungsstift und der analoge Erdungsstift jeweils mit den digitalen und analogen Erdungsbussen verbunden werden sollten. Dies trifft in diesem Fall jedoch nicht zu.

Die Pin-Bezeichnungen (analog oder digital) beziehen sich nur auf den internen Aufbau des Konverters, auf seine internen Verbindungen. In der Schaltung sollten diese Pins mit dem analogen Erdungsbus verbunden sein. Die Verbindung kann auch innerhalb des integrierten Schaltkreises hergestellt werden, allerdings ist es aufgrund topologischer Einschränkungen eher schwierig, einen niedrigen Widerstand einer solchen Verbindung zu erreichen. Daher wird beim Einsatz von Wandlern von einer externen Verbindung der analogen und digitalen Massepins ausgegangen. Geschieht dies nicht, sind die Parameter der Mikroschaltung viel schlechter als in der Spezifikation angegeben.

Es muss berücksichtigt werden, dass die digitalen Elemente des Wandlers die Qualitätsmerkmale der Schaltung verschlechtern und digitales Rauschen in die analogen Masse- und analogen Stromkreise einbringen können. Das Design der Wandler berücksichtigt diesen negativen Einfluss, sodass der digitale Teil möglichst wenig Strom verbraucht. In diesem Fall werden Störungen durch Schaltlogikelemente reduziert. Wenn die digitalen Ausgänge des Konverters nicht stark belastet werden, bereitet die interne Umschaltung in der Regel keine großen Probleme. Beim Entwurf einer Leiterplatte mit einem ADC oder DAC muss sorgfältig darauf geachtet werden, die digitale Stromversorgung des Wandlers von der analogen Masse zu entkoppeln.

FREQUENZCHARAKTERISTIK VON PASSIVEN KOMPONENTEN

Viele Entwickler ignorieren die Frequenzbeschränkungen passiver Komponenten beim Einsatz in analogen Schaltkreisen völlig. Diese Komponenten haben begrenzte Frequenzbereiche und ihr Betrieb außerhalb des angegebenen Frequenzbereichs kann zu unvorhersehbaren Ergebnissen führen. Man könnte meinen, dass es in dieser Diskussion nur um analoge Hochgeschwindigkeitsschaltungen geht. Dies ist jedoch bei weitem nicht der Fall – hochfrequente Signale wirken sich durch Strahlung oder direkte Verbindung über Leiter recht stark auf die passiven Komponenten niederfrequenter Schaltkreise aus. Beispielsweise kann sich ein einfacher Tiefpassfilter an einem Operationsverstärker leicht in einen Hochpassfilter verwandeln, wenn an seinen Eingang eine hohe Frequenz angelegt wird.

Widerstände

Die Hochfrequenzeigenschaften der Widerstände können durch das Ersatzschaltbild in Abbildung 5 dargestellt werden.

Kondensatoren

Die Hochfrequenzeigenschaften von Kondensatoren können durch das Ersatzschaltbild in Abbildung 6 dargestellt werden.

Tatsächlich hat noch niemand einen Elektrolytkondensator mit einer Reaktanz von 160 µΩ gesehen. Die Platten von Film- und Elektrolytkondensatoren sind verdrillte Folienschichten, die eine parasitäre Induktivität erzeugen. Der Selbstinduktionseffekt von Keramikkondensatoren ist viel geringer, was den Einsatz bei Betrieb mit hohen Frequenzen ermöglicht. Darüber hinaus weisen Kondensatoren einen Leckstrom zwischen den Platten auf, der einem parallel zu ihren Anschlüssen geschalteten Widerstand entspricht, der seinen parasitären Effekt zu dem Effekt des in Reihe geschalteten Widerstands der Anschlüsse und Platten hinzufügt. Darüber hinaus ist der Elektrolyt kein perfekter Leiter. Alle diese Widerstände addieren sich zu einem äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Als Entkoppler eingesetzte Kondensatoren müssen einen niedrigen ESR aufweisen, da der Serienwiderstand die Wirksamkeit der Welligkeits- und Rauschunterdrückung einschränkt. Eine Erhöhung der Betriebstemperatur erhöht den äquivalenten Serienwiderstand erheblich und kann die Leistung des Kondensators beeinträchtigen. Soll daher ein Aluminium-Elektrolytkondensator bei erhöhter Betriebstemperatur eingesetzt werden, muss der entsprechende Kondensatortyp (105 °C) verwendet werden.

Auch die Kondensatorleitungen tragen zur parasitären Induktivität bei. Bei kleinen Kapazitätswerten ist es wichtig, die Leitungslängen kurz zu halten. Die Kombination aus parasitärer Induktivität und Kapazität kann einen Resonanzkreis erzeugen. Unter der Annahme, dass die Leitungen eine Induktivität von etwa 8 nH pro Zentimeter haben, hat ein 0,01 uF-Kondensator mit Leitungen von einem Zentimeter Länge eine Resonanzfrequenz von etwa 12,5 MHz. Dieser Effekt ist den Ingenieuren bekannt, die vor Jahrzehnten elektronische Vakuumgeräte entwickelt haben. Wer antike Radios restauriert und diesen Effekt nicht kennt, steht vor vielen Problemen.

Bei der Verwendung von Elektrolytkondensatoren ist auf den richtigen Anschluss zu achten. Der Pluspol muss an ein positiveres Gleichspannungspotential angeschlossen werden. Ein falscher Anschluss führt dazu, dass Gleichstrom durch den Elektrolytkondensator fließt, was nicht nur den Kondensator selbst, sondern auch einen Teil des Stromkreises beschädigen kann.

In seltenen Fällen kann die DC-Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis das Vorzeichen umkehren. Dies erfordert den Einsatz unpolarer Elektrolytkondensatoren, deren innerer Aufbau zwei in Reihe geschalteten polaren Kondensatoren entspricht.

Induktivität

Die Hochfrequenzeigenschaften von Induktivitäten können durch das in Abbildung 7 gezeigte Ersatzschaltbild dargestellt werden.

In Wirklichkeit gibt es keinen 6,28-MΩ-Induktor. Die Natur des parasitären Widerstands ist leicht zu verstehen – die Windungen der Spule bestehen aus Draht, der pro Längeneinheit einen gewissen Widerstand aufweist. Parasitäre Kapazität ist schwieriger zu erkennen, wenn man nicht berücksichtigt, dass die nächste Windung der Spule nahe an der vorherigen liegt und kapazitive Kopplung zwischen eng beieinander liegenden Leitern auftritt. Parasitäre Kapazität begrenzt die obere Betriebsfrequenz. Kleine drahtgewickelte Induktivitäten beginnen im Bereich von 10 bis 100 MHz ineffizient zu werden.

Platine

Die Leiterplatte selbst weist die oben diskutierten Eigenschaften der passiven Komponenten auf, wenn auch nicht so offensichtlich.

Das Leitermuster auf einer Leiterplatte kann sowohl Quelle als auch Empfänger von Störungen sein. Eine gute Verkabelung verringert die Empfindlichkeit des Analogschaltkreises gegenüber Strahlungsquellen.

Die Leiterplatte ist strahlungsanfällig, da die Leiter und Leitungen der Bauteile eine Art Antenne bilden. Die Antennentheorie ist ein recht komplexes Studienfach und wird in diesem Artikel nicht behandelt. Allerdings werden hier einige Grundlagen gegeben.

Ein bisschen Antennentheorie

Eine der Hauptantennenarten ist die Stab- oder Geradeleiterantenne. Eine solche Antenne funktioniert, weil ein gerader Leiter eine parasitäre Induktivität aufweist und daher Strahlung von externen Quellen bündeln und einfangen kann. Die Gesamtimpedanz eines geraden Leiters hat einen ohmschen (aktiven) und einen induktiven (reaktiven) Anteil:

Bei Gleichstrom oder niedrigen Frequenzen überwiegt der aktive Anteil. Mit steigender Frequenz gewinnt der reaktive Anteil immer mehr an Bedeutung. Im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz beginnt der induktive Anteil zu wirken und der Leiter ist kein niederohmiger Verbinder mehr, sondern fungiert als Induktivität.

Die Formel zur Berechnung der Induktivität eines Leiterplattenleiters lautet wie folgt:

Typischerweise haben PCB-Leiterbahnen Werte zwischen 6 nH und 12 nH pro Zentimeter Länge. Beispielsweise hat ein 10 cm langer Leiter einen Widerstand von 57 mΩ und eine Induktivität von 8 nH pro cm. Bei 100 kHz beträgt die Reaktanz 50 mΩ, und bei höheren Frequenzen ist der Leiter eher eine Induktivität als ein Widerstand.

Die Peitschenantennenregel besagt, dass sie bei einer Länge von etwa 1/20 der Wellenlänge merklich mit dem Feld zu interagieren beginnt und die maximale Interaktion bei der Länge des Stifts auftritt, die 1/4 der Wellenlänge entspricht. Daher wird sich der 10-cm-Leiter aus dem Beispiel im vorherigen Absatz bei Frequenzen über 150 MHz zu einer ziemlich guten Antenne entwickeln. Es muss beachtet werden, dass trotz der Tatsache, dass der Taktgenerator einer digitalen Schaltung möglicherweise nicht mit einer Frequenz über 150 MHz arbeitet, in seinem Signal immer höhere Harmonische vorhanden sind. Befinden sich auf der Leiterplatte Bauelemente mit Stiftleitungen von beträchtlicher Länge, so können solche Stifte auch als Antennen dienen.

Der andere Hauptantennentyp ist die Rahmenantenne. Die Induktivität eines geraden Leiters nimmt stark zu, wenn er sich biegt und Teil eines Lichtbogens wird. Mit zunehmender Induktivität verringert sich die Frequenz, bei der die Antenne beginnt, mit den Feldlinien zu interagieren.

Erfahrene PCB-Designer, die mit der Theorie der Schleifenantennen ziemlich vertraut sind, wissen, dass sie für kritische Signale keine Schleifen erstellen dürfen. Manche Konstrukteure denken jedoch nicht darüber nach und die Rück- und Signalstromleiter in ihren Schaltkreisen sind Schleifen. Der Aufbau von Rahmenantennen lässt sich leicht anhand eines Beispiels veranschaulichen (Abb. 8). Darüber hinaus wird hier die Erstellung einer Schlitzantenne gezeigt.

Betrachten wir drei Fälle:

Option A ist ein Beispiel für schlechtes Design. Das analoge Bodenpolygon wird überhaupt nicht verwendet. Der Schleifenkreis besteht aus einem Erdungs- und einem Signalleiter. Wenn ein Strom fließt, entsteht ein elektrisches Feld und ein dazu senkrechtes Magnetfeld. Diese Felder bilden die Grundlage einer Rahmenantenne. Die Rahmenantennenregel besagt, dass für maximale Effizienz die Länge jedes Leiters gleich der halben Wellenlänge der empfangenen Strahlung sein sollte. Allerdings sollte man nicht vergessen, dass die Rahmenantenne auch bei 1/20 der Wellenlänge noch recht effektiv ist.

Option B ist besser als Option A, aber es gibt eine Lücke im Polygon, wahrscheinlich um eine bestimmte Stelle für die Signalleitungen zu schaffen, die verlegt werden sollen. Signal- und Rückstrompfad bilden eine Schlitzantenne. In den Aussparungen rund um die Chips werden weitere Schlaufen gebildet.

Option B ist ein Beispiel für ein besseres Design. Die Signal- und Rückstrompfade überlappen sich, wodurch die Effizienz der Rahmenantenne zunichte gemacht wird. Beachten Sie, dass diese Option auch Aussparungen um die ICs aufweist, diese jedoch vom Rückstrompfad getrennt sind.

Die Theorie der Reflexion und Anpassung von Signalen steht der Theorie der Antennen nahe.

Bei einer Drehung des Leiterplattenleiters um 90° kann es zu Reflexionen kommen. Dies ist hauptsächlich auf die Änderung der Breite des aktuellen Pfades zurückzuführen. Am oberen Ende der Ecke vergrößert sich die Leiterbahnbreite um den Faktor 1.414, was zu einer Nichtübereinstimmung der Eigenschaften der Übertragungsleitung führt, insbesondere der verteilten Kapazität und der Eigeninduktivität der Leiterbahn. Sehr oft ist es notwendig, eine Leiterbahn auf einer Leiterplatte um 90° zu drehen. Viele moderne CAD-Pakete ermöglichen es Ihnen, die Ecken der gezeichneten Pfade zu glätten oder die Pfade in Form eines Bogens zu zeichnen. Abbildung 9 zeigt zwei Schritte zur Verbesserung der Eckform. Nur das letzte Beispiel hält die Leiterbahnbreite konstant und minimiert Reflexionen.

Tipp für erfahrene PCB-Layouter: Lassen Sie den Glättungsvorgang bis zum letzten Arbeitsschritt, bevor Sie Tropfen erzeugen und Polygone gießen. Andernfalls dauert die Glättung des CAD-Pakets aufgrund komplexerer Berechnungen länger.

PARASITENAUSWIRKUNGEN DER GEDRUCKTEN PLATTE

- 4 Schichten; Signal- und Massepolygonschicht liegen nebeneinander,

- Zwischenschichtabstand - 0,2 mm,

- Leiterbreite - 0,75 mm,

- Leiterlänge - 7,5 mm.

Der typische ER-Wert für FR-4 beträgt 4.5.

Wenn wir alle Werte in die Formel einsetzen, erhalten wir den Kapazitätswert zwischen diesen beiden Bussen von 1,1 pF. Selbst eine so scheinbar geringe Kapazität ist für manche Anwendungen nicht akzeptabel. Abbildung 11 zeigt die Wirkung einer 1-pF-Kapazität, wenn sie an den invertierenden Eingang eines Hochfrequenz-Operationsverstärkers angeschlossen wird.

Dieser Effekt führt zu zahlreichen Problemen, für die es jedoch viele Möglichkeiten gibt. Das offensichtlichste davon ist die Verringerung der Länge der Leiter. Eine andere Möglichkeit besteht darin, ihre Breite zu verringern. Es gibt keinen Grund, einen Leiter dieser Breite zu verwenden, um das Signal dem invertierenden Eingang zuzuführen, da Durch diesen Leiter fließt nur sehr wenig Strom. Durch die Reduzierung der Leiterbahnlänge auf 2,5 mm und der Breite auf 0,2 mm wird die Kapazität auf 0,1 pF reduziert, und eine solche Kapazität führt nicht mehr zu einer so signifikanten Erhöhung des Frequenzgangs. Eine andere Möglichkeit, das Problem zu lösen, besteht darin, einen Teil des Polygons unter dem invertierenden Eingang und den daran angrenzenden Leiter zu entfernen.

Der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers, insbesondere eines Hochgeschwindigkeits-Operationsverstärkers, ist in Schaltkreisen mit hoher Verstärkung sehr anfällig für Schwingungen. Dies liegt an der unerwünschten Kapazität der Eingangsstufe des Operationsverstärkers. Daher ist es äußerst wichtig, die parasitäre Kapazität zu reduzieren und die Rückkopplungskomponenten so nah wie möglich am invertierenden Eingang zu platzieren. Sollte es trotz der getroffenen Maßnahmen zu einer Erregung des Verstärkers kommen, ist es erforderlich, den Widerstand der Rückkopplungswiderstände proportional zu verringern, um die Resonanzfrequenz des Kreises zu ändern. Auch eine Erhöhung der Widerstände kann helfen, allerdings deutlich seltener, denn. Die Anregungswirkung hängt auch von der Impedanz des Stromkreises ab. Beim Wechsel der Rückkopplungswiderstände sollte man nicht vergessen, die Kapazität des Korrekturkondensators zu ändern. Außerdem dürfen wir nicht vergessen, dass mit abnehmendem Widerstandswert der Widerstände der Stromverbrauch der Schaltung zunimmt.

Die Breite von Leiterplattenleiterbahnen kann nicht unbegrenzt reduziert werden. Die Grenzbreite wird sowohl durch den technologischen Prozess als auch durch die Dicke der Folie bestimmt. Wenn zwei Leiter nahe beieinander verlaufen, entsteht zwischen ihnen eine kapazitive und induktive Kopplung (Abb. 12).

Die Beziehungen, die diese parasitären Effekte beschreiben, sind komplex genug, um in diesem Artikel dargestellt zu werden, sie können jedoch in der Literatur zu Übertragungsleitungen und Streifenleitungen gefunden werden.

Signalleitungen sollten nicht parallel zueinander verlegt werden, außer bei Differenz- oder Mikrostreifenverkabelung. Der Abstand zwischen den Leitern muss mindestens das Dreifache der Leiterbreite betragen.

Die Kapazität zwischen Leiterbahnen in analogen Schaltkreisen kann bei großen Widerstandswerten (mehrere MΩ) problematisch sein. Die relativ große kapazitive Kopplung zwischen den invertierenden und nichtinvertierenden Eingängen eines Operationsverstärkers kann leicht dazu führen, dass sich die Schaltung selbst erregt.

Wann immer es beim Layouten einer Leiterplatte erforderlich ist, eine Durchkontaktierung, d. h. Bei der Verschaltung (Abb. 13) ist zu beachten, dass auch parasitäre Induktivitäten entstehen. Mit einem Lochdurchmesser nach dem Galvanisieren d und einer Kanallänge h lässt sich die Induktivität nach folgender Näherungsformel berechnen:

Bei d=0,4 mm und h=1,5 mm (durchaus übliche Werte) beträgt die Induktivität des Lochs beispielsweise 1,1 nH.

Bedenken Sie, dass die Induktivität des Lochs zusammen mit der gleichen parasitären Kapazität einen Resonanzkreis bildet, der beim Arbeiten mit hohen Frequenzen beeinträchtigt werden kann. Die intrinsische Induktivität des Lochs ist recht niedrig und die Resonanzfrequenz liegt irgendwo im Gigahertz-Bereich. Wenn das Signal jedoch gezwungen wird, auf seinem Weg mehrere Durchkontaktierungen zu durchlaufen, addieren sich deren Induktivitäten (in Reihenschaltung) und die Resonanzfrequenz sinkt. Abschluss: Versuchen Sie, beim Verlegen der kritischen Hochfrequenzleiter analoger Schaltkreise eine große Anzahl von Durchkontaktierungen zu vermeiden. Ein weiteres negatives Phänomen besteht darin, dass bei einer großen Anzahl von Vias im Bodenpolygon Schleifen entstehen können. Beste analoge Verkabelung – alle Signalleiter liegen auf derselben Leiterplattenschicht.

Neben den oben diskutierten parasitären Effekten gibt es auch solche, die mit einer unzureichend sauberen Oberfläche der Platine einhergehen.

Denken Sie daran, dass bei großen Widerständen im Stromkreis besonders auf die Reinigung der Platine geachtet werden sollte. Flussmittelrückstände und Verunreinigungen müssen in der Endphase der Leiterplattenherstellung entfernt werden. In letzter Zeit werden bei der Montage von Leiterplatten häufig wasserlösliche Flussmittel verwendet. Da sie weniger schädlich sind, lassen sie sich leicht mit Wasser entfernen. Gleichzeitig kann das Waschen der Platte mit nicht ausreichend sauberem Wasser jedoch zu einer zusätzlichen Verschmutzung führen, die die dielektrischen Eigenschaften verschlechtert. Daher ist es sehr wichtig, die Leiterplatte mit hochohmigen Schaltkreisen mit frischem destilliertem Wasser zu reinigen.

SIGNALAUSKOPPLUNG

Wenn Sie eine Leiterplatte trennen müssen, die sowohl analoge als auch digitale Teile enthält, müssen Sie zumindest eine kleine Vorstellung von den elektrischen Eigenschaften der Logikelemente haben.

Eine typische Ausgangsstufe eines Logikelements enthält zwei Transistoren, die sowohl miteinander als auch zwischen den Strom- und Massekreisen in Reihe geschaltet sind (Abb. 14).

Die Situation ändert sich dramatisch, wenn die Ausgangsstufe von einem Logikzustand in einen anderen wechselt. In diesem Fall können für kurze Zeit beide Transistoren gleichzeitig geöffnet werden und der Versorgungsstrom der Ausgangsstufe steigt stark an, da der Widerstand des Abschnitts des Strompfads vom Leistungsbus zum Erdungsbus durch zwei in Reihe geschaltete Transistoren nimmt ab. Der Stromverbrauch steigt schlagartig an und sinkt dann wieder, was zu einer lokalen Änderung der Versorgungsspannung und dem Auftreten einer starken, kurzfristigen Stromänderung führt. Solche Stromänderungen führen zur Emission von HF-Energie. Selbst auf einer relativ einfachen Leiterplatte können Dutzende oder Hunderte betrachteter Ausgangsstufen von Logikelementen vorhanden sein, sodass der Gesamteffekt ihres gleichzeitigen Betriebs sehr groß sein kann.

Es ist unmöglich, den Frequenzbereich, in dem diese Stromstöße auftreten, genau vorherzusagen, da die Häufigkeit ihres Auftretens von vielen Faktoren abhängt, einschließlich der Ausbreitungsverzögerung der Schalttransistoren im Logikelement. Die Verzögerung wiederum hängt auch von vielen zufälligen Ursachen ab, die während des Produktionsprozesses auftreten. Schaltgeräusche weisen über den gesamten Bereich eine breitbandige harmonische Verteilung auf. Zur Unterdrückung von digitalem Rauschen gibt es mehrere Methoden, deren Anwendung von der spektralen Verteilung des Rauschens abhängt.

Tabelle 2 listet die maximalen Betriebsfrequenzen für gängige Kondensatortypen auf.

Tabelle 2

Typ	Maximale Frequenz
Aluminium elektrolytisch	100 кГц
Tantal elektrolytisch	1 MHz
Glimmer	500 MHz
керамический	1 GHz

Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass für Frequenzen unter 1 MHz Tantal-Elektrolytkondensatoren verwendet werden, bei höheren Frequenzen sollten Keramikkondensatoren verwendet werden. Es muss daran erinnert werden, dass Kondensatoren ihre eigene Resonanz haben und die falsche Wahl nicht nur nicht helfen, sondern das Problem auch verschlimmern kann. Abbildung 15 zeigt typische Eigenresonanzen von zwei Allzweckkondensatoren, einem 10-µF-Tantal-Elektrolytkondensator und einem 0,01-µF-Keramikkondensator.

Die tatsächlichen Spezifikationen können von Hersteller zu Hersteller und sogar von Charge zu Charge desselben Herstellers variieren. Es ist wichtig zu verstehen, dass die von ihm unterdrückten Frequenzen in einem niedrigeren Bereich als die Eigenresonanzfrequenz liegen müssen, damit der Kondensator effektiv arbeiten kann. Andernfalls ist die Reaktanz von Natur aus induktiv und der Kondensator funktioniert nicht mehr effektiv.

Machen Sie keinen Fehler, dass ein einzelner 0,1-uF-Kondensator alle Frequenzen unterdrückt. Kleine Kondensatoren (10 nF oder weniger) können bei höheren Frequenzen effizienter arbeiten.

IC-Leistungsentkopplung

Die Leistungsentkopplung integrierter Schaltkreise zur Unterdrückung von Hochfrequenzrauschen besteht aus einem oder mehreren Kondensatoren, die zwischen den Strom- und Erdungsstiften angeschlossen sind. Es ist wichtig, dass die Leiter, die die Leitungen mit den Kondensatoren verbinden, kurz gehalten werden. Ist dies nicht der Fall, spielt die Selbstinduktivität der Leiter eine erhebliche Rolle und macht die Vorteile der Verwendung von Entkopplungskondensatoren zunichte.

An jedes Gehäuse der Mikroschaltung muss ein Entkopplungskondensator angeschlossen werden, unabhängig davon, ob sich im Gehäuse 1, 2 oder 4 Operationsverstärker befinden. Wenn der Operationsverstärker von einer bipolaren Versorgung gespeist wird, müssen selbstverständlich Entkopplungskondensatoren vorhanden sein befindet sich an jedem Stromanschluss. Der Kapazitätswert muss abhängig von der Art des im Stromkreis vorhandenen Rauschens und Interferenzen sorgfältig ausgewählt werden.

In besonders schwierigen Fällen kann es erforderlich sein, eine in Reihe mit dem Leistungsausgang geschaltete Induktivität hinzuzufügen. Die Induktivität sollte vor und nicht nach den Kondensatoren platziert werden.

Eine andere, kostengünstigere Möglichkeit besteht darin, die Induktivität durch einen niederohmigen Widerstand (10 ... 100 Ohm) zu ersetzen. In diesem Fall bildet der Widerstand zusammen mit dem Entkopplungskondensator einen Niederfrequenzfilter. Diese Methode verringert den Versorgungsbereich des Operationsverstärkers, der auch stärker vom Stromverbrauch abhängig wird.

Um niederfrequentes Rauschen in Stromkreisen zu unterdrücken, reicht es normalerweise aus, einen oder mehrere Aluminium- oder Tantal-Elektrolytkondensatoren am Stromeingangsanschluss zu verwenden. Ein zusätzlicher Keramikkondensator unterdrückt hochfrequentes Rauschen von anderen Platinen.

EIN- UND AUSGABE EINZAHLUNG

In einer Situation, in der sich der Frequenzbereich des induzierten Rauschens erheblich vom Frequenzbereich des Schaltkreises unterscheidet, ist die Lösung einfach und offensichtlich – die Platzierung eines passiven RC-Filters zur Unterdrückung von Hochfrequenzrauschen. Bei der Verwendung eines passiven Filters ist jedoch Vorsicht geboten: Seine Eigenschaften (aufgrund der Unvollkommenheit der Frequenzeigenschaften passiver Komponenten) verlieren ihre Eigenschaften bei Frequenzen, die 100 ... 1000-mal höher sind als die Grenzfrequenz (f_3db). Bei der Verwendung von in Reihe geschalteten Filtern, die auf unterschiedliche Frequenzbereiche abgestimmt sind, sollte der Hochpassfilter am nächsten zum Störer liegen. Ferrit-Induktivitäten können auch zur Rauschunterdrückung eingesetzt werden; Sie behalten die induktive Natur des Widerstands bis zu einer bestimmten spezifischen Frequenz bei und werden darüber hinaus aktiv.

Die Störungen auf dem analogen Stromkreis können so groß sein, dass sie nur durch den Einsatz von Bildschirmen beseitigt (oder zumindest reduziert) werden können. Um effektiv zu funktionieren, müssen sie sorgfältig ausgelegt sein, damit die Frequenzen, die die meisten Probleme verursachen, nicht in den Stromkreis gelangen können. Das bedeutet, dass die Abschirmung keine Löcher oder Aussparungen aufweisen darf, die größer als 1/20 der Wellenlänge der abgeschirmten Strahlung sind. Es ist eine gute Idee, gleich zu Beginn des PCB-Designs ausreichend Platz für den vorgesehenen Bildschirm einzuplanen. Bei Verwendung einer Abschirmung können Sie zusätzlich Ferritringe (oder -perlen) für alle Verbindungen zum Stromkreis verwenden.

OP-AMP-KÖRPER

Bei einem einzelnen Operationsverstärker befindet sich der Ausgang auf der gegenüberliegenden Seite der Eingänge. Dies kann aufgrund der Länge der Rückkopplungskabel den Betrieb des Verstärkers bei hohen Frequenzen erschweren. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, die Verstärker- und Rückkopplungskomponenten auf gegenüberliegenden Seiten der Leiterplatte zu platzieren. Dadurch entstehen jedoch mindestens zwei zusätzliche Löcher und Aussparungen im Bodenpolygon. Manchmal lohnt es sich, zur Lösung dieses Problems einen Doppel-Operationsverstärker zu verwenden, auch wenn der zweite Verstärker nicht verwendet wird (und seine Ausgänge ordnungsgemäß angeschlossen sein müssen). Abbildung 17 zeigt die Verkürzung der Rückkopplungsschleifendrähte für eine invertierende Verbindung.

Dual- und Quad-Operationsverstärker ermöglichen zusätzlich zu den oben genannten eine engere Montage. Einzelne Verstärker sind sozusagen gespiegelt zueinander (Abb. 18).

Die Abbildungen 17 und 18 zeigen nicht alle Anschlüsse, die für den Normalbetrieb erforderlich sind, beispielsweise für einen Mitteltöner mit einer einzigen Versorgung. Abbildung 19 zeigt ein Diagramm eines solchen Treibers bei Verwendung eines Quad-Verstärkers.

Das Diagramm zeigt alle notwendigen Anschlüsse für die Realisierung von drei unabhängigen Invertierungsstufen. Es ist darauf zu achten, dass sich die Leiter des Halbspannungstreibers direkt unter dem Gehäuse der integrierten Schaltung befinden, was eine Reduzierung ihrer Länge ermöglicht. Dieses Beispiel zeigt nicht, wie es sein sollte, sondern was getan werden sollte. Die mittlere Spannung könnte beispielsweise für alle vier Verstärker gleich sein. Passive Komponenten können entsprechend dimensioniert werden. Planare Komponenten der Größe 0402 entsprechen beispielsweise dem Pinabstand eines Standard-SO-Gehäuses. Dadurch kann die Länge der Leiter für Hochfrequenzanwendungen sehr kurz sein.

Zu den Operationsverstärker-Gehäusetypen gehören hauptsächlich DIP (Dual-in-Line) und SO (Small-Outline). Mit abnehmender Gehäusegröße verringert sich auch der Leitungsabstand, was die Verwendung kleinerer passiver Komponenten ermöglicht. Durch die Verkleinerung der gesamten Schaltung werden parasitäre Induktivitäten reduziert und der Betrieb bei höheren Frequenzen ermöglicht. Dies führt jedoch auch zu einem stärkeren Übersprechen aufgrund einer erhöhten kapazitiven Kopplung zwischen Komponenten und Leitern.

VOLUMETRISCHE UND OBERFLÄCHENMONTAGE

Darüber hinaus erhöhen sich bei der Verwendung von Zusatzkomponenten die Abmessungen der Platine und die Länge der Leiter, wodurch ein Betrieb der Schaltung bei hohen Frequenzen nicht möglich ist. Die Vias verfügen über eine eigene Induktivität, wodurch auch die dynamischen Eigenschaften der Schaltung eingeschränkt werden. Daher werden Steckkomponenten nicht für Hochfrequenzschaltungen oder für analoge Schaltungen in der Nähe von Hochgeschwindigkeits-Logikschaltungen empfohlen.

Um die Länge der Leiter zu reduzieren, platzieren einige Designer die Widerstände vertikal. Auf den ersten Blick mag es so aussehen, als würde sich dadurch die Streckenlänge verkürzen. Dadurch erhöht sich jedoch der Strompfad durch den Widerstand, und der Widerstand selbst ist eine Schleife (Induktivitätsspule). Die Abstrahl- und Empfangsleistung erhöht sich um ein Vielfaches.

Bei der Oberflächenmontage ist nicht für jeden Stift der Komponente ein Loch erforderlich. Allerdings gibt es beim Testen einer Schaltung Probleme und man muss Vias als Testpunkte verwenden, insbesondere bei der Verwendung kleiner Bauelemente.

NICHT VERWENDETE OU-ABSCHNITTE

FAZIT

• Stellen Sie sich die Leiterplatte als eine Komponente eines elektrischen Schaltkreises vor.
• eine Vorstellung und ein Verständnis für die Quellen von Lärm und Störungen haben;
• Modell- und Layoutschaltungen.

Leiterplatte:

• verwenden Sie Leiterplatten nur aus hochwertigem Material (z. B. FR-4);
• Schaltkreise auf mehrschichtigen Leiterplatten sind um 20 dB weniger anfällig für äußere Störungen als Schaltkreise auf zweischichtigen Leiterplatten;
• Verwenden Sie separate, sich nicht überlappende Polygone für verschiedene Länder und Feeds.
• Platzieren Sie die Erdungs- und Strompolygone auf den inneren Schichten der Leiterplatte.

Компоненты:

• Beachten Sie die Frequenzbeschränkungen, die durch die passiven Komponenten und Leiterbahnen der Platine entstehen.
• Versuchen Sie, die vertikale Platzierung passiver Komponenten in Hochgeschwindigkeitsschaltungen zu vermeiden.
• Verwenden Sie für Hochfrequenzschaltungen Komponenten, die für die Oberflächenmontage vorgesehen sind.
• Leiter sollten je kürzer sein, desto besser;
• Wenn eine längere Leiterlänge erforderlich ist, verringern Sie die Breite.
• Nicht verwendete Leitungen aktiver Komponenten müssen ordnungsgemäß angeschlossen werden.

• Platzieren Sie den analogen Schaltkreis in der Nähe des Stromanschlusses.
• Verlegen Sie niemals Kabel mit Logiksignalen durch den analogen Bereich der Platine und umgekehrt.
• Machen Sie die Leiter kurz, die für den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers geeignet sind.
• Stellen Sie sicher, dass die Leiter der invertierenden und nicht invertierenden Eingänge des Operationsverstärkers nicht über eine lange Strecke parallel zueinander verlaufen.
• Versuchen Sie, die Verwendung zusätzlicher Durchkontaktierungen zu vermeiden, denn ihre eigene Induktivität kann zu zusätzlichen Problemen führen;
• Verlegen Sie die Leiter nicht im rechten Winkel und glätten Sie die Ecken nach Möglichkeit.

Austausch:

• Verwenden Sie die richtigen Kondensatortypen, um Störungen in Stromkreisen zu unterdrücken.
• Um niederfrequente Störungen und Rauschen zu unterdrücken, verwenden Sie Tantalkondensatoren am Stromeingangsanschluss.
• Um hochfrequente Störungen und Rauschen zu unterdrücken, verwenden Sie Keramikkondensatoren am Stromeingangsanschluss.
• Verwenden Sie an jedem Leistungsausgang der Mikroschaltung Keramikkondensatoren. ggf. mehrere Kondensatoren für unterschiedliche Frequenzbereiche verwenden;
• Wenn im Stromkreis eine Erregung auftritt, müssen Kondensatoren mit einem kleineren Kapazitätswert und nicht mit einem größeren verwendet werden.
• Verwenden Sie in schwierigen Fällen in Stromkreisen in Reihe geschaltete Widerstände mit kleinem Widerstand oder geringer Induktivität.
• Analoge Leistungsentkopplungskondensatoren sollten nur an die analoge Masse angeschlossen werden, nicht an die digitale Masse.

GUI-gesteuerte digitale Leistungsregler für Point-of-Load-Systeme 27.12.2006

Texas Instruments hat neue Fusion Digital Power-Produkte vorgestellt, die digitale Power-Management-Systeme für Telekommunikations- und Datenverarbeitungsgeräte umfassen.

Die einphasigen UCD9111- und die zweiphasigen UCD9112-Controller bieten eine digitale Pulsweitenmodulation von 175 ps und sind vollständig von einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) gesteuert. Sie können die Konvertierung ohne spezielle Leitung oder Software steuern.

Die GUI-Konfiguration ermöglicht Entwicklern die intelligente Steuerung der Versorgungsspannung, des Antriebsstroms, der Rückmeldung, des Sanftanlaufs und vieler anderer Funktionen. Die UCD9111 und UCD9112 verfügen über integrierte periphere Steueralgorithmen. Die Algorithmen und Peripheriegeräte bilden einen vollständig digitalen Regelkreis, der Geräte bis zu 2 MHz unterstützt.

Die Controller-Architektur ist für hohe Leistung optimiert und verfügt über Funktionen wie differenzielle Spannungsrückkopplung für Gleichtaktunterdrückung und 175-ps-PWM für breite Eingangs- und Ausgangsspannungsbereiche in Hochfrequenzanwendungen. Darüber hinaus unterstützen UCD9111 und UCD9112 bis zu 80 PMBusTM-Schnittstellenbefehle zur Steuerung der Stromversorgung mit einem Mindeststrombedarf von 7 mA.