При разводке печатных плат можно совершить немало ошибок. Трудно перечислить все из них в рамках короткого обзора, поэтому обратимся к наиболее часто встречающимся промахам.
Как ни странно, несмотря на многочисленные рекомендации, до сих пор встречается неверное расположение компонентов на плате, когда цифровые микросхемы установлены в области расположения аналоговых микросхем. При этом сигнальные проводники с аналоговыми сигналами проходят рядом или пересекаются с проводниками с высокоскоростными цифровыми сигналами.
Трассировка аналоговых и цифровых цепей
Подобная топология явно ошибочна. Из-за паразитных параметров проводники с высокоскоростными сигналами будут создавать наводки на сигнальных проводниках. На рис. 1 показан вариант правильной и неправильной трассировки аналоговых и цифровых сигналов.
Рис. 1. Правильная (а) и неправильная (б) трассировка и аналоговых, и цифровых проводников
Те же требования верны для шин питания и земли; они должны быть раздельно проведены для питания цифровых и аналоговых областей платы. Если на плате расположено более 5–7 микросхем, нежелательно шину питания делать шлейфом, лучше использовать радиальную разводку, особенно для цифровых микросхем.
Будет ошибкой располагать развязывающие по питанию конденсаторы в отдалении от микросхем. Для того, чтобы минимизировать индуктивность проводника, соединяющего разделительные конденсаторы и выводы питания микросхемы, эти конденсаторы должны быть установлены максимально близко к микросхеме.
В платах с высокоскоростными сигналами очень важно минимизировать контур обратного тока. Начиная с частоты примерно 10 кГц, обратный ток проходит под сигнальным проводником. Поэтому на пути обратного тока не должно быть препятствий в виде разрывов. В противном случае путь возвратного тока увеличивается; увеличивается и площадь контура тока. В результате возрастает индуктивность контура, что может привести к проблемам с соблюдением требований стандартов электромагнитной совместимости.
Рис. 2. Варианты разводки платы с различными путями возвратного тока
На рис. 2 показаны варианты разводки платы с различными путями возвратного тока. Несложно догадаться, что вариант А непригоден. В нем не используется полигон аналоговой земли, из-за чего контур тока образует петлевую антенну. Напомним, что хотя для такой антенны длина каждого проводника должна составлять 0,5 длины волны, но даже при длине проводника 0,05 от длины волны антенна еще работоспособна. Вариант Б (рис. 2) заметно лучше, но из-за разрыва на пути возвратного тока формируется щелевая антенна. Наилучшим является вариант В, в котором пути возвратного и сигнального тока совпадают.
Неразрывность импеданса
Рис. 3. Варианты поворота проводника на 90º
При разводке высокоскоростных сигналов важно соблюдать неразрывность импеданса. В идеальном случае она обеспечивается неизменностью конфигурации проводника на всем пути следования сигнала. На практике, особенно при высокой плотности монтажа, это условие выполнить обычно не удается. Нередко возникает необходимость повернуть проводник на 90º. Варианты поворота показаны на рис. 3. В случае поворота на 90º без сглаживания угла ширина проводника в месте поворота увеличивается в √2 раз, что приводит к изменению его паразитной емкости и индуктивности, вследствие чего возникает переходный процесс и рассогласование линии передачи.
Подключение земли
Рис. 4. Неправильное подключение земли к разъему
Индуктивность и сопротивление земли нужно минимизировать, поэтому выводы компонентов, подключаемых к земле, необходимо применять переходные отверстия и толстые проводники короткой длины. Пример неправильного подключения земли к разъему показан на рис. 4. Стрелками показаны тонкие проводники шириной 0,254 мм и длиной более 2 мм. На рис. 5 стрелками показано корректное подключение земли. Следует иметь в виду, что переходные отверстия создают дополнительную индуктивность. Так, переходное отверстие диаметром 0,4 мм и длинной 1,5 мм создаст дополнительную индуктивность 1,1 нГн.
Рис. 5. Правильное подключение земли к разъему
Рис. 6. Правильное подключение кварцевого резонатора
В некоторых случаях при разводке земли требуется соблюдать специфические требования, пренебрежение которыми может дорого стоить. Например, при подключении внешнего кварцевого резонатора к микроконтроллеру требуется обеспечить «чистую» землю, по которой не будут протекать токи от других источников. На рис. 6 показано корректное подключение. Земляные выводы конденсаторов С97 и С100 (показаны стрелкой на рисунке), подключенных параллельно резонатору, соединены друг с другом и с выводом микроконтроллера.
Рис. 7. Неправильное подключение кварцевого резонатора
На рис. 7 показана некорректный способ подключения резонатора. Он расположен далеко от микроконтроллера. Земляные выводы параллельных конденсаторов С12 и С14 подключены не к выводу микроконтроллера, а к полигону земли. При этом расстояние от этого полигона от вывода земли микроконтроллера составило 15 мм, и ни о какой чистой земле речи быть не может!
Паразитные параметры проводников
Наиболее чувствительны к топологии платы с высокоскоростными сигналами, но это не означает, что к разводке плат или доменов платы с аналоговыми компонентами и относительно низкочастотными аналоговыми сигналами можно отнестись без должного внимания. Если при разработке топологии вы пренебрежете паразитными параметрами проводников, то могут случиться неприятные сюрпризы. Например, емкости между проводниками платы обычно не превышают 1–2 пФ, но, несмотря на столь малую величину, они могут сыграть с вами дурную шутку.
Рис. 8. Влияние паразитной емкости на аналоговые схемы
Рассмотрим простой пример. На рис. 8 показана простая схема повторителя на операционном усилителе. Некорректное подключение его неинвертирующего вывода к земле привело к появлению паразитной емкости 1 пФ на неинвертирующем входе, что, в свою очередь, отразилось на АЧХ схемы [1]. Паразитная емкость может создать положительную обратную связь, что приведет к потере устойчивости. Для уменьшения паразитных емкостных связей надо избегать параллельной разводки проводников, если это, конечно, не дифференциальная линия.
Рис. 9. Нежелательный (а) и правильный (б) варианты конфигурации проводников дифференциальной пары
Симметричность дифференциальных сигналов
Дифференциальные линии заслуживают особого внимания. По ним чаще всего передаются сигналы высокоскоростных LVDS-интерфейсов или аналоговые дифференциальные сигналы низкого уровня с высоким синфазным напряжением. Поэтому очень важно обеспечить максимальную симметричность проводников дифференциальной пары. На рис. 9 показаны нежелательный и корректный варианты расположения проводников.
Рис. 10. Три ошибки топологии дифференциальной пары
На рис. 10 дифференциальная пара расположена на сигнальном слое, а полигоны питания 2,5 В и 3,3 В на внутреннем слое платы. В этом случае можно видеть сразу три ошибки.
Во-первых, дифференциальные проводники проходят над разрывом между полигонами питания, что приведет к разрыву контура с возвратными токами.
Выше говорилось о нежелательности подобных случаев. Во-вторых, нежелательно делать отводы от одного из проводников пары, это нарушит неразрывность импеданса и приведет к возникновению отражения сигнала и увеличению помех. И, наконец, третья ошибка показана проводником синего цвета: он нарушает симметрию, что приведет к неоднородности импеданса. Разводка должна быть выполнена так, как отмечено проводником зеленого цвета.
Неоднородность стеклотекстолита
Рис. 11. Эффект неоднородности стеклотекстолита FR4
При работе с высокоскоростными сигналами необходимо учитывать, что структура наиболее часто применяемого стеклотекстолита FR4 неоднородна (рис 11). Стекловолоконные жгуты коричневого цвета перемежаются с застывшей смолой. При этом относительная диэлектрическая проницаемость стекловолокна составляет примерно 5,8 на частоте 1 МГц, а эпоксидной смолы – 3,8. Следовательно, параметры проводников дифференциальной пары могут быть неидентичны, как показано на рис. 11а и рис. 11б, что, в свою очередь, приведет к искажению передаваемого сигнала. Поэтому при разводке дифференциальной пары следует отдать предпочтение диагональному расположению проводников, как показано на рис. 11в и 11г. В последнем случае неоднородность стеклотекстолита усредняется.
Переходные отверстия
В заключение упомянем несколько ошибок трассировки, которые могут привести к дефекту при монтаже платы или в процессе ее эксплуатации. Не следует размещать переходные отверстия слишком близко к контактным площадкам. При пайке может произойти перетекание припоя на противоположный слой, и на некоторых выводах компонента может не остаться припоя. Особенно велик риск при большом числе выводов микросхемы: в этом случае между контактными площадками формируется тонкий перешеек маски, который препятствует растеканию припоя. Если этот перешеек по каким-либо причинам отсутствует, припой может затечь на соседние площадки и вызвать короткое замыкание.
Если при монтаже компонентов в отверстия не заложен запас под диаметр отверстия, то вывод компонента придется вставлять с усилием, и не останется места под затекания припоя. Чтобы подобного не произошло, необходим запас в 0,1–0,2 мм.
Нужен надёжный SMD монтаж?
Наше производство оснащено современным оборудованием и готово к автоматизированному монтажу компонентов размером от 01005.
Работаем с макетами и серийными партиями, обеспечиваем высокую точность пайки и многоступенчатый контроль качества.