Montaje de inductores en placas de circuito impreso simples. Conceptos básicos del diseño de PCB. Desacoplamiento de potencia IC

Tecnología “láser de hierro” para la fabricación de placas de circuito impreso(ULT) se ha generalizado en los círculos de radioaficionados en tan sólo un par de años y permite obtener placas de circuito impreso de una calidad bastante alta. Las placas de circuito impreso dibujadas a mano requieren mucho tiempo y no son inmunes a errores.

En la fabricación de inductores impresos para circuitos de alta frecuencia se imponen requisitos especiales de precisión del patrón. Los bordes de los conductores de las bobinas deben ser lo más lisos posible, ya que esto influye en su factor de calidad. Dibujar manualmente una bobina en espiral de varias vueltas es muy problemático, y aquí el ULT bien puede tener voz.

Arroz. 1

Arroz. 2

Entonces, todo está en orden. Lanzamos el programa informático SPRINT-LAYOUT, por ejemplo, versión 5.0. Establecer en la configuración del programa:

Escala de cuadrícula: 1,25 mm;

Ancho de línea: 0,8 mm;

Dimensiones del tablero: 42,5x42,5 mm;

El diámetro exterior del “parche” es de 1,5 mm;

El diámetro del agujero en el "parche" es de 0,5 mm.

Encuentre el centro del tablero y dibuje una plantilla de conductor de bobina (Fig. 1)a lo largo de la cuadrícula de coordenadas usando la herramienta CONDUCTOR, girando la bobina en la dirección deseada (la plantilla requiere una imagen especular, pero se puede obtener más tarde, al imprimir). Instalamos un “parche” al principio y al final de la bobina para conectar la bobina con los elementos del circuito.

En la configuración de impresión, configuramos el número de impresiones en una hoja, la distancia entre impresiones y, si es necesario "girar" el carrete en la otra dirección, la impresión reflejada del diseño. Debe imprimir en papel liso o película especial, configurando la impresora al máximo suministro de tóner al imprimir.

A continuación seguimos el estándar ULT. Preparamos láminas de fibra de vidrio, limpiamos la superficie de la lámina y la desengrasamos, por ejemplo, con acetona. Aplicamos la plantilla con tóner al foil y la planchamos con una plancha caliente a través de una hoja de papel hasta que el tóner se adhiera firmemente al foil.

Después, remoja el papel con agua corriente del grifo (fría o temperatura ambiente) y retíralo con cuidado en “pellets”, dejando el tóner en la lámina de la pizarra. Grabamos el tablero y luego le quitamos el tóner con un disolvente, por ejemplo, acetona. En la placa permanece un conductor transparente de un inductor "impreso" de alta calidad.

Las bobinas impresas con espiras en espiral utilizando ULT son de calidad ligeramente peor. Esto se debe a la forma cuadrada de los píxeles de la imagen, por lo que los bordes del conductor de la bobina en espiral son irregulares. Es cierto que estas irregularidades son bastante pequeñas y la calidad del carrete, en general, sigue siendo mayor que con el funcionamiento manual.

Abra nuevamente el programa SPRINT-LAYOUT versión 5.0. En el kit de herramientas, seleccione FORMATO ESPECIAL: una herramienta para dibujar polígonos y espirales. Seleccione la pestaña ESPIRAL. Instalar:

Radio de inicio (RADIO DE INICIO) -2 mm;

Distancia entre vueltas (DISTANCIA) - 1,5 mm;

Ancho del conductor (ANCHO DE PISTA) -0,8 mm;

El número de vueltas (TURNS), por ejemplo, es 20.

El tamaño del tablero que ocupa dicha bobina es de 65x65 mm (Fig. 2).

Las bobinas impresas suelen acoplarse en filtros de paso de banda (BPF) mediante pequeños condensadores. Sin embargo, también es posible su acoplamiento inductivo, cuyo grado se puede cambiar cambiando la distancia entre los planos de las bobinas o girando excéntricamente una con respecto a la otra. Se puede lograr un montaje fijo de las bobinas entre sí.

Construya utilizando puntales dieléctricos.

La inductancia de las bobinas se puede ajustar acortando las espiras, rompiendo el conductor impreso o eliminándolo parcialmente. Esto aumentará la frecuencia de sintonización del circuito. Se puede lograr una reducción de la frecuencia soldando condensadores tipo SMD de pequeña capacidad entre las espiras.

Fabricación de bobinas VHF en forma de meandro, líneas rectas y curvas, filtros de peine, etc. El uso de ULT también añade elegancia al producto final y, por regla general, aumenta su factor de calidad (debido a los bordes "lisos" de los conductores impresos), pero durante la producción se debe tener en cuenta la calidad del material del sustrato (fibra de vidrio). , que pierde sus propiedades aislantes al aumentar la frecuencia. En circuitos equivalentes, la resistencia de pérdida en el dieléctrico debe conectarse en paralelo con las bobinas impresas, y esta resistencia será menor cuanto mayor sea la frecuencia de operación y peor sea la calidad del dieléctrico. .

En la práctica, la lámina de fibra de vidrio se puede utilizar plenamente para la fabricación de circuitos resonantes impresos hasta un rango de 2 metros inclusive (hasta aproximadamente 150 MHz). Se pueden utilizar grados especiales de fibra de vidrio de alta frecuencia en el rango de 70 cm (hasta aproximadamente 470...500 MHz). A frecuencias más altas, se debe utilizar fluoroplástico RF (teflón), cerámica o vidrio recubiertos con lámina.

Un inductor impreso tiene un factor de calidad aumentado debido a una disminución en la capacitancia entre espiras, obtenida, por un lado, debido al pequeño espesor de la lámina y, por otro, al paso de "devanado" de la bobina. Un marco cerrado de lámina conectada a tierra alrededor de la bobina impresa en su plano sirve como protección contra otras bobinas y conductores impresos, pero tiene poco efecto sobre los parámetros de la bobina si su periferia está bajo voltaje de RF bajo (conectada a un cable común) y su centro está bajo alto.

Literatura

1. G. Panasenko. Fabricación de bobinas de impresión. - Radio, 1987, núm. 5, pág. 62.

Muchos elementos de circuitos se pueden producir mediante impresión: resistencias, condensadores, inductores, bobinas multivueltas de transformadores y bobinas de choque, interruptores y conectores enchufables.

Las resistencias impresas se fabrican aplicando finas películas de barniz a la superficie del tablero.

Su configuración (Fig. 35, a) puede ser muy diversa y depende de la posibilidad de garantizar la resistencia mecánica y las condiciones de transferencia de calor. Las resistencias variables también se producen mediante impresión, que consisten en una capa conductora de carbono o metal en forma de arco y un control deslizante de contacto que se desliza a lo largo de la superficie del elemento conductor. El valor de resistencia de la resistencia impresa depende de la composición de la suspensión, la forma del patrón y el espesor de la película.

Las resistencias compuestas de película del tipo SZ-4 se utilizan ampliamente. Estas resistencias se fabrican directamente sobre la superficie de la microplaca. Se pueden utilizar en el rango de temperatura de -60 a +125°C y la potencia disipada por las microresistencias no supera los 0,25 W.

Los condensadores impresos se fabrican aplicando dos placas conductoras a ambos lados de la base aislante (Fig. 35, b). La capacitancia de un condensador está determinada por el área de sus placas y el espesor del dieléctrico (placa). En la Fig. 35, c muestra un condensador impreso semialterno, en el que la placa del estator se aplica directamente a la base aislante de la placa, y la placa del rotor se aplica a un disco cerámico, que puede girar alrededor de un eje paralelo al plano del placa, cambiando el valor de la capacitancia. El uso de materiales cerámicos permite obtener condensadores estables con clasificaciones de unos pocos a varios cientos de picofaradios y un voltaje de funcionamiento de 100 V o más.

Los inductores impresos (Fig. 35, d) se fabrican en forma de líneas metalizadas en espiral planas de formas redondas, ovaladas, cuadradas u otras impresas en la placa. La cantidad de inductancia de dichas bobinas depende del número de vueltas de la bobina, la distancia entre ellas y su diámetro. Para aumentar la inductancia de las bobinas impresas, se fabrican multicapa, con una bobina separada de la otra por una capa aislante de barniz, y los extremos de las bobinas están conectados entre sí en serie. En algunos casos, se consigue un aumento de la inductancia introduciendo núcleos magnetodieléctricos en el centro de la espiral o aplicando una capa de pintura magnética en el campo de la bobina. En los circuitos impresos también se puede crear una inductancia variable, para lo cual se instala una placa de cobre o aluminio encima de la bobina impresa, que se puede mover.

Para aumentar el factor de calidad de las bobinas, se les añade por medios galvánicos una capa de plata con un espesor de 20...50 micrones.

Los transformadores y bobinas de choque impresos se fabrican aplicando bobinas en espiral individuales a una base flexible hecha de fluoroplástico, tela barnizada, papel horneado u otros materiales aislantes. Los devanados impresos se conectan entre sí en serie y se colocan en una carcasa especial o se presionan en una carcasa de plástico.

Los interruptores impresos y los conectores enchufables se pueden fabricar directamente en la placa de circuito impreso del receptor de radio o en placas separadas. Un interruptor impreso, incluso el de mayor complejidad, es más barato que uno fabricado con cualquier otro método. Para aumentar la resistencia a la abrasión de los contactos del interruptor impresos, están recubiertos con plata, lo que garantiza un funcionamiento fiable hasta varios cientos de miles de conmutaciones. Para garantizar una mayor durabilidad, los contactos de cobre de los interruptores están recubiertos con una capa de rodio con un espesor de 6... 10 micrones.

Los elementos impresos se protegen, si es necesario, aplicando una capa de barniz aislante a la superficie del patrón, que luego se cubre con una capa de material magnético. El apantallamiento de los conductores no es continuo, sino reticular o en forma de ranura.

La intención de este artículo es analizar los errores comunes cometidos por los diseñadores de PCB, describir el impacto de estos errores en el rendimiento de calidad y brindar recomendaciones para resolver los problemas que surjan.

CONSIDERACIONES GENERALES

Debido a las diferencias significativas entre los circuitos analógicos y digitales, la parte analógica del circuito debe separarse del resto y se deben seguir métodos y reglas especiales al cablearlo. Los efectos del rendimiento no ideal de la PCB son particularmente notables en circuitos analógicos de alta frecuencia, pero el tipo general de errores descritos en este artículo puede afectar el rendimiento de los dispositivos que funcionan incluso en el rango de frecuencia de audio.

Placa de circuito impreso - componente del circuito

Sólo en casos excepcionales se puede tender una placa de circuito analógico de modo que las influencias que introduce no afecten al funcionamiento del circuito. Al mismo tiempo, cualquier impacto de este tipo puede minimizarse de modo que las características del circuito analógico del dispositivo sean las mismas que las del modelo y prototipo.

Disposición

Los desarrolladores de circuitos digitales pueden corregir pequeños errores en la placa fabricada agregándole puentes o, por el contrario, eliminando conductores innecesarios, realizando cambios en el funcionamiento de chips programables, etc., pasando muy rápidamente al siguiente desarrollo. Este no es el caso de un circuito analógico. Algunos de los errores comunes analizados en este artículo no se pueden corregir agregando puentes o quitando conductores sobrantes. Pueden dejar inoperativa toda la placa de circuito impreso, y lo harán.

Es muy importante que un diseñador de circuitos digitales que utilice dichos métodos de corrección lea y comprenda el material presentado en este artículo mucho antes de enviar el diseño a producción. Un poco de atención al diseño y discusión de las posibles opciones no sólo evitará que la PCB se convierta en chatarra, sino que también reducirá el costo de errores graves en una pequeña parte analógica del circuito. Encontrar errores y corregirlos puede resultar en cientos de horas perdidas. La creación de prototipos puede reducir este tiempo a un día o menos. Placa de pruebas para todos tus circuitos analógicos.

Fuentes de ruido e interferencias.

El ruido y las interferencias son los principales elementos que limitan la calidad de los circuitos. Las interferencias pueden ser emitidas por fuentes o inducidas en elementos del circuito. Los circuitos analógicos suelen estar ubicados en una placa de circuito impreso junto con componentes digitales de alta velocidad, incluidos los procesadores de señales digitales (DSP).

Las señales lógicas de alta frecuencia generan importantes interferencias de radiofrecuencia (RFI). El número de fuentes de emisión de ruido es enorme: fuentes de alimentación clave para sistemas digitales, teléfonos móviles, radio y televisión, fuentes de alimentación para lámparas fluorescentes, ordenadores personales, rayos, etc. Incluso si un circuito analógico funciona en el rango de frecuencia de audio, la interferencia de radiofrecuencia puede crear un ruido notable en la señal de salida.

CATEGORÍAS DE TABLEROS IMPRESOS

La elección del diseño de la PCB es un factor importante a la hora de determinar el rendimiento mecánico del dispositivo en general. Para la fabricación de placas de circuito impreso se utilizan materiales de distintos niveles de calidad. Será más adecuado y conveniente para el desarrollador si el fabricante de PCB se encuentra cerca. En este caso, es fácil controlar la resistividad y la constante dieléctrica, los principales parámetros del material de la placa de circuito impreso. Desafortunadamente, esto no es suficiente y a menudo es necesario conocer otros parámetros como la inflamabilidad, la estabilidad a altas temperaturas y el coeficiente de higroscopicidad. Estos parámetros sólo pueden ser conocidos por el fabricante de los componentes utilizados en la producción de placas de circuito impreso.

Los materiales en capas se designan con los índices FR (resistente al fuego) y G. El material con el índice FR-1 tiene la mayor inflamabilidad y el FR-5 la menor. Los materiales con índices G10 y G11 tienen características especiales. Los materiales de la placa de circuito impreso se dan en la tabla. 1.

No utilice PCB de categoría FR-1. Hay muchos ejemplos de PCB FR-1 que han sufrido daños térmicos debido a componentes de alta potencia. Las placas de circuito impreso de esta categoría se parecen más al cartón.

El FR-4 se utiliza a menudo en la fabricación de equipos industriales, mientras que el FR-2 se utiliza en la fabricación de electrodomésticos. Estas dos categorías están estandarizadas en la industria y los PCB FR-2 y FR-4 suelen ser adecuados para la mayoría de las aplicaciones. Pero a veces las características imperfectas de estas categorías obligan al uso de otros materiales. Por ejemplo, para aplicaciones de muy alta frecuencia, se utilizan fluoroplásticos e incluso cerámicas como materiales para placas de circuito impreso. Sin embargo, cuanto más exótico sea el material de la PCB, mayor puede ser el precio.

Al elegir un material de PCB, preste especial atención a su higroscopicidad, ya que este parámetro puede tener un fuerte efecto negativo en las características deseadas de la placa: resistencia de la superficie, fugas, propiedades aislantes de alto voltaje (averías y chispas) y resistencia mecánica. También preste atención a la temperatura de funcionamiento. Los puntos calientes pueden ocurrir en lugares inesperados, como cerca de grandes circuitos integrados digitales que conmutan a altas frecuencias. Si dichas áreas están ubicadas directamente debajo de los componentes analógicos, el aumento de temperaturas puede afectar el rendimiento del circuito analógico.

tabla 1

	Componentes, comentarios
	papel, composición fenólica: prensado y estampado a temperatura ambiente, alto coeficiente de higroscopicidad
	Papel, composición fenólica: aplicable a placas de circuito impreso de una sola cara de electrodomésticos, bajo coeficiente de higroscopicidad.
	Papel, composición epoxi: diseños con buenas características mecánicas y eléctricas.
	Fibra de vidrio, composición epoxi: excelentes propiedades mecánicas y eléctricas.
	fibra de vidrio, composición epoxi: alta resistencia a temperaturas elevadas, no inflamable
	fibra de vidrio, composición epoxi: altas propiedades aislantes, mayor resistencia de la fibra de vidrio, bajo coeficiente de higroscopicidad
	fibra de vidrio, composición epoxi: alta resistencia a la flexión a temperaturas elevadas, alta resistencia a los disolventes

Una vez seleccionado el material de la PCB, es necesario determinar el grosor de la lámina de la PCB. Este parámetro se selecciona principalmente en función del valor máximo de la corriente que fluye. Si es posible, trate de evitar el uso de papel de aluminio muy fino.

NÚMERO DE CAPAS DE CARTÓN IMPRESO

Dependiendo de la complejidad general del circuito y los requisitos de calidad, el diseñador debe determinar la cantidad de capas de la PCB.

PCB de una sola capa

Los circuitos electrónicos muy simples se fabrican en placas de una sola cara utilizando materiales laminados baratos (FR-1 o FR-2) y, a menudo, tienen muchos puentes, que se asemejan a placas de doble cara. Este método de creación de placas de circuito impreso se recomienda sólo para circuitos de baja frecuencia. Por razones que se describirán a continuación, las placas de circuito impreso de una cara son muy susceptibles a las interferencias. Una buena PCB de una sola cara es bastante difícil de diseñar por muchas razones. Sin embargo, existen buenos tableros de este tipo, pero a la hora de diseñarlos hay que pensar mucho con antelación.

PCB de doble capa

En el siguiente nivel se encuentran las placas de circuito impreso de doble cara, que en la mayoría de los casos utilizan FR-4 como material de sustrato, aunque a veces también se encuentra FR-2. Es más preferible el uso de FR-4, ya que los orificios en las placas de circuito impreso de este material son de mejor calidad. Los circuitos en placas de circuito impreso de doble cara son mucho más fáciles de cablear porque En dos capas es más fácil trazar rutas que se cruzan. Sin embargo, para circuitos analógicos, no se recomienda cruzar pistas. Siempre que sea posible, la capa inferior (inferior) debe asignarse al polígono de tierra y las señales restantes deben enrutarse a la capa superior (superior). Utilizar un vertedero como bus terrestre ofrece varias ventajas:

• el cable común es el cable que se conecta con más frecuencia en el circuito; por lo tanto, es razonable tener “muchos” cables comunes para simplificar el cableado.
• aumenta la resistencia mecánica del tablero.
• la resistencia de todas las conexiones al cable común disminuye, lo que, a su vez, reduce el ruido y las interferencias.
• La capacitancia distribuida para cada circuito aumenta, lo que ayuda a suprimir el ruido irradiado.
• el polígono, que es una pantalla, suprime las interferencias emitidas por fuentes situadas en el lateral del polígono.

Los PCB de doble cara, a pesar de todas sus ventajas, no son los mejores, especialmente para circuitos de baja señal o alta velocidad. En general, el espesor de la placa de circuito impreso, es decir la distancia entre las capas de metalización es de 1,5 mm, lo cual es demasiado para aprovechar plenamente algunas de las ventajas de una placa de circuito impreso de dos capas mencionadas anteriormente. La capacidad distribuida, por ejemplo, es demasiado pequeña debido a un intervalo tan grande.

PCB multicapa

Para el diseño de circuitos críticos, se requieren placas de circuito impreso multicapa (MPB). Algunas razones para su uso son obvias:

• La distribución de los buses de energía es tan conveniente como la del bus de cables común; si se utilizan polígonos en una capa separada como buses de energía, entonces es bastante sencillo suministrar energía a cada elemento del circuito mediante vías;
• las capas de señal están libres de los buses de potencia, lo que facilita el cableado de los conductores de señal;
• Aparece capacitancia distribuida entre los polígonos de tierra y de potencia, lo que reduce el ruido de alta frecuencia.

Además de estas razones para utilizar placas de circuito impreso multicapa, existen otras menos obvias:

Mejor supresión de las interferencias electromagnéticas (EMI) y de radiofrecuencia (RFI) gracias al efecto de reflexión (efecto plano de la imagen), conocido desde la época de Marconi. Cuando un conductor se coloca cerca de una superficie conductora plana, la mayoría de las corrientes de retorno de alta frecuencia fluirán a lo largo del plano directamente debajo del conductor. La dirección de estas corrientes será opuesta a la dirección de las corrientes en el conductor. Así, la reflexión del conductor en el plano crea una línea de transmisión de señal. Dado que las corrientes en el conductor y en el plano son iguales en magnitud y opuestas en dirección, se crea cierta reducción en la interferencia radiada. El efecto de reflexión sólo funciona eficazmente con polígonos sólidos continuos (pueden ser tanto polígonos terrestres como polígonos de potencia). Cualquier pérdida de integridad dará como resultado una reducción de la supresión de interferencias.
Reducción del coste global de la producción a pequeña escala. Aunque los PCB multicapa son más caros de fabricar, su radiación potencial es menor que la de los PCB de una o dos capas. Por lo tanto, en algunos casos, el uso exclusivo de tableros multicapa permitirá cumplir con los requisitos de emisiones establecidos durante el diseño, sin pruebas ni pruebas adicionales. El uso de MPP puede reducir el nivel de interferencia radiada en 20 dB en comparación con las placas de doble capa.

Orden de capas

Los diseñadores sin experiencia suelen tener cierta confusión sobre el orden óptimo de las capas de PCB. Tomemos, por ejemplo, una cámara de 4 capas que contiene dos capas de señal y dos capas poligonales: una capa de tierra y una capa de energía. ¿Cuál es el mejor orden de capas? ¿Capas de señal entre polígonos que servirán de pantallas? ¿O deberíamos hacer que las capas poligonales sean internas para reducir la interferencia de las capas de señal?

Al abordar este tema, es importante recordar que a menudo la ubicación de las capas no importa mucho, ya que los componentes están ubicados en las capas exteriores de todos modos, y los buses que suministran señales a sus pines a veces pasan a través de todas las capas. Por lo tanto, cualquier efecto de pantalla es sólo un compromiso. En este caso, es mejor encargarse de crear una gran capacidad distribuida entre los polígonos de potencia y de tierra, colocándolos en las capas internas.

Otra ventaja de colocar las capas de señal en el exterior es la disponibilidad de señales para realizar pruebas, así como la posibilidad de modificar las conexiones. Cualquiera que haya cambiado alguna vez las conexiones de los conductores ubicados en las capas internas apreciará esta oportunidad.

Para PCB con más de cuatro capas, la regla general es colocar conductores de señales de alta velocidad entre los polígonos de tierra y de potencia, y encaminar los conductores de señales de baja frecuencia hacia las capas exteriores.

TOMA DE TIERRA

Una buena conexión a tierra es un requisito general para un sistema rico y multinivel. Y debe planificarse desde el primer paso del desarrollo del diseño.

Regla básica: división de tierras.

Dividir el terreno en partes analógicas y digitales es uno de los métodos más simples y efectivos de reducción de ruido. Una o más capas de una placa de circuito impreso multicapa suelen estar dedicadas a una capa de polígonos de tierra. Si el desarrollador no tiene mucha experiencia o no está atento, entonces la tierra de la parte analógica se conectará directamente a estos polígonos, es decir, El retorno de corriente analógica utilizará el mismo circuito que la corriente de retorno digital. Los distribuidores automáticos funcionan de la misma manera y unen todas las tierras.

Si se procesa una placa de circuito impreso previamente desarrollada con un solo polígono de tierra que combina tierras analógicas y digitales, primero es necesario separar físicamente las tierras en la placa (después de esta operación, el funcionamiento de la placa se vuelve casi imposible). Después de esto, se realizan todas las conexiones a la tierra analógica de los componentes del circuito analógico (se forma la tierra analógica) y a la tierra digital de los componentes del circuito digital (se forma la tierra digital). Y solo después de esto, la tierra digital y analógica se combinan en la fuente.

Otras reglas para la formación del terreno:

Los buses de alimentación y tierra deben tener el mismo potencial de CA, lo que significa utilizar condensadores de desacoplamiento y capacitancia distribuida.
Evite la superposición de polígonos analógicos y digitales. Coloque los rieles de alimentación analógicos y los polígonos sobre el polígono de tierra analógico (similar a los rieles de alimentación digitales). Si hay una superposición entre las áreas analógicas y digitales en cualquier ubicación, la capacitancia distribuida entre las áreas superpuestas creará un acoplamiento de CA y el ruido de los componentes digitales se transportará al circuito analógico. Estas superposiciones invalidan el aislamiento de los vertederos.
La separación no significa aislar eléctricamente la tierra analógica de la tierra digital. Deben estar conectados entre sí en algún nodo, preferiblemente uno, de baja impedancia. Un sistema de tierra correcto tiene solo una tierra, que es la clavija de tierra para sistemas alimentados por CA o la tierra común para sistemas alimentados por CC (como una batería). Todas las corrientes de señal y potencia en este circuito deben regresar a esta tierra en un punto, que servirá como tierra del sistema. Un punto de este tipo puede ser el terminal del cuerpo del dispositivo. Es importante comprender que al conectar el terminal común del circuito a varios puntos del chasis, se pueden formar bucles de tierra. Crear un único punto común de consolidación parcelaria es uno de los aspectos más difíciles del diseño del sistema.
Siempre que sea posible, separe las clavijas del conector destinadas a transportar corrientes de retorno; las corrientes de retorno solo deben combinarse en el punto de tierra del sistema. El envejecimiento de los contactos del conector, así como la desconexión frecuente de sus partes coincidentes, conduce a un aumento en la resistencia del contacto, por lo que para un funcionamiento más confiable es necesario utilizar conectores con una cierta cantidad de pines adicionales. Las placas de circuito impreso digitales complejas tienen muchas capas y contienen cientos o miles de conductores. Agregar otro conductor rara vez crea un problema, pero agregar pines de conector adicionales sí lo crea. Si esto no se puede hacer, entonces es necesario crear dos conductores de corriente de retorno para cada ruta de alimentación en la placa, tomando precauciones especiales.
Es importante separar los buses de señales digitales de los lugares de la PCB donde se encuentran los componentes analógicos del circuito. Esto implica el aislamiento (blindaje) mediante polígonos, la creación de rutas cortas de señales analógicas y la colocación cuidadosa de componentes pasivos con buses de señales analógicas de misión crítica y digitales de alta velocidad adyacentes. Los buses de señales digitales deben enrutarse alrededor de áreas con componentes analógicos y no superponerse con buses y áreas de tierra analógica y energía analógica. Si no se hace esto, la estructura contendrá un nuevo elemento no deseado: una antena, cuya radiación afectará a los componentes y conductores analógicos de alta impedancia.

Casi todas las señales de reloj son señales de frecuencia suficientemente alta como para que incluso pequeñas capacitancias entre trazas y polígonos puedan crear acoplamientos significativos. Hay que recordar que no sólo la frecuencia fundamental del reloj puede causar un problema, sino también sus armónicos superiores.

Sólo hay un caso en el que es necesario combinar señales analógicas y digitales sobre un área de tierra analógica. Los convertidores analógico-digital y digital-analógico están alojados en carcasas con clavijas de tierra analógicas y digitales. Teniendo en cuenta la discusión anterior, se puede suponer que el pin de tierra digital y el pin de tierra analógico deben conectarse a los buses de tierra digital y analógico, respectivamente. Sin embargo, en este caso esto no es cierto.

Los nombres de los pines (analógicos o digitales) se refieren únicamente a la estructura interna del convertidor, a sus conexiones internas. En el circuito, estos pines deben estar conectados al bus de tierra analógico. La conexión también se puede realizar dentro de un circuito integrado, pero lograr una baja resistencia de dicha conexión es bastante difícil debido a restricciones topológicas. Por lo tanto, cuando se utilizan convertidores, se supone que las clavijas de tierra analógicas y digitales están conectadas externamente. Si no se hace esto, los parámetros del microcircuito serán significativamente peores que los indicados en la especificación.

Hay que tener en cuenta que los elementos digitales del convertidor pueden degradar las características de calidad del circuito al introducir ruido digital en los circuitos analógicos de tierra y de potencia analógicos. A la hora de diseñar los convertidores se tiene en cuenta este impacto negativo para que la parte digital consuma la menor energía posible. Al mismo tiempo, se reducen las interferencias de los elementos lógicos de conmutación. Si los pines digitales del convertidor no están muy cargados, la conmutación interna no suele causar ningún problema especial. Al diseñar una PCB que contenga un ADC o DAC, se debe considerar cuidadosamente el desacoplamiento de la fuente de alimentación digital del convertidor a tierra analógica.

CARACTERÍSTICAS DE FRECUENCIA DE COMPONENTES PASIVOS

La selección correcta de componentes pasivos es esencial para el funcionamiento adecuado de los circuitos analógicos. Comience su diseño considerando cuidadosamente las características de alta frecuencia de los componentes pasivos y su ubicación y disposición preliminares en el boceto del tablero.

Un gran número de diseñadores ignoran por completo las limitaciones de frecuencia de los componentes pasivos cuando se utilizan en circuitos analógicos. Estos componentes tienen rangos de frecuencia limitados y operarlos fuera del rango de frecuencia especificado puede generar resultados impredecibles. Algunos pueden pensar que esta discusión sólo se refiere a circuitos analógicos de alta velocidad. Sin embargo, esto está lejos de ser cierto: las señales de alta frecuencia tienen un fuerte impacto en los componentes pasivos de los circuitos de baja frecuencia a través de la radiación o la comunicación directa a través de conductores. Por ejemplo, un simple filtro de paso bajo en un amplificador operacional puede convertirse fácilmente en un filtro de paso alto cuando se expone a alta frecuencia en su entrada.

Resistencias

Hay tres tipos de resistencias comúnmente utilizadas: 1) bobinadas, 2) compuestas de carbono y 3) de película. No hace falta mucha imaginación para entender cómo una resistencia bobinada se puede convertir en una inductancia, ya que es una bobina de alambre hecha de metal de alta resistencia. La mayoría de los desarrolladores de dispositivos electrónicos no tienen idea de la estructura interna de las resistencias de película, que también son una bobina, aunque estén hechas de una película metálica. Por lo tanto, las resistencias de película también tienen una inductancia menor que la de las resistencias bobinadas. En circuitos de alta frecuencia se pueden utilizar libremente resistencias de película con una resistencia de no más de 2 kOhm. Los terminales de la resistencia son paralelos entre sí, por lo que existe un acoplamiento capacitivo notable entre ellos. Para resistencias de alto valor, la capacitancia de terminal a terminal reducirá la impedancia total a altas frecuencias.

Condensadores

Las características de alta frecuencia de los condensadores se pueden representar mediante el circuito equivalente que se muestra en la Figura 6.

Los condensadores en circuitos analógicos se utilizan como componentes de desacoplamiento y filtrado.

Un condensador electrolítico de 10 µF tiene una resistencia de 1,6 ohmios a 10 kHz y 160 µohmios a 100 MHz. ¿Es tan?

Cuando se utilizan condensadores electrolíticos, se debe tener cuidado para garantizar una conexión correcta. El terminal positivo debe conectarse a un potencial constante más positivo. Una conexión incorrecta hace que fluya corriente continua a través del capacitor electrolítico, lo que puede dañar no solo el capacitor en sí, sino también parte del circuito.

En casos raros, la diferencia de potencial de CC entre dos puntos del circuito puede cambiar de signo. Esto requiere el uso de condensadores electrolíticos no polares, cuya estructura interna equivale a dos condensadores polares conectados en serie.

Inductancia

placa de circuito impreso

La propia placa de circuito impreso tiene las características de los componentes pasivos comentados anteriormente, aunque no tan obvias.

El patrón de conductores en una placa de circuito impreso puede ser tanto una fuente como un receptor de interferencias. Un buen cableado reduce la sensibilidad del circuito analógico a las fuentes de radiación.

La placa de circuito impreso es susceptible a la radiación porque los conductores y cables de los componentes forman una especie de antena. La teoría de las antenas es un tema bastante complejo de estudiar y no se trata en este artículo. Sin embargo, aquí se proporcionan algunos conceptos básicos.

Un poco de teoría de las antenas.

En corriente continua o bajas frecuencias predomina el componente activo. A medida que aumenta la frecuencia, el componente reactivo se vuelve cada vez más significativo. En el rango de 1 kHz a 10 kHz, el componente inductivo comienza a actuar y el conductor ya no es un conector de baja impedancia, sino que actúa como un inductor.

Normalmente, las pistas en una placa de circuito impreso tienen valores de 6 nH a 12 nH por centímetro de longitud. Por ejemplo, un conductor de 10 cm tiene una resistencia de 57 mOhm y una inductancia de 8 nH por cm. A una frecuencia de 100 kHz, la reactancia pasa a ser de 50 mOhm, y a frecuencias más altas el conductor será de inductancia en lugar de resistivo. .

La regla para una antena de látigo es que comienza a interactuar notablemente con el campo aproximadamente a 1/20 de la longitud de onda, y la interacción máxima ocurre con una longitud de varilla de 1/4 de la longitud de onda. Por tanto, el conductor de 10 cm del ejemplo del párrafo anterior empezará a convertirse en una antena bastante buena en frecuencias superiores a 150 MHz. Hay que recordar que a pesar de que el generador de reloj de un circuito digital puede no funcionar a frecuencias superiores a 150 MHz, siempre hay armónicos más altos en su señal. Si la placa de circuito impreso contiene componentes con clavijas de longitud considerable, dichas clavijas también pueden servir como antenas.

El otro tipo principal de antena es la antena de cuadro. La inductancia de un conductor recto aumenta mucho cuando se dobla y forma parte de un arco. El aumento de la inductancia reduce la frecuencia a la que la antena comienza a interactuar con las líneas de campo.

Los diseñadores de PCB experimentados con un conocimiento razonable de la teoría de las antenas de bucle saben que no deben diseñar bucles para señales críticas. Algunos diseñadores, sin embargo, no piensan en esto y los conductores de corriente de señal y de retorno en sus circuitos son bucles.

La teoría de la reflexión y adaptación de señales se acerca a la teoría de las antenas.

Cuando el conductor de la PCB se gira en un ángulo de 90°, puede producirse un reflejo de la señal. Esto se debe principalmente a cambios en el ancho del camino actual. En el vértice de la esquina, el ancho de la traza aumenta 1,414 veces, lo que conduce a una discrepancia en las características de la línea de transmisión, especialmente la capacitancia distribuida y la propia inductancia de la traza. Muy a menudo es necesario girar la pista en una placa de circuito impreso 90°. Muchos paquetes CAD modernos le permiten suavizar las esquinas de rutas dibujadas o dibujar rutas en forma de arco. La Figura 9 muestra dos pasos para mejorar la forma de la esquina. Sólo el último ejemplo mantiene un ancho de camino constante y minimiza los reflejos.

Consejo para diseñadores de PCB experimentados: deje el proceso de suavizado para la última etapa del trabajo antes de crear pines en forma de lágrima y rellenar polígonos. De lo contrario, el paquete CAD tardará más en suavizarse debido a cálculos más complejos.

El acoplamiento capacitivo se produce entre conductores de PCB en diferentes capas cuando se cruzan. A veces esto puede crear un problema. Los conductores colocados uno encima del otro en capas adyacentes crean un condensador de película larga.

Por ejemplo, una placa de circuito impreso puede tener los siguientes parámetros:
- 4 capas; las capas de polígono de señal y tierra son adyacentes,
- espacio entre capas - 0,2 mm,
- ancho del conductor - 0,75 mm,
- longitud del conductor - 7,5 mm.

La constante dieléctrica ER típica para FR-4 es 4,5.

El valor de capacitancia entre estos dos buses es 1,1 pF. Incluso una capacidad aparentemente tan pequeña es inaceptable para algunas aplicaciones.

La amplitud de la señal de salida se duplica en frecuencias cercanas al límite superior del rango de frecuencia del amplificador operacional. Esto, a su vez, puede provocar oscilaciones, especialmente en las frecuencias de funcionamiento de la antena (por encima de 180 MHz).

Este efecto da lugar a numerosos problemas, para los que, sin embargo, existen muchas maneras de solucionarlos. El más obvio de ellos es la reducción de la longitud de los conductores. Otra forma es reducir su ancho. No hay razón para utilizar un conductor de este ancho para conectar la señal a la entrada inversora, porque A través de este conductor fluye muy poca corriente. Reducir la longitud de la pista a 2,5 mm y el ancho a 0,2 mm conducirá a una disminución de la capacitancia a 0,1 pF, y dicha capacitancia ya no conducirá a un aumento tan significativo en la respuesta de frecuencia. Otra solución es quitar parte del polígono debajo de la entrada inversora y el conductor que va a ella.

El ancho de los conductores de la PCB no se puede reducir indefinidamente. El ancho máximo está determinado tanto por el proceso tecnológico como por el espesor de la lámina. Si dos conductores pasan cerca uno del otro, se forma entre ellos un acoplamiento capacitivo e inductivo.

Los conductores de señal no deben tenderse paralelos entre sí, excepto en el caso de líneas diferenciales o microstrip. La separación entre conductores debe ser al menos tres veces el ancho de los conductores.

La capacitancia entre pistas en circuitos analógicos puede crear problemas con valores de resistencia grandes (varios megaohmios). El acoplamiento capacitivo relativamente grande entre las entradas inversoras y no inversoras de un amplificador operacional puede hacer que el circuito oscile fácilmente.

Por ejemplo, con d=0,4 mm y h=1,5 mm (valores bastante comunes), la inductancia del agujero es 1,1 nH.

Recuerde que si hay grandes resistencias en el circuito, se debe prestar especial atención a la limpieza de la placa. Durante las operaciones finales de fabricación de una placa de circuito impreso, se deben eliminar cualquier resto de fundente y contaminantes. Recientemente, al instalar placas de circuito impreso, se utilizan a menudo fundentes solubles en agua. Al ser menos dañinos, se eliminan fácilmente con agua. Pero al mismo tiempo, lavar la placa con agua insuficientemente limpia puede provocar una contaminación adicional que empeore las características dieléctricas. Por lo tanto, es muy importante limpiar la placa de circuito de alta impedancia con agua destilada fresca.

AISLAMIENTO DE SEÑAL

Como ya se señaló, las interferencias pueden penetrar en la parte analógica del circuito a través de los circuitos de alimentación. Para reducir dicha interferencia, se utilizan condensadores de desacoplamiento (bloqueo) para reducir la impedancia local de los buses de energía.

Si necesita diseñar una placa de circuito impreso que tenga partes analógicas y digitales, entonces debe tener al menos un pequeño conocimiento de las características eléctricas de los elementos lógicos.

Una etapa de salida típica de un elemento lógico contiene dos transistores conectados en serie entre sí, así como entre los circuitos de alimentación y de tierra.

Lo ideal es que estos transistores funcionen estrictamente en antifase, es decir. cuando uno de ellos está abierto, en el mismo momento el segundo se cierra, generando una señal lógica uno o cero lógica en la salida. En el estado lógico de estado estacionario, el consumo de energía del elemento lógico es pequeño.

La situación cambia drásticamente cuando la etapa de salida cambia de un estado lógico a otro. En este caso, durante un corto período de tiempo, ambos transistores pueden estar abiertos simultáneamente y la corriente de suministro de la etapa de salida aumenta considerablemente, ya que la resistencia de la ruta de corriente desde el bus de alimentación al bus de tierra a través de dos transistores conectados en serie disminuye. El consumo de energía aumenta bruscamente y luego también disminuye, lo que provoca un cambio local en la tensión de alimentación y la aparición de un cambio brusco y de corta duración en la corriente. Estos cambios en la corriente dan como resultado la emisión de energía de radiofrecuencia. Incluso en una placa de circuito impreso relativamente simple puede haber decenas o cientos de etapas de salida consideradas de elementos lógicos, por lo que el efecto total de su funcionamiento simultáneo puede ser muy grande.

Es imposible predecir con precisión el rango de frecuencia en el que se producirán estas sobretensiones, ya que la frecuencia de su aparición depende de muchos factores, incluido el retardo de propagación de los transistores de conmutación del elemento lógico. El retraso, a su vez, también depende de muchas razones aleatorias que surgen durante el proceso de producción. El ruido de conmutación tiene una distribución de banda ancha de componentes armónicos en todo el rango. Existen varios métodos para suprimir el ruido digital, cuya aplicación depende de la distribución espectral del ruido.

La Tabla 2 muestra las frecuencias operativas máximas para los tipos de condensadores comunes.

Tabla 2

De la tabla se desprende claramente que los condensadores electrolíticos de tantalio se utilizan para frecuencias inferiores a 1 MHz; a frecuencias más altas, se deben utilizar condensadores cerámicos. Debe recordarse que los condensadores tienen su propia resonancia y su elección incorrecta puede no solo no ayudar, sino también agravar el problema. La Figura 15 muestra las autorresonancias típicas de dos condensadores comunes: electrolítico de tantalio de 10 μF y cerámico de 0,01 μF.

Las especificaciones reales pueden variar entre diferentes fabricantes e incluso de un lote a otro dentro del mismo fabricante. Es importante comprender que para que un condensador funcione eficazmente, las frecuencias que suprime deben estar en un rango más bajo que su propia frecuencia de resonancia. De lo contrario, la naturaleza de la reactancia será inductiva y el condensador ya no funcionará eficazmente.

No se equivoque al pensar que un condensador de 0,1 µF suprimirá todas las frecuencias. Los condensadores pequeños (10 nF o menos) pueden funcionar de manera más eficiente a frecuencias más altas.

Desacoplamiento de potencia IC

Desacoplar la fuente de alimentación de circuitos integrados para suprimir el ruido de alta frecuencia consiste en utilizar uno o más condensadores conectados entre los pines de alimentación y tierra. Es importante que los conductores que conectan los cables a los condensadores estén cortos. Si este no es el caso, entonces la autoinductancia de los conductores jugará un papel importante y anulará las ventajas del uso de condensadores de desacoplamiento.

Se debe conectar un capacitor de desacoplamiento a cada paquete de chip, independientemente de si hay 1, 2 o 4 amplificadores operacionales dentro del paquete. Si el amplificador operacional tiene suministro dual, entonces no hace falta decir que los capacitores de desacoplamiento deben ubicarse en cada pin de alimentación. El valor de capacitancia debe seleccionarse cuidadosamente según el tipo de ruido e interferencia presentes en el circuito.

En casos especialmente difíciles, puede ser necesario añadir una inductancia conectada en serie con la salida de potencia. La inductancia debe ubicarse antes, no después, de los capacitores.

Otra forma más económica es sustituir la inductancia por una resistencia de baja resistencia (10...100 ohmios). En este caso, la resistencia forma junto con el condensador de desacoplamiento un filtro de paso bajo. Este método reduce el rango de suministro de energía del amplificador operacional, que también se vuelve más dependiente del consumo de energía.

Normalmente, para suprimir el ruido de baja frecuencia en los circuitos de alimentación, basta con utilizar uno o más condensadores electrolíticos de aluminio o tantalio en el conector de entrada de alimentación. Un condensador cerámico adicional suprimirá las interferencias de alta frecuencia de otras placas.

AISLAMIENTO DE SEÑALES DE ENTRADA Y SALIDA

Muchos problemas de ruido resultan de la conexión directa de los pines de entrada y salida. Como resultado de las limitaciones de alta frecuencia de los componentes pasivos, la respuesta de un circuito cuando se expone a ruido de alta frecuencia puede ser bastante impredecible.

En una situación en la que el rango de frecuencia del ruido inducido es significativamente diferente del rango de frecuencia del circuito, la solución es simple y obvia: colocar un filtro RC pasivo para suprimir las interferencias de alta frecuencia. Sin embargo, cuando se utiliza un filtro pasivo, hay que tener cuidado: sus características (debido a las características de frecuencia no ideales de los componentes pasivos) pierden sus propiedades en frecuencias 100...1000 veces superiores a la frecuencia de corte (f3db). Cuando se utilizan filtros conectados en serie sintonizados en diferentes rangos de frecuencia, el filtro de frecuencia más alta debe estar más cerca de la fuente de interferencia. Los inductores de anillo de ferrita también se pueden utilizar para suprimir el ruido; Conservan el carácter inductivo de la resistencia hasta una determinada frecuencia y, por encima de ella, su resistencia se vuelve activa.

La interferencia en un circuito analógico puede ser tan grande que sólo es posible eliminarla (o al menos reducirla) mediante el uso de pantallas. Para funcionar eficazmente, deben diseñarse cuidadosamente para que las frecuencias que causan más problemas no puedan ingresar al circuito. Esto significa que la pantalla no debe tener agujeros o cortes mayores a 1/20 de la longitud de onda de la radiación que se está apantallando. Es una buena idea asignar suficiente espacio para el blindaje propuesto desde el principio del diseño de la PCB. Cuando utilice un blindaje, opcionalmente puede utilizar anillos (o cuentas) de ferrita para todas las conexiones al circuito.

CAJAS DE AMPLIFICADOR OPERACIONAL

Por lo general, se colocan uno, dos o cuatro amplificadores operacionales en un paquete.

Un único amplificador operacional a menudo también tiene entradas adicionales, por ejemplo para ajustar el voltaje de compensación. Los amplificadores operacionales duales y cuádruples solo tienen entradas y salidas inversoras y no inversoras. Por lo tanto, si es necesario realizar ajustes adicionales, es necesario utilizar amplificadores operacionales únicos. Al utilizar salidas adicionales hay que recordar que por su estructura son entradas auxiliares, por lo que se deben controlar con cuidado y de acuerdo con las recomendaciones del fabricante.

En un amplificador operacional único, la salida está ubicada en el lado opuesto de las entradas. Esto puede dificultar el funcionamiento del amplificador a altas frecuencias debido a las largas líneas de retroalimentación. Una forma de superar esto es colocar el amplificador y los componentes de retroalimentación en diferentes lados de la PCB. Sin embargo, esto da como resultado al menos dos agujeros y cortes adicionales en el polígono del suelo. A veces vale la pena usar un amplificador operacional dual para resolver este problema, incluso si no se usa el segundo amplificador (y sus pines deben estar conectados correctamente).

Los amplificadores operacionales duales son especialmente comunes en amplificadores estéreo, y los amplificadores operacionales cuádruples se utilizan en circuitos de filtro multietapa. Sin embargo, esto tiene una desventaja bastante significativa. Aunque la tecnología moderna proporciona un aislamiento decente entre las señales del amplificador en el mismo chip de silicio, todavía existe cierta diafonía entre ellas. Si es necesario tener una cantidad muy pequeña de dicha interferencia, entonces es necesario utilizar amplificadores operacionales únicos. La diafonía no sólo ocurre cuando se utilizan amplificadores duales o cuádruples. Su origen puede ser la proximidad muy cercana de componentes pasivos de diferentes canales.

Los amplificadores operacionales duales y cuádruples, además de los anteriores, permiten una instalación más densa. Los amplificadores individuales parecen ser una imagen especular entre sí.
Es necesario prestar atención al hecho de que los conductores del controlador de voltaje medio están ubicados directamente debajo de la carcasa del circuito integrado, lo que permite reducir su longitud. Este ejemplo ilustra no lo que debería ser, sino lo que debería hacerse. El nivel de tensión medio, por ejemplo, podría ser el mismo para los cuatro amplificadores. Los componentes pasivos se pueden dimensionar en consecuencia. Por ejemplo, los componentes planos del tamaño de bastidor 0402 coinciden con el espacio entre pasadores de un encapsulado SO estándar. Esto permite que las longitudes de los conductores se mantengan muy cortas para aplicaciones de alta frecuencia.

Al colocar amplificadores operacionales en paquetes DIP y componentes pasivos con cables conductores, se deben proporcionar vías en la placa de circuito impreso para montarlos. Dichos componentes se utilizan actualmente cuando no existen requisitos especiales para las dimensiones de la placa de circuito impreso; Suelen ser más baratos, pero el coste de la placa de circuito impreso aumenta durante el proceso de fabricación debido a la perforación de orificios adicionales para los cables de los componentes.

Además, cuando se utilizan componentes externos, aumentan las dimensiones de la placa y la longitud de los conductores, lo que no permite que el circuito funcione a altas frecuencias. Las vías tienen su propia inductancia, lo que también limita las características dinámicas del circuito. Por lo tanto, no se recomiendan los componentes aéreos para implementar circuitos de alta frecuencia o para circuitos analógicos colocados cerca de circuitos lógicos de alta velocidad.

Algunos diseñadores, tratando de reducir la longitud de los conductores, colocan resistencias verticalmente. A primera vista puede parecer que esto acorta la longitud del recorrido. Sin embargo, esto aumenta el camino de la corriente a través de la resistencia, y la resistencia misma representa un bucle (vuelta de inductancia). La capacidad de emisión y recepción aumenta muchas veces.

El montaje en superficie no requiere un orificio para cada cable de componente. Sin embargo, surgen problemas al probar el circuito y es necesario utilizar vías como puntos de prueba, especialmente cuando se utilizan componentes pequeños.

SECCIONES DEL AMP OP NO UTILIZADAS

Cuando se utilizan amplificadores operacionales duales y cuádruples en un circuito, es posible que algunas secciones queden sin usar y, en este caso, deben conectarse correctamente. Las conexiones incorrectas pueden provocar un mayor consumo de energía, más calor y más ruido de los amplificadores operacionales utilizados en el mismo paquete. Los pines de los amplificadores operacionales no utilizados se pueden conectar así: la salida del amplificador se conecta a la entrada inversora.

CONCLUSIÓN

Recuerde los siguientes puntos básicos y téngalos en cuenta en todo momento al diseñar y cablear circuitos analógicos.

• piense en una placa de circuito impreso como un componente de un circuito eléctrico;
• tener conocimiento y comprensión de las fuentes de ruido e interferencias;
• Modelo y diseño de circuitos.

Placa de circuito impreso:

• utilice placas de circuito impreso únicamente hechas de material de alta calidad (por ejemplo, FR-4);
• los circuitos fabricados en placas de circuito impreso multicapa son 20 dB menos susceptibles a interferencias externas que los circuitos fabricados en placas de doble capa;
• utilice polígonos separados y que no se superpongan para diferentes terrenos y fuentes;
• Coloque los polígonos de tierra y energía en las capas internas de la PCB.

Componentes:

• Tenga en cuenta las limitaciones de frecuencia introducidas por los componentes pasivos y las trazas de la placa;
• trate de evitar la colocación vertical de componentes pasivos en circuitos de alta velocidad;
• Para circuitos de alta frecuencia, utilice componentes diseñados para montaje en superficie;
• los conductores deberían ser más cortos, mejor;
• si se requiere una longitud de conductor mayor, reduzca su ancho;
• Los pines no utilizados de los componentes activos deben conectarse correctamente.

Alambrado:

• coloque el circuito analógico cerca del conector de alimentación;
• nunca encamine conductores que transmitan señales lógicas a través del área analógica de la placa y viceversa;
• acortar los conductores adecuados para la entrada inversora del amplificador operacional;
• asegúrese de que los conductores de las entradas inversoras y no inversoras del amplificador operacional no estén ubicados paralelos entre sí a una gran distancia;
• Trate de evitar el uso de vías adicionales, porque... su propia inductancia puede causar problemas adicionales;
• No tienda los conductores en ángulo recto y, si es posible, alise la parte superior de las esquinas.

Intercambio:

• utilizar los tipos correctos de condensadores para suprimir el ruido en los circuitos de suministro de energía;
• para suprimir las interferencias y el ruido de baja frecuencia, utilice condensadores de tantalio en el conector de entrada de alimentación;
• Para suprimir el ruido y las interferencias de alta frecuencia, utilice condensadores cerámicos en el conector de entrada de alimentación;
• use condensadores cerámicos en cada pin de alimentación del microcircuito; si es necesario, utilice varios condensadores para diferentes rangos de frecuencia;
• si se produce excitación en el circuito, entonces es necesario utilizar condensadores con un valor de capacitancia más bajo y no más grande;
• en casos difíciles, utilice resistencias conectadas en serie de baja resistencia o inductancia en los circuitos de potencia;
• Los condensadores de desacoplamiento de potencia analógicos solo deben conectarse a la tierra analógica, no a la tierra digital.

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En equipos VHF de tamaño pequeño, las bobinas de bucle y las bobinas de RF ocupan cantidades relativamente grandes de espacio en la placa. A menudo determinan la altura total de la placa de circuito. En algunos casos, puede ser aconsejable utilizar bobinas planas, impresas y de alambre. La base de las bobinas de RF impresas suele ser cerámica especial de alta frecuencia. La tecnología de producción de tales carretes no es adecuada para las condiciones de aficionados. Sin embargo, como muestra la práctica, hasta frecuencias de 80-100 MHz, se pueden obtener resultados bastante satisfactorios utilizando bobinas hechas de fibra de vidrio recubierta con una lámina mediante grabado. El uso de láminas fluoroplásticas para las bobinas de impresión permite llevar el límite de frecuencia a 200-300 MHz. Las bobinas de alambre plano tienen una resistencia mecánica satisfactoria, una capacitancia intrínseca relativamente pequeña, facilidad de fabricación y pueden usarse en frecuencias de hasta 10 MHz. Se puede obtener un aumento significativo en la inductancia y el factor de calidad de las bobinas planas impresas y de alambre si se colocan placas de ferrita en uno o ambos lados de la bobina. Al cambiar la distancia entre la bobina y la placa (usando un conjunto de espaciadores no magnéticos o de otra manera), se puede cambiar la inductancia de la bobina. Puede ajustar la inductancia dentro de ciertos límites utilizando una bandera hecha de metal no magnético (cobre o aluminio) que se mueve cerca de la bobina paralela a ella. Es conveniente pegar los carretes de alambre directamente al tablero o a una placa separada unida al tablero. Las bobinas de impresión pueden tener cualquier forma. La salida de la vuelta exterior debe estar "conectada a tierra" en el tablero; en este caso desempeña el papel de una pantalla. Además, puede proteger la bobina impresa con otra bobina abierta externa conectada al cable común del dispositivo. En la foto se muestran ejemplos de bobinas.

Puede calcular bobinas con suficiente precisión para un radioaficionado utilizando nomogramas. El procedimiento para calcular las bobinas impresas y de alambre es similar, la diferencia es que el ancho de la pista impresa de una bobina impresa corresponde al diámetro de cobre del alambre de la bobina de alambre, y el ancho del espacio entre las pistas corresponde al doble el espesor del aislamiento del cable.

Las dimensiones de diseño de las bobinas se muestran en la Fig. 1, a y b. Los nomogramas para el cálculo se muestran en la Fig. 2 y 3. Como ejemplo, a continuación consideramos el cálculo de una bobina impresa redonda (sin núcleo) con una inductancia de 0,64 μH. Elegimos el diámetro exterior más grande D de la bobina igual a 20 mm, el diámetro interior más pequeño d = 8 mm. Es necesario encontrar el número de vueltas w, el ancho de la pista impresa S y la distancia Sr entre los centros C1 y C2 de los semicírculos de la bobina. El nomograma para calcular bobinas redondas se muestra en la Fig. 2. Calcular: D + d=20 + 8 = 28 mm = 2,8 cm: D/d = 20:8 = 2,5. En las escalas “D+d” y “D/d” encontramos los puntos correspondientes y los conectamos con una línea recta (línea discontinua en la Fig. 2). Por el punto de intersección de esta recta con la recta auxiliar no digitalizada y el punto de la escala “L” correspondiente a la inductancia dada L = 0,64 μH, trazamos una línea recta hasta que se cruza con la escala “w”, a lo largo de la cual Contamos el número requerido de vueltas: 6,5. Los valores de D + d, D/d o L en las escalas del nomograma se pueden aumentar (disminuir) 10 o 100 veces, mientras que los valores de w cambiarán correspondientemente a la raíz de 10 y a la raíz de 100. veces. El ancho S, mm, del conductor impreso se calcula mediante la fórmula: S>=Sr = (D - d)/4w; diámetro del aislamiento del cable de la bobina de cable - diz = (D - d)/2w. Redondeamos el resultado obtenido al valor superior más cercano de la serie 0,5; 0,75; 1,0; 1,25; 1,5 mm, etc. Sr= (20-8)/4x6,5=0,46; S=0,5 mm. Para valores pequeños de Sr, se debe tomar Sr = S. Para bobinas de alambre, diz se redondea al diámetro de aislamiento de alambre estándar más cercano. El patrón en espiral se aplica a la textolita de vidrio recubierta con una lámina con un compás, en el que se instala un bolígrafo lleno de pintura químicamente resistente. Los semicírculos superiores (ver Fig. 1a) se dibujan desde el centro de C1 y los inferiores desde C2. La distancia Sr debe mantenerse con la mayor precisión posible. Una vez seca la pintura, la bobina se graba, como de costumbre, en una solución de cloruro férrico. Las bobinas impresas de forma cuadrada se calculan utilizando el nomograma que se muestra en la Fig. 3. Se pueden obtener analíticamente resultados más precisos para el cálculo de bobinas planas, utilizando las fórmulas utilizadas para construir los nomogramas. Estas fórmulas se muestran en la Fig. 2 y 3. Las dimensiones de las cantidades en las fórmulas corresponden a las indicadas en los nomogramas. Los valores de las funciones “phi” (D/d y f(a/A) se resumen en las Tablas 1 y 2. Las bobinas de alambre plano se enrollan en un marco plegable entre dos mejillas montadas en una varilla. El diámetro de la El núcleo del marco debe ser igual al diámetro interno de la bobina y la distancia entre las mejillas es el diámetro del cable a lo largo del aislamiento. Durante el proceso de bobinado, el alambre se humedece con pegamento BF~2. Las mejillas deben estar hechas de un material que tenga poca adherencia al pegamento (fluoroplástico, viniflex). El marco se desmonta después de que se haya secado el pegamento. Las bobinas fabricadas se pegan directamente al tablero o a una placa de ferrita montada en el tablero. Las bobinas que se muestran en el título del artículo tienen los siguientes parámetros medidos: redondo impreso (D = 40 mm) - inductancia 1,4 μH, factor de calidad 95; cuadrado (A = 30 mm) - 0,9 µH y 180, parte superior del alambre (D = 15 mm, alambre PEV-1 0,18) - 7,5 µH y 48; medio (D = 11,9 mm, cable PEV-2 0,1) - 9,5 μH y 48 e inferior (D = 9 mm, cable PEL 0,05) - 37 μH y 43

Las bobinas impresas planas se utilizan con mayor frecuencia en los rangos de longitud de onda de metros y decímetros para reducir el tamaño del dispositivo. Suelen fabricarse con bobinas redondas, cuadradas o en forma de meandro, aunque también es posible en forma de polígono. Recientemente, con la llegada de la tecnología de placas de circuito impreso multicapa, también han aparecido bobinas multicapa en una placa de circuito impreso. El uso de un núcleo hecho de material magnético es ineficaz, ya que dicho núcleo se retira de las espiras de la bobina y puede cambiar su inductancia entre un 3 y un 5%, lo que en la mayoría de los casos no es suficiente. Por lo tanto, los inductores impresos se utilizan en la mayoría de los casos cuando no se requiere ajuste y el valor de la inductancia no excede las unidades de microhenrios.

En nuestro sitio web puede utilizar una calculadora en línea para calcular bobinas en una placa de circuito impreso.

En el programa Coil32, a partir de la versión 9.6, las bobinas impresas planas con vueltas redondas y cuadradas se calculan mediante la fórmula empírica general:

• l- inductancia (μH)
• D- diámetro exterior de la espiral (mm)
• d- diámetro interno de la espiral (mm)
• norte- número de vueltas
• D promedio- diámetro medio de la bobina (mm)
• φ - factor de llenado

Los coeficientes c 1 - c 4 se resumen en la tabla:

El paso de bobinado en la figura se indica como " s". Sin cambios " s", si aumenta el ancho de la vuelta, aumenta el factor de calidad de la bobina y su propia capacitancia. Por lo general, para minimizar el tamaño de la bobina, el ancho del conductor impreso se acerca a la distancia entre los conductores, por lo que en la fórmula la influencia de " s" la cantidad de inductancia no se tiene en cuenta. El valor óptimo d/D = 0,4 para una bobina redonda y el programa la selecciona automáticamente. Para una bobina cuadrada, el valor óptimo es d/D = 0,362 y el programa también lo selecciona automáticamente.

El error al calcular la inductancia utilizando esta fórmula no excede el 8% cuando s no supera 3w, es decir si el espacio entre las tiras no es más del doble del ancho de la tira.

El elemento inductivo en forma de conductor impreso directo se calcula mediante la siguiente fórmula empírica:

, Dónde:

• l- inductancia (μH)
• yo- longitud del conductor (mm)
• b- ancho del conductor (mm)

Estos elementos inductivos se utilizan a menudo en filtros UHF. Dado que la capacitancia intrínseca de un elemento inductivo de este tipo es bastante grande, hay que tener en cuenta que es más correcto representarlo como un segmento de una línea larga con parámetros distribuidos. Sin embargo, para cálculos aproximados la simplificación del modelo adoptado aquí es bastante aceptable.