Практическое руководство по разработке печатных плат для высокочастотных схем. Делаем печатную плату

Sprint-Layout
Программа с простым и понятным интерфейсом предназначена для конструирования печатных плат, имеющих невысокую сложность. Используется любителями радиоэлектроники при создании плат для электронных устройств с целью автоматизации процесса проектирования.

Eagle
Популярная компьютерная программа, специально созданная для новичков и любителей радиоэлектроники. Позволяет вычерчивать принципиальные электрические схемы и печатные платы не выше средней сложности.

Отечественная русскоязычная программа предназначена как для профессионалов, так и радиолюбителей. Применяется для создания плат в ручном или автоматическом режиме. Распространяется в 2 версиях - бесплатной (с ограничениями) и платной.

Бесплатная, простая в изучении и работе программа предназначена для ручного конструирования плат, имеющих малую и среднюю сложность. Имеется возможность помимо встроенной библиотеки электронных компонентов, создавать собственную базу, что сделало ее популярной среди радиолюбителей.

Altium Designer
Профессиональное программное обеспечение для создания широкого спектра электронных плат и устройств различной сложности. Позволяет на высоком уровне осуществлять разработку и проектирование печатных плат. Применяется во многих отраслях промышленности, занимающихся электронными устройствами.

FreePCB
Программный продукт, который широко используют профессионалы при разработке и конструировании печатных плат различной сложности. Распространяется бесплатно, что позволяет использовать ПО на многих предприятиях народного хозяйства и в частных компаниях, которые занимаются выпуском электронных устройств.

Kicad
Бесплатная русскоязычная профессиональная программа, позволяющая разрабатывать печатные платы и электрические схемы малой, средней и высокой сложности. Создавать платы и размещать на них компоненты можно в ручном и автоматическом режиме.

DesignSpark PCB
Бесплатная программа, которая позволяет разрабатывать электрические схемы и печатные платы электронных устройств на профессиональном уровне. Программа снабжена мощной библиотекой электронных компонентов и имеет функцию автотрассировки.

PCB123
Программный продукт с помощью которого любители и профессионалы могут осуществлять проектирование и разработку схем и плат любой сложности с созданием трехмерного изображения. Программа распространяется бесплатно.

TopoR
Платная высокопроизводительная программа, выпущенная отечественным производителем, предназначена для проектирования и изготовления плат любой сложности. Внешний вид получаемой платы можно наглядно увидеть на трехмерном изображении, которое можно построить в этой же программе.

EDWinXP
Платное профессиональное программное обеспечение, применяемое для проектирования плат и разработки электронных устройств различной сложности. Программу можно загрузить и бесплатно, но время действия такой программы ограничено (14дней).

P-CAD
Мощная и одна из самых первых профессиональных автоматизированных программ по проектированию печатных плат. Позволяет проектировать платы любой сложности. В настоящее время используется версия программы, которая была выпущена в 2006 году.

Платная профессиональная программа, создана для проектирования как легких, так и сложных односторонних, двухсторонних и многослойных плат. Функции, которые имеются в программе, позволяют моделировать, проводить различные проверки и полностью подготовить плату к производству. Существует ознакомительная версия программы, которая ограничена количеством дней ее применения (30).

Основные правила разработки плат

Проектировать печатные платы наиболее удобно в масштабе 1:1 на миллиметровке или другом материале, на котором нанесена сетка с шагом 5 мм (например, на тетрадном листе). Все отверстия под выводы деталей в печатной плате целесообразно размещать в узлах сетки, что соответствует шагу
2,5 мм на реальной плате. С таким шагом расположены выводы у большинства микросхем в пластмассовом корпусе, у многих транзисторов и других радиокомпонентов. Меньшее
расстояние между отверстиями следует выбирать лишь в тех случаях, когда это крайне необходимо.
Сначала вам надо примерно расставить детали. В первую очередь рисуете точки под выводы микросхемы, потом располагаете мелкие элементы - резисторы, конденсаторы,
а далее большие - реле и т.п. Их размещение обычно связаж с общей конструкцией устройства, определяемой размерам! имеющегося корпуса или свободного места в нем. Часто, осо
бенно при разработке портативных приборов, размеры корпуса определяют по результатам разводки печатной платы Иногда приходится переделывать рисунок печатных провод
ников несколько раз, чтобы получить желаемый результат минимизацию и функциональность.
Если в вашей самоделке не более пяти микросхем, все печатные проводники обычно уцается разместить на одной стороне платы и обойтись небольшим числом проверочных
перемычек, впаянных со стороны деталей.

Попытки изготовить одностороннюю печатную плату для большего числа
цифровых микросхем приводят к резкому увеличению
трудоемкости разводки и чрезмерно большому числу перемычек. В этих
случаях разумнее перейти к двусторонней печатной плате.
Мы будем называть ту сторону платы, где размещены
печатные проводники, стороной проводников, а обратную -
стороной деталей, даже если на ней вместе с деталями
проложена часть проводников. Особый случай представляют
платы, у которых и проводники, и детали размещены на
одной стороне, причем детали припаяны к проводникам без
отверстий. Платы такой конструкции применяют редко.
Микросхемы размещают так, чтобы все соединения на плате
были как можно короче, а число перемычек было
минимальным. В процессе разводки проводников взаимное
размещение микросхем приходится менять не один раз.
Рисунок печатных проводников аналоговых устройств
любой сложности обычно удается расположить на одной
стороне платы. Аналоговые устройства, работающие со
слабыми сигналами, и цифровые на быстродействующих
микросхемах (например, серий КР531, КР1531, К500, КР1554)
независимо от частоты их работы целесообразно собирать
на платах с двусторонним фольгированием. Фольга той
стороны платы, где располагают детали, будет играть роль
общего провода и экрана. Фольгу общего провода не следует
использовать в качестве проводника для большого тока,
например, от выпрямителя блока питания, от выходных
ступеней, от динамической головки.

Далее можно начинать собственно разводку. Лучше заранее измерить и записать размеры мест, занимаемых элементами. Резисторы МЛТ-0,125 устанавливают рядом, соблюдая
расстояние между их осями 2,5 мм, а между отверстиями под
выводы одного резистора - 10 мм. Так же размечают места
%ля чередующихся резисторов МЛТ-0,125 и МЛТ-0,25 либо
цвух резисторов МЛТ-0,25, если при монтаже слегка отогнуть
один от другого (три таких резистора поставить вплотную к
плате уже не удастся). С такими же расстояниями между
выводами и осями элементов устанавливают большинство
малогабаритных диодов и конденсаторов КМ-5 и КМ-6, вплоть до
КМ-66 емкостью 2,2 мкФ. «Толстые» детали (более 2,5 мм)
следует чередовать с «тонкими». Расстояние между
контактными площадками той или иной детали можно увеличить,
если это необходимо.
В этой работе удобно использовать небольшую пластину-
шаблон из стеклотекстолита или другого материала, в
которой с шагом 2,5 мм насверлены рядами отверстия диаметром
1-1,1 мм. На ней можно применить возможное
расположение элементов относительно друг друга.
Если резисторы, диоды и другие детали с осевыми
выводами располагать перпендикулярно печатной плате, можно
существенно уменьшить ее площадь, однако рисунок печатных
проводников усложнится. При разводке следует учитывать
ограничения числа проводников, умещающихся между
контактными площадками, предназначенными для подпайки
выводов радиоэлементов. Для большинства деталей диаметр
отверстий под выводы может быть равен 0,8 мм. Ограничения
на число проводников для типичных вариантов расположения
контактных площадок с отверстиями такого диаметра
приведены на рис. 8.1 (сетка соответствует шагу 2,5 мм на плате).
Между контактными площадками отверстий с
межцентровым расстоянием 2,5 мм провести проводник практически
нельзя. Однако, если у одного или обоих отверстий такая
площадка отсутствует (например, у неиспользуемых выводов
микросхемы), это сделать можно (см. рис. 8.1 - сверху по центру).
Вполне возможна прокладка проводника между контактной
площадкой и краем платы, через который на расстоянии
2,5 мм проходит центр этой площадки (см. рис. 8.1 - справа).

Микросхемы, у которых выводы расположены в
плоскости корпуса (серии 133, К134 и др.)» можно смонтировать,
предусмотрев для этого соответствующие фольговые
контактные площадки с шагом 1,25 мм, однако это заметно
затрудняет и разводку, и изготовление платы. Целесообразнее
чередовать подпайку выводов микросхемы к прямоугольным
площадкам со стороны деталей и к круглым площадкам через
отверстия - на противоположной стороне (рис. 8.2 -
ширина выводов микросхемы показана не в масштабе). Плата
здесь - двусторонняя.

Подобные микросхемы, имеющие длинные выводы
(например, серии 100), можно монтировать так же, как
пластмассовые, изгибая выводы и пропуская их в отверстия
платы. Контактные площадки в этом случае располагают в
шахматном порядке (рис. 8.3).

При разработке двусторонней платы надо постараться, чтобы на стороне деталей осталось как можно меньше соединений. Это облегчит исправление возможных ошибок, налаживание устройства и, если необходимо, его модернизацию. Под корпусами микросхем проводят общий провод и провод питания, но подключать их нужно только к выводам питания микросхем. Проводники к входам микросхем, подключаемым к цепи питания или общему проводу, прокладывают на стороне проводников, причем так, чтобы их можно было легко перерезать при налаживании или усовершенствовании устройства. Если же устройство настолько сложно, что на стороне деталей приходится прокладывать и проводники сигнальных цепей, позаботьтесь о том, чтобы любой из них был доступен для подключения к нему и перерезания. При разработке радиолюбительских двусторонних печатных плат нужно стремиться избегать специальных перемычек между сторонами платы, используя для этого контактные площадки соответствующих выводов монтируемых деталей. Выводы в этих случаях пропаивают с обеих сторон платы. На сложных платах иногда удобно подпаивать некоторые детали непосредственно к печатным проводникам. Когда в качестве общего провода используется сплошной слой фольги, отверстия под выводы, не подключаемые к этому проводу, следует раззенковать со стороны деталей. Обычно узел, собранный на печатной плате, подключают к другим узлам устройства гибкими проводниками. Чтобы не испортить печатные проводники при многократных перепайках, желательно на плате в точках соединений сделать контактные стойки (удобно использовать штыревые контакты диаметром 1 и 1,5 мм). Стойки вставляют в отверстия, просверленные точно по диаметру, и пропаивают. На двусторонней печатной плате контактные площадки для распайки каждой стойки должны быть на обеих сторонах. Предварительную разводку проводников удобно выполнять мягким карандашом на листе гладкой бумаги. Сторону печатных проводников рисуют сплошными линиями, обратную сторону - штриховыми, чтобы не путаться. По окончании разводки и корректировки чертежа под него кладут копировальную бумагу красящим слоем вверх и красной или зеленой шариковой ручкой обводят контуры платы, а также проводники и отверстия, относящиеся к стороне деталей. В результате на обороте листа получится рисунок проводников для стороны деталей. Далее из фольгированного материала следует вырезать заготовку соответствующих размеров и разметить ее с помощью штангенциркуля сеткой с шагом 2,5 мм. Кстати, размеры платы удобно выбрать кратными 2,5 мм. - в этом случае размечать ее можно с четырех сторон. Если плата должна иметь какие-либо вырезы, их делают после разметки. Двустороннюю плату размечают со стороны, где проводников больше. После этого фломастером размечают «по клеточкам» центры всех отверстий, накалывают их шилом и сверлят все отверстия сверлом диаметром 0,8 мм. Для сверления плат удобно пользоваться самодельной миниатюрной электродрелью, которую можно купить на радиорынке. Обычные стальные сверла при обработке стеклотекстолита довольно быстро тупятся; затачивают их небольшим мелкозернистым бруском, не вынимая сверла из патрона. После сверления платы заусенцы с краев отверстий снимают сверлом большего диаметра или мелкозернистым бруском. Плату обезжиривают, протерев салфеткой, смоченной спиртом или ацетоном, после чего, ориентируясь на положение отверстий, переносят на нее нитрокраской рисунок печатных проводников в соответствии с чертежом. Для этого обычно используют стеклянный рейсфедер, но лучше изготовить простой самодельный чертежный инструмент. К концу обломанного ученического пера припаять укороченную до 10-15 мм инъекционную иглу диаметром 0,8 мм. Рабочую часть иглы надо зашлифовать мелкозернистой наждачной бумагой. В воронку инструмента каплями заливают нитрокраску и, осторожно взяв ее в губы, слегка дуют, для того чтобы краска прошла через канал иглы. После этого надо лишь следить за тем, чтобы воронка была наполнена краской не менее чем наполовину. Нужную густоту краски определяют опытным путем по качеству проводимых линий. При необходимости ее разбавляют ацетоном или растворителем 647. Если же надо сделать краску более густой, ее оставляют на некоторое время в открытой посуде. В первую очередь рисуют контактные площадки, затем проводят соединения между ними, начиная с тех участков, где проводники расположены тесно. После того как рисунок в основном готов, следует по возможности расширить проводники общего провода и питания, что уменьшит их сопротивление и индуктивность, а значит, повысит стабильность работы устройства. Целесообразно также увеличить контактные площадки, особенно те, к которым будут припаяны стойки и крупногабаритные детали. Для защиты больших поверхностей фольги от травильного раствора их заклеивают любой липкой пленкой. Если вы ошиблись при нанесении рисунка, не торопитесь сразу же все исправлять - поверх неверно нанесенного проводника проложите правильный, а лишнюю краску удалите при окончательном исправлении рисунка (его проводят, пока краска не засохла). Острым скальпелем или бритвой прорезают удаляемый участок по границам, после чего его выскребают. Специально сушить нитрокраску после нанесения рисунка не нужно. Пока вы исправляете плату, отмываете инструмент - краска просохнет.

Чтобы получить проводники после нанесения рисунка на фольгу, плату следует вытравить. Основным материалом для травления служит раствор хлорного железа. Для его получения нужно насыпать в стакан примерно 3/4 порошка хлорного железа и залить теплой водой. Для травления используйте стеклянную или пластмассовую посуду, например фотографическую кювету. Положите плату в раствор рисунком вверх, чтобы вся поверхность платы была залита раствором. Процесс травления ускоряется, если сосуд покачивать или подогревать. При травлении образуются ядовитые испарения, поэтому работайте либо в хорошо проветриваемом помещении, либо на открытом воздухе. Периодически проверяйте состояние платы, приподнимая ее для осмотра деревянными или пластмассовыми палочками - металлические инструменты и приспособления для этой цели применять нельзя. Убедившись в том, что фольга в незащищенных местах полностью исчезла, прекратите процесс травления. Перенесите плату, например с помощью бельевой прищепки, под струю проточной воды и тщательно промойте, после чего просушите ее при комнатной температуре. Если вы собираетесь использовать раствор повторно, слейте его в плотно закрывающуюся посуду и храните в прохладном темном месте. Учтите, что при повторном использовании эффективность раствора снижается. При работе с раствором хлорного железа помните, что он не должен попадать на руки и другие открытые части тела, а также на поверхности ванн и раковин, поскольку на последних могут остаться трудно смываемые желтые пятна. Раствор хлорного железа можно изготовить и другим способом: обработать железные опилки соляной кислотой. Возьмите 25 весовых частей 10-процентной соляной кислоты и смешайте с одной весовой частью железных опилок. Выдержите смесь в плотно закрытой посуде в темном месте 5 суток. Переливая раствор в сосуд для травления, не взбалтывайте его: осадок должен остаться в той посуде, в которой раствор готовился. Длительность процесса травления платы в растворе хлорного железа обычно составляет 40-50 минут и зависит от концентрации раствора, его температуры, толщины фольги. Растворы для травления плат можно приготовить не только на основе хлорного железа. Для многих радиолюбителей более доступным может оказаться водный раствор медного купороса и поваренной соли. Приготовить его нетрудно - растворите в 500 мл горячей воды (температура около 80 °С) 4 столовые ложки поваренной соли и 2 столовые ложки растолченного в порошок медного купороса. Эффективность раствора повышается, если его выдержать в течение 2-3 недель. Время травления платы в таком растворе - три часа и более. Значительного сокращения периода травления можно добиться, используя растворы на основе кислот. Процесс травления платы, например, в концентрированном растворе азотной кислоты, длится всего 5-7 минут. После травления плату тщательно промойте водой с мылом. Хорошие результаты дает применение раствора соляной кислоты и перекиси водорода. Для его приготовления возьмите 20 частей (по объему) соляной кислоты плотностью 1,19 г/см3, 40 частей аптечной перекиси водорода и 40 частей воды. Сначала смешайте воду с перекисью водорода, затем осторожно добавьте кислоту. Рисунок в этом случае делается нитрокраской. Растворы на основе кислот заливайте в стеклянную или керамическую посуду, работайте с ними только в хорошо проветриваемых помещениях. Представляет интерес способ гальванического травления плат. Для этого потребуется источник постоянного тока напряжением 25-30 В и концентрированный раствор поваренной соли. При помощи зажима «крокодил» соедините положительный полюс источника с не закрашенными участками фольги платы, а к оголенному и свернутому в петлю концу провода, идущему от отрицательного полюса источника, прикрепите ватный тампон, обильно пропитанный раствором соли. Перемещайте его по поверхности платы, слегка прижимая к фольге. Движение тампона должно напоминать вырисовывание цифры 8. Фольга при этом будет как бы «смываться». По мере загрязнения меняйте вату.

Радиолюбители советуют

Довольно быстро изготавливать печатные платы, используя лазерный принтер (или копир), утюг и пленку фирмы Techniks или DynaArt (все остальное - фольгированный текстолит, хлорное железо, сверла - как обычно), предлагают нам профессиональные радиолюбители. Пленка и утюг нужны для того, чтобы перенести рисунок печатной платы на медь. Подготовив рисунок печатной платы с помощью любого пакета для разработки печатных плат или какого-нибудь редактора для рисования картинок, делаем пробную печать. Выводим на чистый лист изображение печатной платы. Затем вырезаем из пленки фрагмент с запасом около 1 см с каждой стороны. Приклеиваем его скотчем глянцевой стороной к бумаге поверх рисунка. Вставляем лист с пленкой в принтер и печатаем еще раз. Получаем пленку с нанесенным на нее изображением печатной платы. Затем готовим текстолит. По-моему, для этого великолепно подходит чистящее средство «Суржа» (не пренебрегайте элементарными нормами безопасности - используйте резиновые перчатки). После промывания и высушивания платы прикладываем к ней тонером пленку и проглаживаем утюгом в течение 1,5-4 минут при температуре 135-160 °С. Когда плата остывает, под струей воды аккуратно снимаем пленку- рисунок перенесен. Осматриваем плату и при наличии огрехов подправляем их спиртовым маркером. Теперь можно травить с помощью раствора хлорного железа. Очистить тонер с готовой платы можно старым лезвием, пользуясь им как скребком. Для производства двусторонних печатных плат подойдет этот же метод. Для совмещения слоев можно применить такую хитрость: нарисовать три опорные точки на обоих слоях в одном и том же месте - лучше всего по периметру платы. После переноса первого слоя сверлим в этих точках отверстия. Совмещаем точки на пленке для второй стороны с отверстиями. Для пленки Techniks этот вариант не подходит, так как она непрозрачная. Можно сделать так: на рисунке печатной платы добавляются 4 параллельные линии в обоих слоях на расстоянии 5 мм от границы платы. После переноса первого слоя прикладываем линейку поверх линии и продлеваем до конца заготовки. Делаем отметку на торцах заготовки и переносим линии на другую сторону платы. Совмещается вторая пленка с линиями - можно переводить второй слой. Качество таких плат очень хорошее. Существует технология изготовления печатных плат с помощью обычной чертежной кальки. Она мало отличается от технологии со специальной пленкой. Перед применением кальку необходимо пропустить через принтер или прогладить утюгом для устранения термоусадки. Дальше - все аналогично. После остывания плату с тонером и калькой опускаем в теплую воду, ждем, пока калька размокнет, и аккуратно тряпочкой скатываем бумагу. После этого подправляем маркером. Надо отметить, что качество плат при этом несколько хуже, но значительно дешевле. Для нанесения рисунка на плату можно пользоваться и спиртовым маркером (лучше всего немецким), но это подходит лишь для простых плат в единичном экземпляре. Качество - как с калькой, а трудностей - неизмеримо больше. Но для простых вещей подойдет.

Компоновка радиодеталей на плате

В статье рассматривается топология высокочастотных плат с практической точки зрения. Основная ее цель - помочь новичкам прочувствовать множество моментов, которые должны быть учтены при разработке печатных плат (ПП) для высокочастотных устройств. Она также будет полезна и для повышения квалификации тех специалистов, у кого был перерыв в разработке плат. Основное внимание уделено способам улучшения характеристик схем, ускорению времени их разработки и внесения изменений.

Рассмотренные вопросы и предлагаемые методики применимы к топологии высокочастотных схем вообще. Когда операционный усилитель (ОУ) работает на высоких частотах, основные характеристики схемы зависят от топологии ПП. Даже при качественном проектировании работа схемы может оказаться посредственной из-за плохо продуманной или неаккуратной печатной платы. Быть уверенным в том, что схема покажет расчетные параметры, можно, только продумав заранее и обращая внимание на основные моменты в течение всего процесса разработки топологии ПП.

Схема

Хорошая схема - это необходимое, но не достаточное условие хорошей топологии. При ее проектировании не стоит скупиться на дополнительную информацию на чертеже, и внимательно отслеживать направление прохождения сигнала. Непрерывность прохождения сигнала слева направо, скорее всего, даст тот же эффект и на печатной плате. Максимум полезной информации в схеме обеспечит оптимальную работу разработчиков, техников, инженеров, которые будут весьма признательны вам, а заказчикам в случае возникновения каких-либо трудностей не придется срочно разыскивать разработчика.

Какую информацию, помимо обычных позиционных обозначений, рассеиваемой мощности и допусков, наносить на схему? Вот несколько советов, как из обычной схемы сделать суперсхему: добавьте формы сигналов, механическую информацию о корпусах или размерах, укажите длину дорожек, площади, где нельзя размещать детали, детали, которые должны быть на верхней стороне ПП; добавьте инструкцию по настройке, диапазоны номиналов элементов, тепловую информацию, линии согласованных импедансов, краткие определения работы схемы и так далее.

Никому не доверяйте

Если вы сами не занимаетесь топологией, выделите достаточно времени, чтобы вместе с разработчиком топологии пройтись вдоль и поперек схемы. Намного проще и быстрее уделить внимание топологии вначале, чем впоследствии заниматься бесконечными доработками. Не рассчитывайте, что разработчик топологии умеет читать ваши мысливводные и руководство наиболее важны в начале процесса разводки платы. Чем больше информации и участия в процессе разводки, тем лучше получится плата. Укажите разработчику промежуточные этапы, на которых вы хотите ознакомиться с процессом разводки. Эти «контрольные точки» предохраняют плату от далеко зашедших ошибок и минимизируют исправления топологии.

Указания разработчику должны включать: краткое описание функций схемы; эскиз платы, на которой показаны расположения входов и выходов; конструктив (stack up) платы (т. е. толщина платы, количество слоев, подробности сигнальных слоев и сплошных слоев - питания, земли - аналоговой, цифровой, высокочастотной); сигналы, которые должны быть на каждом слое; размещение критичных элементов; точное размещение развязывающих элементов; критичные дорожки; линии с согласованным импедансом; дорожки одинаковой длины; размеры элементов; дорожки вдали (или вблизи) друг от друга; цепи ближе (или дальше) друг от друга; элементы вблизи (или вдали) друг от друга; элементы на верхней и на нижней стороне платы. Никто не обвинит вас в излишке информации, если слишком мало - пожалуются, наоборот - никогда.

Расположение, расположение и еще раз расположение

При размещении схемы на плате важно все: от компоновки отдельных элементов до выбора того, какие цепи должны быть расположены рядом.

Обычно определяется местоположение входов, выходов и питания. Особое внимание следует уделить топологии: расположению критических элементов - как отдельных цепей, так и схемы в целом. Определение местоположения основных компонентов и путей прохождения сигнала с самого начала дает уверенность, что схема будет работать как положено. Это позволяет уменьшить стоимость, решить проблемы и сократить сроки разводки.

Развязка цепей питания

Развязка источника питания на выводах питания усилителя для минимизации шумов является критическим аспектом процесса разработки ПП - как для схем с высокоскоростными ОУ, так и для других высокочастотных схем. Обычно для развязки высокоскоростных ОУ применяется одна из двух конфигураций.

Между шиной питания и землей

Этот метод в большинстве случаев работает лучше и позволяет использовать конденсаторы, параллельно подключенные от выводов питания ОУ напрямую к земле. Обычно достаточно двух, но некоторые схемы выигрывают от нескольких параллельно соединенных конденсаторов.

Параллельное соединение конденсаторов с разной емкостью дает уверенность, что на выводах питания будет низкий импеданс по переменному току вшироком диапазоне частот. Это особенно важно, когда коэффициент влияния нестабильности источника питания (PSR) падает - конденсаторы компенсируют усилителю такое снижение. Обеспечение низкого импеданса пути к земле для многих декад частоты не дает нежелательным помехам попасть в ОУ. На рис. 1 показаны преимущества этого метода. На низших частотах конденсаторы с большой емкостью оказывают малое сопротивление цепи к земле. При частоте собственного резонанса конденсатора качество конденсатора ухудшается, и он становится индуктивностью. Поэтому важно использовать множество конденсаторов: когда частотная характеристика одного падает, другой становится значимым, обеспечивая низкий импеданс по переменному току в диапазоне многих декад частоты.

Рис. 1. Зависимость импеданса конденсатора от частоты

Непосредственно вблизи выводов питания ОУ конденсатор с меньшей емкостью и меньшими геометрическими размерами следует расположить на той же стороне, что и ОУ - и как можно ближе к усилителю. Сторону земли конденсатора необходимо подсоединить к слою земли с минимальными длинами вывода и дорожки. Соединение должно быть как можно ближе к нагрузке усилителя, чтобы минимизировать помехи между шинами питания и землей. Рис. 2 иллюстрирует эту методику.

Рис. 2. Подсоединение шин питания к земле параллельными конденсаторами

Этот процесс следует повторить со следующим по емкости конденсатором. Хорошее правило - начинать с конденсатора наименьшей емкости - 0,01 мкФ и далее переходить к оксидному конденсатору емкостью 2,2 мкФ с малым ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Первый из указанных в корпусе 0508 имеет малую последовательную индуктивность и отличные высокочастотные параметры.

Между одной и другой шиной

Альтернативной конфигурацией является использование одного или более конденсаторов, подключенных между положительной и отрицательной шинами питания ОУ. Этот способ используется, когда трудно установить все четыре конденсатора в схему. Недостатком является увеличение размеров конденсаторов, так как напряжение на них удваивается по сравнению с блокировкой каждого источника по отдельности. В этом случае требуется конденсатор с большим напряжением пробоя, что приводит к увеличению его размера. Однако этот вариант улучшает как PSR, так и характеристики по искажениям.

Так как каждая схема и ее топология имеют различия, то конфигурация, число и емкости конденсаторов определятся конкретными требованиями схемы.

где C - емкость; A - площадь обкладки в см²; k - относительная диэлектрическая проницаемость материала платы; и d - расстояние между обкладками в см.

Рис. 5. Емкость плоскопараллельного конденсатора

Следует рассмотреть также и индуктивность полоски проводника, возникающей изза чрезмерной длины дорожки и недостатка земляного слоя. Уравнение 2 дает формулу индуктивности дорожки (рис. 6):

где W - ширина дорожки; L - ее длина; и H - толщина. Все размеры - в миллиметрах.

Рис. 6. Индуктивность дорожки

Рис. 7. Отклик на импульс без слоя и со слоем земли

где T - толщина платы и d - диаметр переходного отверстия в сантиметрах.

Рис. 8. Размеры переходного отверстия

Слой земли

Здесь мы коснемся отдельных ключевых моментов этого вопроса. Перечень ссылок на данную тему приводится в конце статьи.

Так как слой земли обычно имеет большую площадь и поперечное сечение, его сопротивление сохраняется минимальным. На низких частотах ток протекает по пути наименьшего сопротивления, но на высоких частотах - по пути наименьшего сопротивления. Тем не менее есть исключения, и иногда меньший слой заземления работает лучше. Это касается и высокоскоростных ОУ, если удалить часть земли под входными и выходными контактными площадками.

Аналоговые и цифровые цепи, включая их землю и подложки, по возможности, должны быть разделены. Крутые фронты импульсов создают пики тока, текущие по слою земли и создающие помехи, ухудшая аналоговые параметры схемы.

На высоких частотах следует обратить внимание на явление, называемое скин-эффектом. Он заставляет ток протекать по внешней поверхности проводника, как бы делая его уже и увеличивая сопротивление по сравнению с значением проводника на постоянном токе. Хотя рассмотрение скин-эффекта не входит в задачи этой статьи, приведем приблизительное выражение для расчета глубины скин-слоя в меди (в см):

Для снижения скин-эффекта может быть полезным покрытие из металлов, снижающих возможность его появления.

Корпуса

Рис. 9. Отличия топологии схем с ОУ: a) корпус SOIC; б) корпус SOT-23; в) корпус SOIC с резистором RF с нижней стороны платы.

Топология платы с корпусом SOT-23 почти идеальна: минимальная длина дорожек обратной связи, минимальное использование переходных отверстий; нагрузка и развязывающий конденсатор подключены к земле короткими дорожками к одной точке; развязывающий конденсатор положительного напряжения, не показанный на рис. 9б, размещен прямо под конденсатором отрицательного напряжения на нижней стороне платы.

Цоколевка усилителя с малым уровнем искажений

Новая цоколевка для уменьшения искажений, примененная в некоторых ОУ компании Analog Devices (например, AD8045), помогает ликвидировать обе упомянутых выше проблемы и улучшает характеристики в двух других важных областях. Цоколевка с малым уровнем искажений LFCP, показанная на рис. 10, получена из традиционной для ОУ цоколевки, поворотом ее против часовой стрелки на один вывод и добавлением второго выходного вывода, предназначенного для цепи обратной связи.

Рис. 10. ОУ с цоколевкой для малых искажений

Цоколевка для малых искажений допускает короткое соединение между выходом (выводом, предназначенным для обратной связи) и инвертирующим входом, как показано на рис. 11. Это значительно упрощает топологию и придает ей рациональную форму.

Рис. 11. Топология ПП для ОУ с малыми искажениями AD8045

Вторым преимуществом корпуса является ослабление второй гармоники нелинейных искажений. Одной из причин ее возникновения является связь между неинвертирующим входом и выводом отрицательного напряжения питания. Цоколевка для малых искажений корпуса LFCP ликвидирует эту связь и значительно ослабляет вторую гармонику; в некоторых случаях ее снижение может быть до 14 дБ. На рис. 12 показана разница в искажениях ОУ AD8099 в корпусе SOIC и в корпусе LFCSP.

Рис. 12. Сравнение искажений ОУ AD8099 в разных корпусах - SOIC и LFCSP

Этот корпус имеет еще одно преимущество - в рассеянии мощности. У корпуса открытая подложка микросхемы, которая снижает его тепловое сопротивление, улучшая θ JA примерно на 40%. В этом случае микросхема работает при пониженных температурах, что повышает ее надежность.

В настоящее время в новых корпусах для малых искажений доступны три высокоскоростных ОУ Analog Devices: AD8045, AD8099 и AD8000.

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- трудная задача.

Важно заранее продумать план обработки сигналов на плате, отметить, какие из них чувствительны, и определить шаги для сохранения их неприкосновенности. 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 длины параллельных линий и предотвращение близкого соседства между сигнальными дорожками на одном и том же слое уменьшит индуктивную связь.
• Минимизирование длины дорожек на смежных слоях предотвратит емкостную связь.
• Сигнальные дорожки, требующие особой изоляции, должны проходить на разных слоях и, если их невозможно разнести подальше,- перпендикулярно друг другу, 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 рис. 13, может проходить на любой стороне платы; она использует слой земли, лежащий непосредственно под ней, в качестве плоскости базового заземления.

Рис. 13. Микрополосковая линия передачи

Для расчета характеристического волнового сопротивления линии на плате FR4 можно воспользоваться следующей формулой:

где H - расстояние от плоскости земли до дорожки; W - ширина дорожки; T - толщина дорожки; все размеры в милах (1 мил = 10 –3 дюйма). ε r - 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, чувствителен к изменениям толщины изолятора и стоит дороже, поэтому он обычно применяется только в устройствах с повышенными требованиями.

Рис. 14. Полосковая согласованная линия

Уравнение для расчета характеристического волнового сопротивления полосковой линии:

Рис. 15. Защитные кольца: a) инвертирующая и неинвертирующая схема; б) реализация обоих вариантов в корпусе SOT-23-5

Существует много других вариантов экранирования и разводки. Для получения дополнительной информации по этим и другим темам, упомянутым выше, читателю предлагается ознакомиться с нижеприведенными ссылками.

Заключение

Для успешного проектирования приборов на высокоскоростных ОУ важна разумная топология печатных плат. Ее основой является хорошая схема, важно также тесное сотрудничество инженера-схемотехника и разработчика печатной платы, особенно при размещении элементов и их соединении.

Литература

1. Ardizzoni J. Keep High-Speed Circuit-Board Layout on Track // EE Times, May 23, 2005.
2. Brokaw P. An IC Amplifier User"s Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change // Analog Devices Application Note AN-202.
3. Brokaw P., Barrow J. Grounding for Low- and High-Frequency Circuits // Analog Devices Application Note AN-345.
4. Buxton J. Careful Design Tames High-Speed Op Amps // Analog Devices Application Note AN-257.
5. DiSanto G. Proper PC-Board Layout Improves Dynamic Range // EDN, November 11, 2004.
6. Grant D., Wurcer S. Avoiding Passive-Component Pitfalls // Analog Devices Application Note AN-348.
7. Johnson H. W., Graham M. High-Speed Digital Design, a Handbook of Black Magic. Prentice Hall, 1993.
8. Jung W., ed., Op Amp Applications Handbook // Elsevier-Newnes, 2005.

Многие говорят, что сделать свою первую печатную плату очень сложно, но на самом деле это очень просто.

Сейчас я расскажу парочку известных способов, как изготовить печатную плату в домашних условиях.

Для начала коротенький план как изготавливается печатная плата:

1.Подготовка к изготовлению
2.Рисуются токопроводящие дорожки
2.1Рисуем лаком
2.2Рисуем маркером или нитрокраской
2.3Лазерная утюжка
2.4Печать с пленочным фоторезистом
3.Травление платы
3.1Травление хлорным железом
3.2Травление медным купоросом с поваренной солью
4.Лужение оловом
5.Сверление

1. Подготовка к изготовлению печатной платы

Для начала нам понадобится лист фольгированного текстолита, ножницы по металлу или ножовка по металлу, обычная терка для карандашей и ацетон.

Аккуратно вырезаем необходимый кусочек фольгированного текстолита. Затем необходимо зачистить аккуратно наш текстолит, с медной стороны, теркой для карандаша до блеска, потом протереть нашу заготовку ацетоном (это сделано для обезжиривания).

Рис 1. Вот моя заготовка

Все готово, теперь не прикасайтесь до блестящей стороны, а то опять придется обезжиривать.

2. Рисуем токопроводящие дорожки

Это дорожки, по которым будет проводится ток.

2.1 Рисуем дорожки лаком.

Этот способ самый давний и саамы простой. Нам понадобится самый простой лак для ногтей.

Аккуратненько рисуем лаком для ногтей дорожки токопроводящие дорожки. Будьте внимательны, поскольку лак иногда расплывается и дорожки сливаются. Даем лаку высохнуть. Вот и все.

Рис 2. Дорожки, рисованные лаком

2.2 Рисуем дорожки нитрокраской или маркером

Этот способ ничем не отличается от предыдущего, только рисуется все намного проще и быстрее

Рис 3. Дорожки, рисованные нитрокраской

2.3 Лазерная утюжка

Лазерная утюжка один из самых распространенных способов изготавливать печатные платы. Способ не трудоемок и занимает мало времени. Я лично не пробовал этот способ, но многие знакомые используют его с огромным успехом

Для начала нам необходимо распечатать на лазерном принтере чертеж нашей печатной платы. Если нет лазерного принтера, можно напечатать на струйном, а затем наделать копий на ксероксе Для составления чертежей я использую программу Sprint-Layout 4.0. Только при печати будьте внимательны с использованием зеркала, многие не раз убивали платы таким способом.

Печатать мы будем на каком-нибудь старом ненужном журнале с глянцевой бумагой. Перед печатью, настройте ваш принтер на максимальный расход тонера, это избавит от многих проблем.

Рис 4. Печать чертежа на глянцевой журнальной бумаге

Теперь аккуратненько вырезаем наш чертеж в виде конверта.

Рис 5. Конверт со схемой

Теперь вкладываем нашу заготовку в конверт и аккуратно заклеиваем ее сзади скотчем. Заклеиваем так, что бы текстолит ни шевелился в конверте

Рис 6. Готовый конверт

Теперь утюжим конверт. Стараемся не пропустить ни одного миллиметра. От этого зависит качество платы

Рис 7. Утюжка платы

Когда утюжка будет закончена, аккуратно ложем конверт в посуду с теплой водой

Рис 8. Размачиваем конверт

Когда конверт размок, скатываем бумагу без резких движений, что бы ни повредить тонер дорожек. Если есть дефекты, возьмите маркер для дисков cd или dvd, и поправьте дорожки.

Рис 9. Почти готовая плата

2.4 Изготовление печатной платы с помощью пленочного фоторезиста

Как и в предыдущем способе, изготавливаем чертеж с помощью программки Sprint-Layout 4.0 и нажимаем печать. Печатать мы будем на специальной пленке для печати на струйных принтерах. Поэтому настраиваем печать: Снимаем стороны ф1, м1, м2; В опциях ставим галочки Негатив и Рамка.

Рис 10. Настройка печати

Настраиваем принтер на черно белую печать и в настройке цветов выставляем максимальную интенсивность.

Рис 11. Настройка принтера

Печатаем на матовой стороне. Эта сторона рабочая, определить её можно по прилипанию её к пальцам.

После печати, наш шаблон ложем сохнуть.

Рис 12. Сушим наш шаблон

Теперь отрезаем нужный нам кусочек пленки фоторезиста

Рис 13. Пленка фоторезиста

Аккуратно снимаем защитную пленку (она матовая), приклеиваем его к нашей заготовке текстолита

Рис 14. Клеим к текстолиту фоторезист

Клеить нужно аккуратно, и помните, чем лучше вы прижмете фоторезист, тем качественней будут дорожки на плате. Вот примерно, что должно получится.

Рис 15. Фоторезист на текстолите

Теперь с пленки, на которой мы печатали, вырезаем наш чертеж и прикладываем его на наш фоторезист с текстолитом. Не перепутайте стороны, а то получится зеркало. И накрываем стеклом

Рис 16. Прикладываем пленку с чертежом и накрываем стеклом

Теперь берем ультрафиолетовую лампу и засвечиваем наши дорожки. Для каждой лампы, свои параметры для проявления. Поэтому расстояние до платы и время свечения выбирайте сами

Рис 17. Засвечиваем дорожки ультрафиолетовой лампой

Когда засветились дорожки, берем небольшую пластмассовую посуду делаем раствор 250 грамм воды ложка соды и опускаем туда нашу плату уже без шаблона нашей платы и второй прозрачной пленки фоторезиста.

Рис 18. Ложем плату в содовый раствор

Секунд через 30, проявляется наша печать дорожек. Когда закончится растворение фоторезиста, получится наша плата, которую и хотели. Промываем тщательно под струей воды. Все готово

Рис 19. Готовая плата

3. Травление новой печатной платы. Травление – это способ убрать лишнюю медь с текстолита.

Для травления используют специальные растворы, которые делаются в пластмассовой посуде.

После изготовление раствора, туда опускается печатная плата и травится в течении определенного времени. Ускорить время травления можно, поддерживая температуру раствора в районе 50-60 градусов и постоянном перемешивании.

Не забывайте использовать резиновые перчатки при работе, а затем хорошо мыть руки с мылом.

После протравки платы, нужно хорошо промыть плату под водой и снять остатки лака (краски, фоторезиста) обычным ацетоном или жидкостью для снятия лака.

Теперь немного о растворах

3.1 Травление хлорным железом

Один из самых известных способов травления. Для травления используется хлорное железо и вода с отношением 1:4. Где 1 это хлорное железо, 4 – вода.

Готовится просто: в посуду насыпается нужное количество хлорированного железа и заливается теплой водой. Раствор должен получится зеленого цвета.

Время травления платы размером 3х4 сантиметра, в районе 15 мин

Достать можно хлорное железо на рынке или в магазинах радиоэлектроники.

3.2 Травление медным купоросом

Этот способ не так распространен, как предыдущий, но тоже встречается часто. Я лично пользуюсь этим способом. Этот способ намного дешевле предыдущего, да и достать компоненты проще.

В посуду засыпаем 3 ложки столовой поваренной соли, 1 ложку медного купороса и заливаем водой 250 грамм температурой 70 градусов. Если все правильно, раствор должен стать бирюзовым, а чуть погодя зеленым. Для ускорения процесса надо перемешивать раствор.

Время травления платы размером 3х4 сантиметра, в районе одного часа

Достать медный купорос можно в магазинах сельхоз продукции. Медный купорос — это удобрение синего цвета. Имеет форму кристального порошка. Устройство защиты АКБ от полной разрядки

Здравствуйте уважаемый посетитель. Я знаю зачем вы читаете эту статью. Да да знаю. Нет что вы? Я не телепат, просто я знаю почему вы попали именно на эту страничку. Наверняка…….

И снова мой знакомый Вячеслав (SAXON_1996) Хочет поделится своей наработкой по колонкам. Слово Вячеславу Досталась как — то мне одна колонка 10МАС с фильтром и высокочастотным динамиком. Я долго не…….

Печатная схема

узел электро- или радиоаппаратуры, выполненный на одной плате (См. Плата) в виде системы печатных электро- и радиоэлементов, соединённых между собой способом печатного монтажа (См. Печатный монтаж). В печатном исполнении изготавливают многие пассивные элементы (см. рис. ): резисторы и конденсаторы, катушки индуктивности и трансформаторы, разъёмы и переключатели, СВЧ элементы (для работы на частотах от 500 до 2000 Мгц ) - полосковые линии, направленные ответвители, полосовые фильтры, аттенюаторы и т.д. Резисторы получают либо нанесением через трафарет на отдельные участки платы (полоски или площадки) резистивной смеси (пасты) (точность получения номинального значения сопротивления 20-40%), либо термовакуумным осаждением на плату тонкого слоя углерода, металла (тантал, ниобий), окисла металла (двуокись олова), сплава (нихром) (точность 5-10%). Конденсаторы получают путём образования металлизированных площадок на одной или на обеих сторонах платы. Из-за малой ёмкости (до нескольких десятков пф ) и больших значений тангенса угла диэлектрических потерь применение их ограничено. Катушки индуктивности в виде одно- или многовитковых спиралей получают травлением (на фольгированных платах) или вжиганием серебра (на керамических платах). Обычно значения их индуктивности не превышают 7-10 мкгн , а при особо тонких проводниках - 50 мкгн . Подобным же образом получают и трансформаторы. При изготовлении разъёмов с пружинящим контактом на краю платы создают ряд печатных полосок с износоустойчивым покрытием из родия или платины, играющих роль вилки. Аналогично изготавливают контактную часть переключателей, имеющих сложную систему коммутации, например кодовые диски для цифровых устройств. Соединительные кабели (одно- и многослойные) в виде плоской многопроводной системы получают травлением гибкой фольгированной плёнки. Габариты и масса таких кабелей значительно (в 7-10 раз) меньше, чем, например, у обычных радиочастотных кабелей (См. Радиочастотный кабель). Печатные элементы СВЧ тракта, а иногда также и пассивные элементы электронных усилителей промежуточной и низкой частот создают в один приём на большой (до 500 Х 500 мм ) плате из неполярного диэлектрика. П. с. обычно покрывают влаго- и термостойким лаком, после чего она представляет собой законченное изделие.

По существу таким же образом изготавливают и пассивные элементы гибридных и плёночных интегральных микросхем (см. Интегральная схема).

Применение П. с. существенно повышает плотность монтажа, технологичность изготовления и надёжность узлов радиоэлектронных устройств (например, ЭВМ, телевизоров, радиоприёмников) и служит основой их микроминиатюризации и комплексной миниатюризации, особенно при крупных масштабах производства (см. также Микромодуль , Микроэлектроника).

Лит.: Печатные схемы в приборостроении, вычислительной технике и автоматике, М., 1973.

Б. П. Лиховецкий.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Печатная схема" в других словарях:

ПЕЧАТНАЯ СХЕМА, цепь электрических проводников, вытравленных химическим путем на слое медной фольги, покрывающей плату из изоляционного материала пластмассы, стекла или керамики. Схема связывает устанавливаемые на ней компоненты, такие как… … Научно-технический энциклопедический словарь

печатная схема - Схема, полученная путем печати и включающая печатные элементы, проводящий рисунок или их комбинацию, образованные в предварительной конструкции или подсоединенные к поверхности общего основания. [ГОСТ 20406 75] Тематики платы печатные EN printed… …

ПЕЧАТНАЯ СХЕМА - монтажный узел радиоэлектронной аппаратуры, в котором токопроводящие соединения между его элементами выполнены в виде тонких плоских проводников, нанесённых на поверхность изоляционного основания. Печатным способом изготовляют конденсаторы,… … Большая политехническая энциклопедия

Печатная схема - 17. Печатная схема E. Printed circuit F. Circuit imprimée Схема, полученная путем печати и включающая печатные элементы, проводящий рисунок или их комбинацию, образованные в предварительной конструкции или подсоединенные к поверхности общего… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

печатная схема f - spausdintinės grandinės modulis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. printed circuit module vok. Druckschaltungsmodul, m rus. печатная схема f pranc. module à circuit imprimé, m … Radioelektronikos terminų žodynas

печатная схема - spausdintinė grandinė statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. printed circuit vok. gedruckte Schema, n rus. печатная схема, f pranc. circuit imprimé, m … Fizikos terminų žodynas

Узел радиоэлектронного устройства, на плате к рого способом печатного монтажа нанесены резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т. п. Резисторы, напр., получают нанесением слоя углерода, металла и др … Большой энциклопедический политехнический словарь

печатная схема на плате, металлизированной фольгой - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN embossed foil printed circuit … Справочник технического переводчика

печатная схема, изготовленная методом травления - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN etched printed circuit … Справочник технического переводчика

печатная схема, изготовленная методом электролитического осаждения - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN plated circuitplated printed circuit … Справочник технического переводчика