Montage d'inductances sur de simples circuits imprimés. Bases de la disposition des PCB. Découplage de puissance IC

Technologie « fer-laser » pour la fabrication de circuits imprimés(ULT) s'est répandu en quelques années dans les milieux radioamateurs et permet d'obtenir des circuits imprimés d'assez bonne qualité. Les circuits imprimés dessinés à la main demandent beaucoup de temps et ne sont pas à l’abri d’erreurs.

Des exigences particulières en matière de précision des motifs sont imposées dans la fabrication d'inductances imprimées pour circuits haute fréquence. Les bords des conducteurs de la bobine doivent être aussi lisses que possible, car cela affecte leur facteur de qualité. Dessiner manuellement une bobine en spirale multitours est très problématique, et ici l'ULT pourrait bien avoir son mot à dire.

Riz. 1

Riz. 2

Donc tout est en ordre. Nous lançons le programme informatique SPRINT-LAYOUT, par exemple, version 5.0. Définir dans les paramètres du programme :

Échelle de grille - 1,25 mm ;

Largeur de ligne - 0,8 mm ;

Dimensions de la planche - 42,5x42,5 mm ;

Le diamètre extérieur du « patch » est de 1,5 mm ;

Le diamètre du trou dans le « patch » est de 0,5 mm.

Trouvez le centre de la carte et dessinez un modèle de conducteur de bobine (Fig. 1).le long de la grille de coordonnées à l'aide de l'outil CONDUCTEUR, en tournant la bobine dans le sens souhaité (le modèle nécessite une image miroir, mais elle peut être obtenue plus tard, lors de l'impression). Nous installons un « patch » au début et à la fin de la bobine pour connecter la bobine aux éléments du circuit.

Dans les paramètres d'impression, nous définissons le nombre d'impressions sur une feuille, la distance entre les impressions et, s'il est nécessaire de « tordre » la bobine dans l'autre sens, l'impression miroir du motif. Vous devez imprimer sur du papier lisse ou un film spécial, en réglant les paramètres de l'imprimante sur la quantité maximale de toner lors de l'impression.

Ensuite, nous suivons la norme ULT. Nous préparons une feuille de fibre de verre, nettoyons la surface de la feuille et la dégraissons, par exemple avec de l'acétone. Nous appliquons le modèle avec du toner sur la feuille et le repassons avec un fer chaud à travers une feuille de papier jusqu'à ce que le toner adhère solidement à la feuille.

Ensuite, trempez le papier sous l'eau courante du robinet (froide ou à température ambiante) et retirez-le délicatement en « pastilles », en laissant le toner sur la feuille du carton. Nous gravons le tableau puis en retirons le toner avec un solvant, par exemple de l'acétone. Un conducteur clair d'un inducteur « imprimé » de haute qualité reste sur la carte.

Les bobines imprimées avec des tours en spirale utilisant ULT sont de qualité légèrement moins bonne. Cela est dû à la forme carrée des pixels de l'image, de sorte que les bords du conducteur de la bobine en spirale sont irréguliers. Certes, ces irrégularités sont assez faibles et la qualité du moulinet, en général, reste supérieure à celle d'un fonctionnement manuel.

Ouvrez à nouveau le programme SPRINT-LAYOUT version 5.0. Dans la boîte à outils, sélectionnez SPECIAL FORM - un outil pour dessiner des polygones et des spirales. Sélectionnez l'onglet SPIRALE. Installer:

Rayon de départ (START RADIUS) -2 mm ;

Distance entre les tours (DISTANCE) - 1,5 mm ;

Largeur du conducteur (LARGEUR DE PISTE) -0,8 mm ;

Le nombre de tours (TURNS), par exemple, est de 20.

La taille de la planche occupée par une telle bobine est de 65x65 mm (Fig. 2).

Les bobines imprimées sont généralement couplées dans des filtres passe-bande (BPF) à l'aide de petits condensateurs. Cependant, leur couplage inductif est également possible, dont le degré peut être modifié en modifiant la distance entre les plans des bobines ou en les faisant tourner de manière excentrique l'une par rapport à l'autre. Un montage fixe des bobines les unes par rapport aux autres peut être réalisé

Construisez à l’aide d’entretoises diélectriques.

L'inductance des bobines peut être ajustée en court-circuitant les spires, en cassant le conducteur imprimé ou en le retirant partiellement. Cela augmentera la fréquence de réglage du circuit. Une réduction de fréquence peut être obtenue en soudant des condensateurs de type CMS de petite capacité entre les spires.

Fabrication de bobines VHF en forme de méandre, de lignes droites et courbes, de filtres peignes, etc. l'utilisation de l'ULT ajoute également de l'élégance au produit final et, en règle générale, augmente son facteur de qualité (en raison des bords « lisses » des conducteurs imprimés). Cependant, lors de la production, il convient de garder à l'esprit la qualité du matériau du substrat (fibre de verre). , qui perd ses propriétés isolantes avec l'augmentation de la fréquence. Dans des circuits équivalents, la résistance de perte dans le diélectrique doit être connectée en parallèle avec les bobines imprimées, et cette résistance sera plus faible, plus la fréquence de fonctionnement est élevée et plus la qualité du diélectrique est mauvaise .

En pratique, la feuille de fibre de verre peut être pleinement utilisée pour la fabrication de circuits imprimés résonants jusqu'à la portée de 2 mètres inclus (jusqu'à environ 150 MHz). Des qualités spéciales de fibre de verre haute fréquence peuvent être utilisées dans la plage de 70 cm (jusqu'à environ 470...500 MHz). À des fréquences plus élevées, il convient d'utiliser du fluoroplastique RF (téflon), de la céramique ou du verre recouvert d'une feuille.

Un inducteur imprimé présente un facteur de qualité accru en raison d'une diminution de la capacité entre spires, obtenue, d'une part, en raison de la faible épaisseur de la feuille, et d'autre part, du pas « d'enroulement » de la bobine. Un cadre fermé de feuille mise à la terre autour de la bobine imprimée dans son plan sert de blindage contre les autres bobines et conducteurs imprimés, mais a peu d'effet sur les paramètres de la bobine si sa périphérie est sous basse tension RF (connectée à un fil commun) et son centre est en dessous.

Littérature

1. G. Panasenko. Fabrication de bobines d'impression. - Radio, 1987, n°5, p.62.

De nombreux éléments de circuit peuvent être produits par impression : résistances, condensateurs, inductances, bobines multitours de transformateurs et selfs, interrupteurs et connecteurs.

Les résistances imprimées sont réalisées en appliquant de minces films de vernis sur la surface de la carte.

Leur configuration (Fig. 35, a) peut être très diverse et dépend de la possibilité d'assurer la résistance mécanique et les conditions de transfert thermique. Des résistances variables sont également produites par impression, qui sont constituées d'une couche conductrice de carbone ou de métal en forme d'arc et d'un curseur de contact glissant le long de la surface de l'élément conducteur. La valeur résistive de la résistance imprimée dépend de la composition de la suspension, de la forme du motif et de l'épaisseur du film.

Les résistances composites à film de type SZ-4 sont largement utilisées. Ces résistances sont fabriquées directement à la surface de la microcarte. Ils peuvent être utilisés dans la plage de température de -60 à +125°C, et la puissance dissipée par les microrésistances ne dépasse pas 0,25 W.

Les condensateurs imprimés sont fabriqués en appliquant deux plaques conductrices des deux côtés de la base isolante (Fig. 35, b). La capacité d'un condensateur est déterminée par la surface de ses plaques et l'épaisseur du diélectrique (carte). En figue. 35, c montre un condensateur imprimé semi-alternatif, dans lequel la plaque de stator est appliquée directement sur la base isolante de la carte, et la plaque de rotor est appliquée sur un disque en céramique, qui peut tourner autour d'un axe parallèle au plan du carte, changeant la valeur de la capacité. L'utilisation de matériaux céramiques permet d'obtenir des condensateurs stables avec des calibres de quelques à plusieurs centaines de picofarads et une tension de fonctionnement de 100V ou plus.

Les inducteurs imprimés (Fig. 35, d) sont réalisés sous la forme de lignes métallisées en spirale plates de formes rondes, ovales, carrées ou autres imprimées sur la carte. La quantité d'inductance de ces bobines dépend du nombre de tours de la bobine, de la distance qui les sépare et de leur diamètre. Pour augmenter l'inductance des bobines imprimées, elles sont réalisées multicouches, une bobine étant séparée de l'autre par une couche isolante de vernis, et les extrémités des bobines sont reliées les unes aux autres en série. Dans certains cas, une augmentation de l'inductance est obtenue en introduisant des noyaux magnétoélectriques au centre de la spirale ou en appliquant une couche de peinture magnétique dans le champ de la bobine. Sur les circuits imprimés, vous pouvez également créer une inductance variable, pour laquelle une plaque de cuivre ou d'aluminium est installée au-dessus de la bobine imprimée, qui peut être déplacée.

Pour augmenter le facteur de qualité des bobines, une couche d'argent d'une épaisseur de 20...50 microns leur est ajoutée par voie galvanique.

Les transformateurs et selfs imprimés sont fabriqués en appliquant des bobines en spirale individuelles sur une base flexible en plastique fluoré, en tissu verni, en papier cuit ou en d'autres matériaux isolants. Les enroulements imprimés sont connectés les uns aux autres en série et placés dans un boîtier spécial ou pressés dans une coque en plastique.

Les interrupteurs et connecteurs imprimés peuvent être réalisés soit directement sur le circuit imprimé du récepteur radio, soit sur des cartes séparées. Un interrupteur imprimé, même de la plus grande complexité, est moins cher qu'un interrupteur fabriqué par toute autre méthode. Pour augmenter la résistance à l'abrasion des contacts imprimés des interrupteurs, ils sont recouverts d'argent, ce qui garantit un fonctionnement fiable jusqu'à plusieurs centaines de milliers de commutations. Pour assurer une durabilité accrue, les contacts en cuivre des interrupteurs sont recouverts d'une couche de rhodium d'une épaisseur de 6... 10 microns.

Les éléments imprimés sont blindés, si nécessaire, en appliquant une couche de vernis isolant sur la surface du motif, qui est ensuite recouverte d'une couche de matériau magnétique. Le blindage des conducteurs n'est pas continu, mais maillé ou en forme de fente.

L'objectif de cet article est de discuter des erreurs courantes commises par les concepteurs de PCB, de décrire l'impact de ces erreurs sur les performances de qualité et de fournir des recommandations pour résoudre les problèmes qui surviennent.

CONSIDÉRATIONS GÉNÉRALES

En raison des différences significatives entre les circuits analogiques et numériques, la partie analogique du circuit doit être séparée du reste et des méthodes et règles spéciales doivent être suivies lors du câblage. Les effets des performances non idéales des PCB sont particulièrement visibles dans les circuits analogiques haute fréquence, mais le type général d'erreurs décrit dans cet article peut affecter les performances des appareils fonctionnant même dans la plage de fréquences audio.

Carte de circuit imprimé - composant de circuit

Ce n'est que dans de rares cas qu'un PCB de circuit analogique peut être acheminé de manière à ce que les influences qu'il introduit n'aient aucun effet sur le fonctionnement du circuit. Dans le même temps, un tel impact peut être minimisé afin que les caractéristiques des circuits analogiques du dispositif soient les mêmes que celles du modèle et du prototype.

Mise en page

Les développeurs de circuits numériques peuvent corriger de petites erreurs sur la carte fabriquée en y ajoutant des cavaliers ou, à l'inverse, en supprimant les conducteurs inutiles, en modifiant le fonctionnement des puces programmables, etc., en passant très rapidement au développement suivant. Ce n'est pas le cas d'un circuit analogique. Certaines des erreurs courantes évoquées dans cet article ne peuvent pas être corrigées en ajoutant des cavaliers ou en supprimant les conducteurs en excès. Ils peuvent rendre et rendront l'ensemble du circuit imprimé inopérant.

Il est très important pour un concepteur de circuits numériques utilisant de telles méthodes de correction de lire et de comprendre le contenu présenté dans cet article bien avant de soumettre la conception à la production. Un peu d'attention à la conception et une discussion sur les options possibles empêcheront non seulement le PCB de devenir un rebut, mais réduiront également le coût des erreurs grossières dans une petite partie analogique du circuit. Trouver des erreurs et les corriger peut entraîner des centaines d’heures perdues. Le prototypage peut réduire ce délai à un jour ou moins. Breadboard tous vos circuits analogiques.

Sources de bruit et d'interférences

Le bruit et les interférences sont les principaux éléments qui limitent la qualité des circuits. Les interférences peuvent être soit émises par des sources, soit induites sur des éléments de circuit. Les circuits analogiques sont souvent situés sur une carte de circuit imprimé avec des composants numériques à grande vitesse, notamment des processeurs de signaux numériques (DSP).

Les signaux logiques haute fréquence génèrent des interférences radioélectriques (RFI) importantes. Le nombre de sources d'émission sonore est énorme : alimentations électriques pour systèmes numériques, téléphones portables, radio et télévision, alimentations pour lampes fluorescentes, ordinateurs personnels, éclairage, etc. Même si un circuit analogique fonctionne dans la gamme de fréquences audio, les interférences radioélectriques peuvent créer un bruit notable dans le signal de sortie.

CATÉGORIES DE CARTES IMPRIMÉES

Le choix de la conception du PCB est un facteur important pour déterminer les performances mécaniques de l’ensemble du dispositif. Pour la fabrication de circuits imprimés, des matériaux de différents niveaux de qualité sont utilisés. Il sera plus approprié et plus pratique pour le développeur que le fabricant de PCB soit situé à proximité. Dans ce cas, il est facile de contrôler la résistivité et la constante diélectrique - les principaux paramètres du matériau du circuit imprimé. Malheureusement, cela ne suffit pas et la connaissance d’autres paramètres tels que l’inflammabilité, la stabilité à haute température et le coefficient d’hygroscopique est souvent nécessaire. Ces paramètres ne peuvent être connus que du fabricant des composants utilisés dans la fabrication des circuits imprimés.

Les matériaux en couches sont désignés par les indices FR (résistant aux flammes) et G. Le matériau avec l'indice FR-1 a la plus grande inflammabilité et FR-5 la moins. Les matériaux avec les indices G10 et G11 ont des caractéristiques particulières. Les matériaux des cartes de circuits imprimés sont indiqués dans le tableau. 1.

Ne pas utiliser de PCB de catégorie FR-1. Il existe de nombreux exemples de PCB FR-1 qui ont subi des dommages thermiques dus à des composants de haute puissance. Les circuits imprimés de cette catégorie ressemblent davantage au carton.

Le FR-4 est souvent utilisé dans la fabrication d’équipements industriels, tandis que le FR-2 est utilisé dans la fabrication d’appareils électroménagers. Ces deux catégories sont standardisées dans l'industrie et les PCB FR-2 et FR-4 conviennent souvent à la plupart des applications. Mais parfois les caractéristiques imparfaites de ces catégories obligent à utiliser d’autres matériaux. Par exemple, pour les applications à très haute fréquence, les plastiques fluorés et même les céramiques sont utilisés comme matériaux pour circuits imprimés. Cependant, plus le matériau PCB est exotique, plus le prix peut être élevé.

Lors du choix d'un matériau PCB, portez une attention particulière à son hygroscopique, car ce paramètre peut avoir un effet négatif important sur les caractéristiques souhaitées de la carte - résistance de surface, fuites, propriétés isolantes haute tension (claquage et étincelles) et résistance mécanique. Faites également attention à la température de fonctionnement. Des points chauds peuvent apparaître dans des endroits inattendus, comme à proximité de grands circuits intégrés numériques qui commutent à hautes fréquences. Si ces zones sont situées directement sous les composants analogiques, des températures plus élevées peuvent affecter les performances du circuit analogique.

Tableau 1

	Composants, commentaires
	papier, composition phénolique : pressage et estampage à température ambiante, coefficient d'hygroscopique élevé
	papier, composition phénolique : applicable aux cartes de circuits imprimés simple face d'appareils électroménagers, faible coefficient d'hygroscopique
	papier, composition époxy : conceptions présentant de bonnes caractéristiques mécaniques et électriques
	fibre de verre, composition époxy : excellentes propriétés mécaniques et électriques
	fibre de verre, composition époxy : haute résistance à températures élevées, ininflammable
	fibre de verre, composition époxy : propriétés isolantes élevées, résistance la plus élevée de la fibre de verre, faible coefficient d'hygroscopique
	fibre de verre, composition époxy : haute résistance à la flexion à températures élevées, haute résistance aux solvants

Une fois le matériau PCB sélectionné, l'épaisseur de la feuille PCB doit être déterminée. Ce paramètre est principalement sélectionné en fonction de la valeur maximale du courant circulant. Si possible, essayez d’éviter d’utiliser du papier d’aluminium très fin.

NOMBRE DE COUCHES DE CARTES IMPRIMÉES

En fonction de la complexité globale du circuit et des exigences de qualité, le concepteur doit déterminer le nombre de couches du PCB.

PCB monocouche

Des circuits électroniques très simples sont réalisés sur des cartes simple face à l'aide de matériaux en aluminium bon marché (FR-1 ou FR-2) et comportent souvent de nombreux cavaliers, ressemblant à des cartes double face. Cette méthode de création de cartes de circuits imprimés est recommandée uniquement pour les circuits basse fréquence. Pour les raisons qui seront décrites ci-dessous, les cartes de circuits imprimés simple face sont très sensibles aux interférences. Un bon PCB simple face est assez difficile à concevoir pour de nombreuses raisons. Néanmoins, il existe de bonnes planches de ce type, mais lors de leur conception, il faut réfléchir beaucoup à l'avance.

PCB double couche

Au niveau suivant se trouvent les cartes de circuits imprimés double face, qui utilisent dans la plupart des cas le FR-4 comme matériau de substrat, bien que le FR-2 soit également parfois trouvé. L'utilisation du FR-4 est préférable, car les trous dans les cartes de circuits imprimés fabriqués à partir de ce matériau sont de meilleure qualité. Les circuits sur cartes de circuits imprimés double face sont beaucoup plus faciles à câbler car En deux couches, il est plus facile de tracer des itinéraires qui se croisent. Cependant, pour les circuits analogiques, le croisement des traces n'est pas recommandé. Dans la mesure du possible, la couche inférieure (en bas) doit être attribuée au polygone au sol et les signaux restants doivent être acheminés vers la couche supérieure (en haut). Utiliser une décharge comme bus de terre présente plusieurs avantages :

le fil commun est le fil le plus fréquemment connecté dans le circuit ; par conséquent, il est raisonnable d’avoir « beaucoup » de fils communs pour simplifier le câblage.
la résistance mécanique de la planche augmente.
la résistance de toutes les connexions au fil commun diminue, ce qui, à son tour, réduit le bruit et les interférences.
La capacité distribuée pour chaque circuit est augmentée, contribuant ainsi à supprimer le bruit rayonné.
le polygone, qui est un écran, supprime les interférences émises par les sources situées sur le côté du polygone.

Les PCB double face, malgré tous leurs avantages, ne sont pas les meilleurs, en particulier pour les circuits à faible signal ou à grande vitesse. En général, l'épaisseur du circuit imprimé, c'est-à-dire la distance entre les couches de métallisation est de 1,5 mm, ce qui est trop pour réaliser pleinement certains des avantages d'un circuit imprimé à deux couches évoqués ci-dessus. La capacité distribuée, par exemple, est trop petite en raison d’un intervalle aussi grand.

PCB multicouches

Pour la conception de circuits critiques, des cartes de circuits imprimés multicouches (MPB) sont nécessaires. Certaines raisons de leur utilisation sont évidentes :

La distribution des bus de puissance est tout aussi pratique que pour le bus à fil commun ; si des polygones sur une couche distincte sont utilisés comme bus d'alimentation, il est alors assez simple d'alimenter chaque élément du circuit à l'aide de vias ;
les couches de signaux sont libérées des bus de puissance, ce qui facilite le câblage des conducteurs de signaux ;
Une capacité distribuée apparaît entre les polygones de terre et de puissance, ce qui réduit le bruit haute fréquence.

En plus de ces raisons d’utiliser des circuits imprimés multicouches, il en existe d’autres, moins évidentes :

Meilleure suppression des interférences électromagnétiques (EMI) et radiofréquences (RFI) grâce à l'effet de réflexion (effet plan image), connu depuis l'époque de Marconi. Lorsqu'un conducteur est placé à proximité d'une surface conductrice plane, la plupart des courants de retour haute fréquence circuleront le long du plan situé directement sous le conducteur. La direction de ces courants sera opposée à la direction des courants dans le conducteur. Ainsi, la réflexion du conducteur dans le plan crée une ligne de transmission du signal. Étant donné que les courants dans le conducteur et dans le plan sont de même amplitude et de direction opposée, une certaine réduction des interférences rayonnées est créée. L'effet de réflexion ne fonctionne efficacement qu'avec des polygones solides ininterrompus (ceux-ci peuvent être à la fois des polygones au sol et des polygones de puissance). Toute perte d'intégrité entraînera une suppression réduite des interférences.
réduction du coût global pour la production à petite échelle. Bien que les PCB multicouches soient plus coûteux à fabriquer, leur rayonnement potentiel est inférieur à celui des PCB simple et double couche. Par conséquent, dans certains cas, l'utilisation uniquement de panneaux multicouches vous permettra de répondre aux exigences d'émission définies lors de la conception, sans tests ni tests supplémentaires. L'utilisation du MPP peut réduire le niveau d'interférence rayonnée de 20 dB par rapport aux cartes double couche.

Ordre des couches

Les concepteurs inexpérimentés ont souvent une certaine confusion quant à l'ordre optimal des couches de PCB. Prenons par exemple une chambre à 4 couches contenant deux couches de signaux et deux couches de polygones : une couche de masse et une couche de puissance. Quel est le meilleur ordre des couches ? Des couches de signaux entre polygones qui serviront d’écrans ? Ou devrions-nous rendre les couches de polygones internes pour réduire les interférences des couches de signaux ?

Lorsque l'on aborde ce problème, il est important de se rappeler que souvent l'emplacement des couches n'a pas beaucoup d'importance, puisque les composants sont de toute façon situés sur les couches externes, et que les bus qui fournissent des signaux à leurs broches traversent parfois toutes les couches. Par conséquent, les effets d’écran ne sont qu’un compromis. Dans ce cas, il est préférable de veiller à créer une grande capacité distribuée entre les polygones de puissance et de terre, en les plaçant dans les couches internes.

Un autre avantage de placer les couches de signaux à l'extérieur est la disponibilité des signaux à tester, ainsi que la possibilité de modifier les connexions. Quiconque a déjà modifié les connexions des conducteurs situés dans les couches internes appréciera cette opportunité.

Pour les PCB comportant plus de quatre couches, la règle générale est de placer des conducteurs de signaux à grande vitesse entre les polygones de terre et de puissance, et d'acheminer les conducteurs de signaux basse fréquence vers les couches externes.

MISE À LA TERRE

Une bonne base est une exigence générale pour un système riche à plusieurs niveaux. Et cela doit être planifié dès la première étape du développement de la conception.

Règle de base : partage des terres.

Diviser le sol en parties analogiques et numériques est l’une des méthodes de réduction du bruit les plus simples et les plus efficaces. Une ou plusieurs couches d'un circuit imprimé multicouche sont généralement dédiées à une couche de polygones de masse. Si le développeur n'est pas très expérimenté ou inattentif, alors la masse de la partie analogique sera directement connectée à ces polygones, c'est à dire Le retour de courant analogique utilisera le même circuit que le courant de retour numérique. Les auto-distributeurs fonctionnent à peu près de la même manière et fédèrent toutes les terres entre elles.

Si un circuit imprimé préalablement développé avec un seul polygone de masse combinant des masses analogiques et numériques est soumis à un traitement, il est alors nécessaire de séparer physiquement les masses sur la carte (après cette opération, le fonctionnement de la carte devient quasiment impossible). Après cela, toutes les connexions sont établies à la masse analogique des composants du circuit analogique (une masse analogique est formée) et à la masse numérique des composants du circuit numérique (une masse numérique est formée). Et seulement après cela, les masses numériques et analogiques sont combinées à la source.

Autres règles de formation du terrain :

Les bus d'alimentation et de terre doivent être au même potentiel alternatif, ce qui signifie utiliser des condensateurs de découplage et une capacité distribuée.
Évitez le chevauchement des polygones analogiques et numériques. Placez les rails d'alimentation analogiques et les polygones au-dessus du polygone de masse analogique (similaire aux rails d'alimentation numériques). S'il y a un chevauchement entre les zones analogiques et numériques à n'importe quel endroit, la capacité distribuée entre les zones qui se chevauchent créera un couplage CA et le bruit des composants numériques sera transporté dans le circuit analogique. De tels chevauchements invalident l’isolement des décharges.
La séparation ne signifie pas isoler électriquement la masse analogique de la masse numérique. Ils doivent être connectés ensemble dans un nœud à faible impédance, de préférence un seul. Un système de mise à la terre correct n'a qu'une seule masse, qui est la broche de masse pour les systèmes alimentés en courant alternatif ou la masse commune pour les systèmes alimentés en courant continu (comme une batterie). Tous les courants de signal et de puissance dans ce circuit doivent retourner à cette masse en un point, qui servira de masse au système. Un tel point peut être la borne du corps du dispositif. Il est important de comprendre que lors de la connexion de la borne commune du circuit à plusieurs points du châssis, des boucles de masse peuvent se former. La création d’un point commun unique de consolidation des terres est l’un des aspects les plus difficiles de la conception d’un système.
Dans la mesure du possible, des broches de connecteur distinctes sont destinées à transporter des courants de retour. Les courants de retour ne doivent être combinés qu'au point de terre du système. Le vieillissement des contacts des connecteurs, ainsi que la déconnexion fréquente de leurs pièces d'accouplement, entraînent une augmentation de la résistance de contact ; par conséquent, pour un fonctionnement plus fiable, il est nécessaire d'utiliser des connecteurs avec un certain nombre de broches supplémentaires. Les cartes de circuits imprimés numériques complexes comportent de nombreuses couches et contiennent des centaines ou des milliers de conducteurs. L'ajout d'un autre conducteur crée rarement un problème, mais l'ajout de broches de connecteur supplémentaires le fait. Si cela ne peut pas être fait, il est alors nécessaire de créer deux conducteurs de courant de retour pour chaque chemin d'alimentation sur la carte, en prenant des précautions particulières.
Il est important de séparer les bus de signaux numériques des endroits du PCB où se trouvent les composants analogiques du circuit. Cela implique une isolation (blindage) par des polygones, la création de chemins de signaux analogiques courts et un placement soigneux des composants passifs avec des bus de signaux analogiques numériques et critiques à grande vitesse adjacents. Les lignes de signaux numériques doivent être acheminées autour des zones comportant des composants analogiques et ne pas chevaucher les bus et zones de masse et d'alimentation analogiques. Si cela n'est pas fait, la conception contiendra un nouvel élément involontaire - une antenne dont le rayonnement affectera les composants et conducteurs analogiques à haute impédance.

Presque tous les signaux d'horloge sont des signaux de fréquence suffisamment élevée pour que même de petites capacités entre les traces et les polygones puissent créer des couplages importants. Il faut rappeler que ce n’est pas seulement la fréquence d’horloge fondamentale qui peut poser problème, mais aussi ses harmoniques supérieures.

Il n'existe qu'un seul cas où il est nécessaire de combiner des signaux analogiques et numériques sur une zone de masse analogique. Les convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique sont logés dans des boîtiers dotés de broches de terre analogiques et numériques. Compte tenu de la discussion précédente, on peut supposer que la broche de masse numérique et la broche de masse analogique doivent être connectées respectivement aux bus de masse numérique et analogique. Cependant, dans ce cas, ce n’est pas vrai.

Les noms des broches (analogiques ou numériques) font référence uniquement à la structure interne du convertisseur, à ses connexions internes. Dans le circuit, ces broches doivent être connectées au bus de terre analogique. La connexion peut également être réalisée à l'intérieur d'un circuit intégré, mais il est assez difficile d'obtenir une faible résistance d'une telle connexion en raison de restrictions topologiques. Par conséquent, lors de l’utilisation de convertisseurs, on suppose que les broches de masse analogiques et numériques sont connectées en externe. Si cela n'est pas fait, les paramètres du microcircuit seront bien pires que ceux indiqués dans la spécification.

Il faut tenir compte du fait que les éléments numériques du convertisseur peuvent dégrader les caractéristiques de qualité du circuit en introduisant du bruit numérique dans la masse analogique et les circuits d'alimentation analogiques. Lors de la conception des convertisseurs, cet impact négatif est pris en compte afin que la partie numérique consomme le moins d'énergie possible. Dans le même temps, les interférences dues aux éléments logiques de commutation sont réduites. Si les broches numériques du convertisseur ne sont pas fortement chargées, la commutation interne ne pose généralement pas de problèmes particuliers. Lors de la conception d'un PCB contenant un CAN ou un DAC, une attention particulière doit être accordée au découplage de l'alimentation numérique du convertisseur à la masse analogique.

CARACTÉRISTIQUES DE FRÉQUENCE DES COMPOSANTS PASSIFS

Une sélection correcte des composants passifs est essentielle au bon fonctionnement des circuits analogiques. Commencez votre conception en examinant attentivement les caractéristiques haute fréquence des composants passifs, ainsi que leur placement et leur disposition préliminaires sur le croquis de la carte.

Un grand nombre de concepteurs ignorent complètement les limitations de fréquence des composants passifs lorsqu'ils sont utilisés dans des circuits analogiques. Ces composants ont des plages de fréquences limitées et leur fonctionnement en dehors de la plage de fréquences spécifiée peut conduire à des résultats imprévisibles. Certains pourraient penser que cette discussion concerne uniquement les circuits analogiques à haut débit. Cependant, c'est loin d'être vrai : les signaux haute fréquence ont un fort impact sur les composants passifs des circuits basse fréquence par rayonnement ou communication directe via des conducteurs. Par exemple, un simple filtre passe-bas sur un ampli opérationnel peut facilement devenir un filtre passe-haut lorsqu'il est exposé à une haute fréquence à son entrée.

Résistances

Il existe trois types de résistances couramment utilisées : 1) bobinées, 2) composites de carbone et 3) films. Il ne faut pas beaucoup d'imagination pour comprendre comment une résistance bobinée peut être convertie en inductance, puisqu'il s'agit d'une bobine de fil en métal à haute résistance. La plupart des développeurs d'appareils électroniques n'ont aucune idée de la structure interne des résistances à film, qui sont également une bobine, bien que constituée d'un film métallique. Par conséquent, les résistances à film ont également une inductance inférieure à celle des résistances bobinées. Les résistances à film d'une résistance ne dépassant pas 2 kOhm peuvent être librement utilisées dans les circuits haute fréquence. Les bornes des résistances sont parallèles les unes aux autres, il existe donc un couplage capacitif notable entre elles. Pour les résistances de grande valeur, la capacité borne à borne réduira l'impédance totale aux hautes fréquences.

Condensateurs

Les caractéristiques haute fréquence des condensateurs peuvent être représentées par le circuit équivalent illustré à la figure 6.

Les condensateurs des circuits analogiques sont utilisés comme composants de découplage et de filtrage.

Un condensateur électrolytique de 10 µF a une résistance de 1,6 ohms à 10 kHz et de 160 µohms à 100 MHz. Est-ce ainsi ?

Lors de l'utilisation de condensateurs électrolytiques, il faut veiller à assurer une connexion correcte. La borne positive doit être connectée à un potentiel constant plus positif. Une connexion incorrecte provoque le passage d'un courant continu à travers le condensateur électrolytique, ce qui peut endommager non seulement le condensateur lui-même, mais également une partie du circuit.

Dans de rares cas, la différence de potentiel continu entre deux points du circuit peut changer de signe. Cela nécessite l'utilisation de condensateurs électrolytiques apolaires dont la structure interne est équivalente à deux condensateurs polaires connectés en série.

Inductance

Circuit imprimé

Le circuit imprimé lui-même présente les caractéristiques des composants passifs évoqués ci-dessus, bien que moins évidentes.

Le motif des conducteurs sur une carte de circuit imprimé peut être à la fois une source et un récepteur d'interférences. Un bon câblage réduit la sensibilité du circuit analogique aux sources de rayonnement.

Le circuit imprimé est sensible aux radiations car les conducteurs et les fils des composants forment une sorte d’antenne. La théorie des antennes est un sujet d’étude assez complexe et n’est pas abordée dans cet article. Cependant, quelques notions de base sont fournies ici.

Un peu de théorie des antennes

En courant continu ou en basses fréquences, le composant actif prédomine. À mesure que la fréquence augmente, la composante réactive devient de plus en plus importante. Dans la plage de 1 kHz à 10 kHz, la composante inductive commence à agir et le conducteur n'est plus un connecteur basse impédance, mais agit plutôt comme une inductance.

Généralement, les traces sur un circuit imprimé ont des valeurs comprises entre 6 nH et 12 nH par centimètre de longueur. Par exemple, un conducteur de 10 cm a une résistance de 57 mOhm et une inductance de 8 nH par cm. À une fréquence de 100 kHz, la réactance devient 50 mOhm, et à des fréquences plus élevées, le conducteur sera une inductance plutôt qu'une résistive. .

La règle pour une antenne fouet est qu'elle commence à interagir sensiblement avec le champ à environ 1/20 de la longueur d'onde, et l'interaction maximale se produit à une longueur de tige de 1/4 de la longueur d'onde. Par conséquent, le conducteur de 10 cm de l’exemple du paragraphe précédent commencera à devenir une très bonne antenne aux fréquences supérieures à 150 MHz. Il ne faut pas oublier que même si le générateur d'horloge d'un circuit numérique ne peut pas fonctionner à des fréquences supérieures à 150 MHz, des harmoniques supérieures sont toujours présentes dans son signal. Si la carte de circuit imprimé contient des composants avec des broches d'une longueur considérable, ces broches peuvent également servir d'antennes.

L’autre type principal d’antenne est l’antenne cadre. L'inductance d'un conducteur droit augmente considérablement lorsqu'il se plie et forme un arc. L'augmentation de l'inductance diminue la fréquence à laquelle l'antenne commence à interagir avec les lignes de champ.

Les concepteurs de circuits imprimés expérimentés ayant une compréhension raisonnable de la théorie des antennes-cadres savent qu'il ne faut pas concevoir de boucles pour les signaux critiques. Cependant, certains concepteurs n'y pensent pas et les conducteurs de courant de retour et de signal dans leurs circuits sont des boucles.

La théorie de la réflexion et de l'adaptation du signal est proche de la théorie des antennes.

Lorsque le conducteur du PCB tourne d'un angle de 90°, une réflexion du signal peut se produire. Cela est principalement dû aux changements dans la largeur du chemin actuel. Au sommet du coin, la largeur de la trace augmente de 1,414 fois, ce qui entraîne une inadéquation dans les caractéristiques de la ligne de transmission, notamment la capacité distribuée et la propre inductance de la trace. Très souvent, il est nécessaire de faire pivoter une trace sur un circuit imprimé de 90°. De nombreux packages de CAO modernes vous permettent de lisser les coins des itinéraires tracés ou de dessiner des itinéraires en forme d'arc. La figure 9 montre deux étapes pour améliorer la forme du coin. Seul le dernier exemple maintient une largeur de trajet constante et minimise les réflexions.

Astuce pour les concepteurs de PCB expérimentés : laissez le processus de lissage pour la dernière étape du travail avant de créer des broches en forme de larme et de remplir des polygones. Sinon, le lissage du package CAO prendra plus de temps en raison de calculs plus complexes.

Un couplage capacitif se produit entre les conducteurs PCB sur différentes couches lorsqu'ils se croisent. Parfois, cela peut créer un problème. Les conducteurs placés les uns au-dessus des autres sur des couches adjacentes créent un condensateur à film long.

Par exemple, un circuit imprimé peut avoir les paramètres suivants :
- 4 couches ; les couches de polygones de signal et de sol sont adjacentes,
- espacement intercouche - 0,2 mm,
- largeur du conducteur - 0,75 mm,
- longueur du conducteur - 7,5 mm.

La constante diélectrique ER typique pour le FR-4 est de 4,5.

La valeur de capacité entre ces deux bus est de 1,1 pF. Même une capacité apparemment faible est inacceptable pour certaines applications.

L'amplitude du signal de sortie double à des fréquences proches de la limite supérieure de la plage de fréquences de l'ampli opérationnel. Ceci, à son tour, peut conduire à des oscillations, en particulier aux fréquences de fonctionnement de l'antenne (au-dessus de 180 MHz).

Cet effet soulève de nombreux problèmes, pour lesquels il existe cependant de nombreuses façons de les résoudre. Le plus évident d’entre eux est la réduction de la longueur des conducteurs. Une autre façon consiste à réduire leur largeur. Il n'y a aucune raison d'utiliser un conducteur de cette largeur pour connecter le signal à l'entrée inverseuse, car Très peu de courant circule dans ce conducteur. Réduire la longueur de la trace à 2,5 mm et la largeur à 0,2 mm entraînera une diminution de la capacité à 0,1 pF, et une telle capacité n'entraînera plus une augmentation aussi significative de la réponse en fréquence. Une autre solution consiste à supprimer une partie du polygone sous l'entrée inverseuse et le conducteur qui y va.

La largeur des conducteurs du PCB ne peut pas être réduite indéfiniment. La largeur maximale est déterminée à la fois par le processus technologique et par l'épaisseur de la feuille. Si deux conducteurs passent à proximité l’un de l’autre, un couplage capacitif et inductif se forme entre eux.

Les conducteurs de signaux ne doivent pas être posés parallèlement les uns aux autres, sauf dans le cas de lignes différentielles ou microruban. L'espace entre les conducteurs doit être au moins trois fois supérieur à la largeur des conducteurs.

La capacité entre les traces dans les circuits analogiques peut créer des problèmes avec des valeurs de résistance élevées (plusieurs mégohms). Le couplage capacitif relativement important entre les entrées inverseuses et non inverseuses d'un ampli opérationnel peut facilement faire osciller le circuit.

Par exemple, avec d=0,4 mm et h=1,5 mm (valeurs assez courantes), l'inductance du trou est de 1,1 nH.

N'oubliez pas que s'il y a de grandes résistances dans le circuit, une attention particulière doit être accordée au nettoyage de la carte. Lors des opérations finales de fabrication d’un circuit imprimé, tout flux restant et tout contaminant doivent être éliminés. Récemment, lors de l'installation de cartes de circuits imprimés, des flux solubles dans l'eau sont souvent utilisés. Moins nocifs, ils s’éliminent facilement à l’eau. Mais en même temps, laver la planche avec de l'eau insuffisamment propre peut entraîner une contamination supplémentaire qui aggrave les caractéristiques diélectriques. Par conséquent, il est très important de nettoyer le circuit imprimé haute impédance avec de l’eau fraîche distillée.

ISOLATION DES SIGNAUX

Comme déjà indiqué, les interférences peuvent pénétrer dans la partie analogique du circuit via les circuits d'alimentation. Pour réduire ces interférences, des condensateurs de découplage (blocage) sont utilisés pour réduire l'impédance locale des bus de puissance.

Si vous devez concevoir une carte de circuit imprimé comportant à la fois des parties analogiques et numériques, vous devez alors avoir au moins une petite compréhension des caractéristiques électriques des éléments logiques.

Un étage de sortie typique d'un élément logique contient deux transistors connectés en série les uns avec les autres, ainsi qu'entre les circuits d'alimentation et de masse.

Ces transistors fonctionnent idéalement strictement en antiphase, c'est-à-dire lorsque l'un d'eux est ouvert, au même moment le second est fermé, générant soit un signal logique, soit un signal zéro logique à la sortie. Dans l'état logique stable, la consommation d'énergie de l'élément logique est faible.

La situation change radicalement lorsque l'étage de sortie passe d'un état logique à un autre. Dans ce cas, pendant une courte période, les deux transistors peuvent être ouverts simultanément et le courant d'alimentation de l'étage de sortie augmente considérablement, car la résistance du chemin de courant du bus d'alimentation au bus de masse à travers deux transistors connectés en série diminue. La consommation d'énergie augmente brusquement puis diminue également, ce qui entraîne une modification locale de la tension d'alimentation et l'apparition d'une modification brusque et à court terme du courant. Ces changements de courant entraînent l’émission d’énergie radiofréquence. Même sur une carte de circuit imprimé relativement simple, il peut y avoir des dizaines ou des centaines d'étages de sortie d'éléments logiques, de sorte que l'effet total de leur fonctionnement simultané peut être très important.

Il est impossible de prédire avec précision la plage de fréquences dans laquelle ces surtensions se produiront, car la fréquence de leur apparition dépend de nombreux facteurs, notamment du délai de propagation des transistors de commutation de l'élément logique. Le retard, quant à lui, dépend également de nombreuses raisons aléatoires qui surviennent au cours du processus de production. Le bruit de commutation a une distribution à large bande de composantes harmoniques sur toute la plage. Il existe plusieurs méthodes de suppression du bruit numérique, dont l'application dépend de la répartition spectrale du bruit.

Le tableau 2 montre les fréquences de fonctionnement maximales pour les types de condensateurs courants.

Tableau 2

D'après le tableau, il est évident que des condensateurs électrolytiques au tantale sont utilisés pour des fréquences inférieures à 1 MHz ; à des fréquences plus élevées, des condensateurs céramiques doivent être utilisés. Il ne faut pas oublier que les condensateurs ont leur propre résonance et que leur choix incorrect peut non seulement ne pas aider, mais aussi aggraver le problème. La figure 15 montre les auto-résonances typiques de deux condensateurs courants : 10 μF électrolytique au tantale et 0,01 μF en céramique.

Les spécifications réelles peuvent varier d’un fabricant à l’autre et même d’un lot à l’autre au sein d’un même fabricant. Il est important de comprendre que pour qu’un condensateur fonctionne efficacement, les fréquences qu’il supprime doivent se situer dans une plage inférieure à sa propre fréquence de résonance. Sinon, la nature de la réactance sera inductive et le condensateur ne fonctionnera plus efficacement.

Ne vous méprenez pas, un condensateur de 0,1 µF supprimera toutes les fréquences. Les petits condensateurs (10 nF ou moins) peuvent fonctionner plus efficacement à des fréquences plus élevées.

Découplage de puissance IC

Le découplage de l'alimentation des circuits intégrés pour supprimer le bruit haute fréquence consiste à utiliser un ou plusieurs condensateurs connectés entre les broches d'alimentation et de masse. Il est important que les conducteurs reliant les câbles aux condensateurs soient courts. Si ce n'est pas le cas, l'auto-inductance des conducteurs jouera un rôle important et annulera les avantages de l'utilisation de condensateurs de découplage.

Un condensateur de découplage doit être connecté à chaque boîtier de puce, qu'il y ait 1, 2 ou 4 amplificateurs opérationnels à l'intérieur du boîtier. Si l'amplificateur opérationnel est à double alimentation, il va sans dire que les condensateurs de découplage doivent être situés à chaque broche d'alimentation. La valeur de la capacité doit être soigneusement sélectionnée en fonction du type de bruit et d'interférences présents dans le circuit.

Dans des cas particulièrement difficiles, il peut être nécessaire d'ajouter une inductance connectée en série avec la puissance de sortie. L’inductance doit être située avant et non après les condensateurs.

Un autre moyen, moins coûteux, consiste à remplacer l'inductance par une résistance à faible résistance (10...100 Ohms). Dans ce cas, avec le condensateur de découplage, la résistance forme un filtre passe-bas. Cette méthode réduit la plage d'alimentation de l'ampli-op, qui devient également plus dépendante de la consommation d'énergie.

Généralement, pour supprimer le bruit basse fréquence dans les circuits d'alimentation, il suffit d'utiliser un ou plusieurs condensateurs électrolytiques en aluminium ou au tantale au niveau du connecteur d'entrée d'alimentation. Un condensateur céramique supplémentaire supprimera les interférences haute fréquence provenant d'autres cartes.

ISOLEMENT DES SIGNAUX D'ENTRÉE ET DE SORTIE

De nombreux problèmes de bruit résultent de la connexion directe des broches d'entrée et de sortie. En raison des limitations des composants passifs en haute fréquence, la réponse d’un circuit lorsqu’il est exposé à un bruit haute fréquence peut être assez imprévisible.

Dans une situation où la plage de fréquences du bruit induit est très différente de la plage de fréquences du circuit, la solution est simple et évidente : placer un filtre RC passif pour supprimer les interférences haute fréquence. Cependant, lorsque vous utilisez un filtre passif, vous devez être prudent : ses caractéristiques (en raison des caractéristiques de fréquence non idéales des composants passifs) perdent leurs propriétés à des fréquences 100...1000 fois supérieures à la fréquence de coupure (f3db). Lorsque vous utilisez des filtres connectés en série accordés sur différentes plages de fréquences, le filtre de fréquence la plus élevée doit être le plus proche de la source d'interférence. Les inducteurs à anneau de ferrite peuvent également être utilisés pour supprimer le bruit ; ils conservent le caractère inductif de la résistance jusqu'à une certaine fréquence, et au-delà leur résistance devient active.

Les interférences sur un circuit analogique peuvent être si importantes qu'il n'est possible de s'en débarrasser (ou du moins de les réduire) qu'en utilisant des écrans. Pour fonctionner efficacement, ils doivent être soigneusement conçus afin que les fréquences qui posent le plus de problèmes ne puissent pas pénétrer dans le circuit. Cela signifie que l'écran ne doit pas comporter de trous ou de découpes d'une taille supérieure à 1/20 de la longueur d'onde du rayonnement filtré. C'est une bonne idée d'allouer suffisamment d'espace pour le blindage proposé dès le début de la conception du PCB. Lorsque vous utilisez un blindage, vous pouvez éventuellement utiliser des anneaux (ou des billes) de ferrite pour toutes les connexions au circuit.

CAS D'AMPLIFICATEUR OPÉRATIONNEL

Un, deux ou quatre amplificateurs opérationnels sont généralement placés dans un seul boîtier.

Un seul ampli opérationnel possède souvent également des entrées supplémentaires, par exemple pour ajuster la tension de décalage. Les amplis opérationnels doubles et quadruples n'ont que des entrées et sorties inverseuses et non inverseuses. Par conséquent, si des réglages supplémentaires sont nécessaires, il est nécessaire d’utiliser des amplificateurs opérationnels simples. Lorsque vous utilisez des sorties supplémentaires, vous devez vous rappeler que de par leur structure, ce sont des entrées auxiliaires, elles doivent donc être contrôlées avec soin et conformément aux recommandations du fabricant.

Dans un seul ampli opérationnel, la sortie est située du côté opposé aux entrées. Cela peut rendre difficile le fonctionnement de l'amplificateur à hautes fréquences en raison des longues lignes de rétroaction. Une façon de surmonter ce problème consiste à placer les composants d’amplificateur et de rétroaction sur différents côtés du PCB. Ceci entraîne toutefois la création d'au moins deux trous et coupures supplémentaires dans le polygone de sol. Parfois, il vaut la peine d'utiliser un ampli-op double pour résoudre ce problème, même si le deuxième amplificateur n'est pas utilisé (et ses broches doivent être correctement connectées).

Les amplis opérationnels doubles sont particulièrement courants dans les amplificateurs stéréo, et les amplis opérationnels quadruples sont utilisés dans les circuits de filtrage à plusieurs étages. Cependant, cela présente un inconvénient assez important. Même si la technologie moderne offre une isolation décente entre les signaux des amplificateurs sur la même puce de silicium, il existe toujours une certaine diaphonie entre eux. S'il est nécessaire d'avoir une très petite quantité de telles interférences, il est alors nécessaire d'utiliser des amplificateurs opérationnels uniques. La diaphonie ne se produit pas uniquement lors de l’utilisation d’amplificateurs doubles ou quadruples. Leur source peut être la très grande proximité de composants passifs de différentes voies.

Les amplificateurs opérationnels doubles et quadruples, en plus de ceux ci-dessus, permettent une installation plus dense. Les amplificateurs individuels semblent être en miroir les uns par rapport aux autres.
Il faut faire attention au fait que les conducteurs du driver de tension demi-alimentation sont situés directement sous le boîtier du circuit intégré, ce qui permet de réduire leur longueur. Cet exemple illustre non pas ce qui devrait être, mais ce qui devrait être fait. La tension de niveau moyen, par exemple, pourrait être la même pour les quatre amplificateurs. Les composants passifs peuvent être dimensionnés en conséquence. Par exemple, les composants planaires de taille de châssis 0402 correspondent à l'espacement des broches d'un boîtier SO standard. Cela permet de conserver des longueurs de conducteur très courtes pour les applications haute fréquence.

Lorsque vous placez des amplificateurs opérationnels dans des boîtiers DIP et des composants passifs avec des fils conducteurs, des vias doivent être fournis sur la carte de circuit imprimé pour les monter. De tels composants sont actuellement utilisés lorsqu'il n'y a pas d'exigences particulières concernant les dimensions du circuit imprimé ; Ils sont généralement moins chers, mais le coût du circuit imprimé augmente au cours du processus de fabrication en raison du perçage de trous supplémentaires pour les câbles des composants.

De plus, lors de l'utilisation de composants externes, les dimensions de la carte et la longueur des conducteurs augmentent, ce qui ne permet pas au circuit de fonctionner à hautes fréquences. Les vias ont leur propre inductance, ce qui limite également les caractéristiques dynamiques du circuit. Par conséquent, les composants aériens ne sont pas recommandés pour la mise en œuvre de circuits haute fréquence ou pour les circuits analogiques situés à proximité de circuits logiques haute vitesse.

Certains concepteurs, essayant de réduire la longueur des conducteurs, placent les résistances verticalement. À première vue, il peut sembler que cela raccourcit la longueur du parcours. Cependant, cela augmente le trajet du courant à travers la résistance, et la résistance elle-même représente une boucle (tour d'inductance). La capacité d'émission et de réception augmente plusieurs fois.

Le montage en surface ne nécessite pas de trou pour chaque câble de composant. Cependant, des problèmes surviennent lors du test du circuit et il est nécessaire d'utiliser des vias comme points de test, notamment lors de l'utilisation de petits composants.

SECTIONS D'AMPLI-OP INUTILISÉES

Lors de l'utilisation d'amplis opérationnels doubles et quadruples dans un circuit, certaines sections peuvent rester inutilisées et doivent dans ce cas être connectées correctement. Des connexions incorrectes peuvent entraîner une augmentation de la consommation d'énergie, plus de chaleur et plus de bruit provenant des amplificateurs opérationnels utilisés dans le même boîtier. Les broches des amplificateurs opérationnels inutilisés peuvent être connectées comme ceci : la sortie de l'amplificateur est connectée à l'entrée inverseuse.

CONCLUSION

N'oubliez pas les points de base suivants et gardez-les à l'esprit à tout moment lors de la conception et du câblage de circuits analogiques.

considérez une carte de circuit imprimé comme un composant d’un circuit électrique ;
avoir une connaissance et une compréhension des sources de bruit et d’interférences ;
modèles et tracés de circuits.

Circuit imprimé:

utilisez des cartes de circuits imprimés uniquement à partir de matériaux de haute qualité (par exemple, FR-4) ;
les circuits réalisés sur des cartes de circuits imprimés multicouches sont 20 dB moins sensibles aux interférences externes que les circuits réalisés sur des cartes double couche ;
utiliser des polygones séparés et ne se chevauchant pas pour différents terrains et flux ;
Placez les polygones de terre et de puissance sur les couches internes du PCB.

Composants:

Soyez conscient des limitations de fréquence introduites par les composants passifs et les traces de la carte ;
essayez d'éviter le placement vertical de composants passifs dans les circuits à grande vitesse ;
Pour les circuits haute fréquence, utilisez des composants conçus pour un montage en surface ;
les conducteurs doivent être plus courts, mieux c'est ;
si une plus grande longueur de conducteur est requise, réduisez sa largeur ;
Les broches inutilisées des composants actifs doivent être connectées correctement.

Câblage :

placez le circuit analogique à proximité du connecteur d'alimentation ;
ne jamais acheminer de conducteurs transmettant des signaux logiques à travers la zone analogique de la carte, et vice versa ;
rendre les conducteurs adaptés à l'entrée inverseuse de l'ampli-op en court-circuit ;
assurez-vous que les conducteurs des entrées inverseuses et non inverseuses de l'ampli opérationnel ne sont pas situés parallèlement les uns aux autres sur une longue distance ;
essayez d'éviter d'utiliser des vias supplémentaires, parce que... leur propre inductance peut causer des problèmes supplémentaires ;
ne pas acheminer les conducteurs à angle droit et lisser le dessus des coins si possible.

Échange:

utiliser les bons types de condensateurs pour supprimer le bruit dans les circuits d'alimentation ;
pour supprimer les interférences et le bruit basse fréquence, utilisez des condensateurs au tantale au niveau du connecteur d'entrée d'alimentation ;
Pour supprimer les interférences et le bruit haute fréquence, utilisez des condensateurs céramiques au niveau du connecteur d'entrée d'alimentation ;
utilisez des condensateurs en céramique sur chaque broche d'alimentation du microcircuit ; si nécessaire, utilisez plusieurs condensateurs pour différentes gammes de fréquences ;
si une excitation se produit dans le circuit, il est alors nécessaire d'utiliser des condensateurs avec une valeur de capacité inférieure et non supérieure ;
dans les cas difficiles, utilisez des résistances connectées en série à faible résistance ou inductance dans les circuits de puissance ;
Les condensateurs de découplage de puissance analogique doivent être connectés uniquement à la masse analogique et non à la masse numérique.

Dans les équipements VHF de petite taille, un espace relativement important sur la carte est occupé par les bobines de boucle et les selfs RF. Souvent, ils déterminent la hauteur totale du circuit imprimé. Dans certains cas, il peut être conseillé d’utiliser des bobines plates – imprimées et filaires. La base des bobines RF imprimées est le plus souvent constituée de céramiques spéciales haute fréquence. La technologie de production de ces moulinets n'est pas adaptée aux conditions amateurs. Cependant, comme le montre la pratique, jusqu'à des fréquences de 80 à 100 MHz, des résultats tout à fait satisfaisants peuvent être obtenus en utilisant des bobines en fibre de verre recouvertes d'une feuille par gravure. L'utilisation de feuilles de plastique fluoré pour les bobines d'impression permet de repousser la limite de fréquence jusqu'à 200-300 MHz. Les bobines de fil plat ont une résistance mécanique satisfaisante, une capacité intrinsèque relativement faible, une facilité de fabrication et peuvent être utilisées à des fréquences allant jusqu'à 10 MHz. Une augmentation significative de l'inductance et du facteur de qualité des bobines plates imprimées et filaires peut être obtenue si des plaques de ferrite sont placées sur un ou les deux côtés de la bobine. En modifiant la distance entre la bobine et la plaque (à l'aide d'un jeu d'entretoises non magnétiques ou autrement), l'inductance de la bobine peut être modifiée. Vous pouvez régler l'inductance dans certaines limites à l'aide d'un drapeau en métal non magnétique (cuivre ou aluminium) se déplaçant parallèlement à la bobine. Les bobines de fil sont commodément collées directement sur la planche ou sur une plaque séparée fixée à la planche. Les bobines d'impression peuvent avoir n'importe quelle forme. La sortie du tour extérieur doit être « mise à la terre » sur le tableau – dans ce cas, elle joue le rôle d’écran. Vous pouvez en outre protéger la bobine imprimée avec une autre bobine ouverte externe connectée au fil commun de l'appareil. Des exemples de bobines sont présentés sur la photo.

Vous pouvez calculer les bobines avec une précision suffisante pour un radioamateur à l'aide de nomogrammes. La procédure de calcul des bobines imprimées et de fil est similaire, la différence est que la largeur de la piste imprimée d'une bobine imprimée correspond au diamètre de cuivre du fil de la bobine de fil, et la largeur de l'espace entre les pistes correspond au double l'épaisseur de l'isolation du fil.

Les dimensions de conception des bobines sont indiquées sur la Fig. 1, a et b. Les nomogrammes pour le calcul sont présentés dans la Fig. 2 et 3. A titre d'exemple, nous considérons ci-dessous le calcul d'une bobine imprimée ronde (sans noyau) avec une inductance de 0,64 µH. On choisit le plus grand diamètre extérieur D de la bobine égal à 20 mm, le plus petit diamètre intérieur d = 8 mm. Il faut trouver le nombre de tours w, la largeur de la piste imprimée S et la distance Sr entre les centres C1 et C2 des demi-cercles de la bobine. Le nomogramme pour calculer les bobines rondes est présenté sur la Fig. 2. Calculez : D + d=20 + 8 = 28 mm = 2,8 cm : D/d = 20:8 = 2,5. Sur les échelles « D+d » et « D/d », nous trouvons les points correspondants et les connectons par une ligne droite (ligne pointillée sur la Fig. 2). Par le point d'intersection de cette droite avec la ligne auxiliaire non numérisée et le point de l'échelle « L » correspondant à l'inductance donnée L = 0,64 µH, on trace une droite jusqu'à son intersection avec l'échelle « w », le long de laquelle nous comptons le nombre de tours requis - 6,5. Les valeurs de D + d, D/d ou L sur les échelles du nomogramme peuvent être augmentées (diminuées) de 10 ou 100 fois, tandis que les valeurs de w changeront en conséquence de la racine de 10 et de la racine de 100. fois. La largeur S, mm, du conducteur imprimé est calculée par la formule : S>=Sr = (D - d)/4w ; diamètre de l'isolation du fil de la bobine de fil - diz = (D - d)/2w. On arrondit le résultat obtenu à la valeur supérieure la plus proche de la série 0,5 ; 0,75 ; 1,0 ; 1,25 ; 1,5 mm, etc. Sr= (20-8)/4x6,5=0,46 ; S=0,5mm. Pour les petites valeurs de Sr, il faut prendre Sr = S. Pour les bobines de fil, diz est arrondi au diamètre d'isolation de fil standard le plus proche. Le motif de bobine est appliqué sur le textolite en verre recouvert d'une feuille avec une boussole, dans laquelle est installé un stylo à dessin rempli de peinture chimiquement résistante. Les demi-cercles supérieurs (voir Fig. 1a) sont dessinés à partir du centre de C1 et les demi-cercles inférieurs à partir de C2. La distance Sr doit être maintenue aussi précisément que possible. Une fois la peinture sèche, la bobine est gravée, comme d'habitude, dans une solution de chlorure ferrique. Les bobines imprimées de forme carrée sont calculées à l'aide du nomogramme illustré à la Fig. 3. Des résultats plus précis pour le calcul des bobines plates peuvent être obtenus analytiquement, en utilisant les formules utilisées pour construire les nomogrammes. Ces formules sont présentées dans la Fig. 2 et 3. Les dimensions des grandeurs dans les formules correspondent à celles indiquées sur les nomogrammes. Les valeurs des fonctions « phi » (D/d et f(a/A) sont résumées dans les tableaux 1 et 2. Les bobines de fil plat sont enroulées sur un châssis repliable entre deux joues montées sur une tige. Le diamètre du L'âme du cadre doit être égale au diamètre interne de la bobine et la distance entre les joues est le diamètre du fil le long de l'isolation. Pendant le processus de bobinage, le fil est humidifié avec de la colle BF~2. Les joues doivent être constituées d'un matériau ayant une mauvaise adhérence à la colle (plastique fluoré, viniflex). Le cadre est démonté une fois la colle sèche. Les bobines fabriquées sont collées soit directement sur la carte, soit sur une plaque de ferrite montée sur la carte. Les bobines présentées dans le titre de l'article ont les paramètres mesurés suivants : rond imprimé (D = 40 mm) - inductance 1,4 μH, facteur de qualité 95 ; carré (A = 30 mm) - 0,9 µH et 180, fil supérieur (D = 15 mm, fil PEV-1 0,18) - 7,5 µH et 48 ; milieu (D = 11,9 mm, fil PEV-2 0,1) - 9,5 μH et 48 et bas (D = 9 mm, fil PEL 0,05) - 37 μH et 43

Les bobines plates imprimées sont le plus souvent utilisées dans les gammes de longueurs d'onde métriques et décimétriques pour réduire la taille de l'appareil. Ils sont généralement fabriqués avec des bobines rondes, carrées ou en forme de méandre, bien que cela soit également possible sous la forme d'un polygone. Récemment, avec l'avènement de la technologie des circuits imprimés multicouches, des bobines multicouches sur un circuit imprimé sont également apparues. L'utilisation d'un noyau en matériau magnétique est inefficace, car un tel noyau est retiré des spires de la bobine et peut modifier son inductance de 3 à 5 %, ce qui dans la plupart des cas n'est pas suffisant. Par conséquent, les inductances imprimées sont utilisées dans la plupart des cas lorsqu'un réglage n'est pas nécessaire et que la valeur de l'inductance ne dépasse pas les unités microhenry.

Sur notre site Web, vous pouvez utiliser une calculatrice en ligne pour calculer les bobines sur un circuit imprimé

Dans le programme Coil32, à partir de la version 9.6, les bobines plates imprimées à spires rondes et carrées sont calculées à l'aide de la formule empirique générale :

L- inductance (µH)
D- diamètre extérieur de la spirale (mm)
d- diamètre intérieur de la spirale (mm)
N- nombre de tours
D moy.- diamètre moyen de la bobine (mm)
φ - facteur de remplissage

Les coefficients c 1 - c 4 sont résumés dans le tableau :

Le pas d'enroulement sur la figure est indiqué par " s". Avec inchangé " s", si vous augmentez la largeur de la spire, le facteur de qualité de la bobine et sa propre capacité augmentent. Habituellement, pour minimiser la taille de la bobine, la largeur du conducteur imprimé est proche de la distance entre les conducteurs, donc dans la formule l'influence de " s" la quantité d'inductance n'est pas prise en compte. La valeur optimale d/D = 0,4 pour une bobine ronde et le programme la sélectionne automatiquement. Pour une bobine carrée, la valeur optimale est d/D = 0,362 et le programme le sélectionne également automatiquement.

L'erreur de calcul de l'inductance à l'aide de cette formule ne dépasse pas 8 % lorsque s n'est pas supérieur à 3w, c'est-à-dire si l'espace entre les bandes n'est pas supérieur à deux fois la largeur de la bande.

L'élément inductif sous forme de conducteur imprimé directement est calculé à l'aide de la formule empirique suivante :

, Où:

L- inductance (µH)
je- longueur du conducteur (mm)
b- largeur du conducteur (mm)

De tels éléments inductifs sont souvent utilisés dans les filtres UHF. Étant donné que la capacité intrinsèque d'un tel élément inductif est assez grande, il faut garder à l'esprit qu'il est plus correct de le représenter comme un segment d'une longue ligne avec des paramètres distribués. Cependant, pour des calculs approximatifs, la simplification du modèle adopté ici est tout à fait acceptable.