Земляной слой
В этой теме гораздо больше нюансов, чем может вместить статья, но мы отметим несколько ключевых моментов, оставив читателю возможность разбираться в деталях самостоятельно. Список литературы приведен в конце статьи.
Земляной слой служит общим опорным потенциалом схемы и заодно обеспечивает экранирование и рассеяние тепла, а также уменьшает паразитную индуктивность проводников (правда, увеличивая при этом их паразитную емкость). Хотя слой земли и дает много преимуществ, при его проектировании необходимо быть осторожным, поскольку его возможности ограничены.
В идеальном случае один из слоев платы должен быть целиком выделен для земли. Наилучшие результаты получаются, если этот слой не имеет разрывов. Не поддавайтесь искушению размещать в этом выделенном слое другие дорожки. Земляной слой уменьшает индуктивность дорожки за счет ослабления магнитного поля между слоем и дорожкой. Когда удаляются участки земляного слоя, паразитная индуктивность дорожек, находящихся выше или ниже этого слоя, может возрасти.
Поскольку площади поверхности и поперечного сечения слоя земли значительны, этот слой обладает малым омическим сопротивлением. На низких частотах ток пойдет по пути с наименьшим омическим сопротивлением, а на высоких – с наименьшим импедансом.
Тем не менее, бывают исключения, и иногда чем меньше слой земли, тем лучше. Высокоскоростные ОУ работают лучше, если слой земли удален из-под контактных площадок входа и выхода ОУ. Паразитная емкость, добавленная земляным слоем во входную цепь ОУ, уменьшает запас по фазе и может привести к неустойчивости. Как уже указывалось в разделе «Паразитные параметры», 1 пФ дополнительной емкости может вызвать ощутимый подъем коэффициента усиления на высоких частотах. Емкость в нагрузке, включая паразитную, создает полюс в петле обратной связи, что также может привести к уменьшению запаса по фазе и неустойчивости.
Аналоговые и цифровые цепи, в том числе их земли и земляные слои, должны быть максимально разделены. Крутые фронты цифровых сигналов порождают всплески тока в земляном слое. Эти короткие всплески тока создают помехи, способные нарушить работу аналоговых частей схемы. Земли аналоговых и цифровых частей (а также шины питания) следует объединять в одной общей точке, чтобы свести к минимуму циркулирующие токи цифровой и аналоговой земли и создаваемые ими помехи.
На высоких частотах необходимо также учитывать такое явление, как скин-эффект. Под этим явлением понимают протекание тока только в тонком приповерхностном слое проводника, что, по сути, уменьшает его эффективное поперечное сечение, приводя к росту его сопротивления по сравнению с измеренным на постоянном токе. Хотя рассмотрение скин-эффекта выходит за рамки этой статьи, дадим приближенное выражение для нахождения толщины скин-слоя в меди:
 |
(5) |
где
D – толщина скин-слоя в сантиметрах,
f – частота в Гц.
Для уменьшения влияния скин-эффекта может быть полезно покрывать медь металлами с низким удельным сопротивлением.
Влияние корпуса ИС
Обычно ОУ предлагаются в различных корпусах. Выбранный тип корпуса может повлиять на высокочастотные характеристики усилительной схемы. Главные факторы здесь – паразитные параметры (упоминавшиеся ранее) и разводка сигнальных дорожек. Здесь мы сосредоточим внимание на разводке входных и выходных цепей и проводников питания ОУ.
На Рисунке 9 показаны отличия компоновки ОУ в корпусе SOIC (Рисунок 9а) и SOT-23 (Рисунок 9б). Каждый тип корпуса характеризуется собственным набором проблем. Глядя на (Рисунок 9а), мы видим, что существует несколько способов разводки цепи обратной связи. Самое главное здесь – минимальная длина дорожек. Паразитная индуктивность в цепи обратной связи (ОС) может вызвать «звон» и выбросы на переходной характеристике. На Рисунках 9а и 9б цепь ОС располагается вокруг ОУ. На Рисунке 9в показан альтернативный подход – цепь ОС проходит под корпусом SOIC, что уменьшает длину дорожки. Каждый вариант имеет тонкие отличия от других. Первый вариант может привести к избыточной длине дорожки и, соответственно, к повышенной индуктивности. Второй вариант требует использования переходных отверстий, имеющих собственные паразитные параметры. Их влияние также необходимо учитывать при разводке платы. Выводы корпуса SOT-23 расположены почти идеально: минимальная длина дорожки цепи ОС и минимальное количество переходных отверстий, емкость нагрузки и блокировочные конденсаторы соединяются в общей точке земли короткими проводниками, и, наконец, конденсаторы, шунтирующие положительную шину питания, не показанные на Рисунке 9б, помещены непосредственно под соответствующими блокировочными конденсаторами отрицательной шины на нижней стороне платы.
 |
||
| Рисунок 9. | Различия компоновки для ОУ в корпусе SOIC (а), SOT-23 (б) и SOIC с разводкой по низу платы для ВЧ устройств (в). |
|
Цоколевка ОУ, обеспечивающая низкие искажения. У компании Analog Devices есть ОУ (например, AD8045), расположение выводов которых помогает решить обе упоминавшиеся ранее проблемы, а также улучшает характеристики в двух других важных областях. Такие ОУ в корпусе LFCSP (Рисунок 10) имеют обычную цоколевку, но смещенную на один вывод против часовой стрелки. Освободившееся место использовано в качестве дополнительного выхода, специально предназначенного для подключения цепи ОС.
 |
||
| Рисунок 10. | ОУ с расположением выводов, обеспечивающим низкие искажения. |
|
Подобное расположение выводов допускает кратчайшее соединение между выходом ОУ (точнее, именно этим дополнительным выводом) и инвертирующим входом, как показано на Рисунке 11. Это делает разводку платы значительно более простой и рациональной.
 |
||
| Рисунок 11. | Компоновка платы для ОУ AD8045. | |
Еще одно преимущество – снижение уровня второй гармоники. Одной из причин появления второй гармоники в выходном сигнале ОУ с обычным расположением выводов является паразитная связь между неинвертирующим входом и выводом отрицательного напряжения питания. Специальное расположение выводов для корпуса LFCSP исключает эту связь и значительно уменьшает уровень второй гармоники; в некоторых случаях возможно ее снижение на 14 дБ. Рисунок 12 демонстрирует разницу между искажениями, вносимыми корпусами SOIC и LFCSP для ОУ AD8099.
 |
||
| Рисунок 12. | Сравнение уровней искажений для AD8099 в корпусах SOIC и LFCSP. | |
У такого корпуса есть еще одно преимущество – улучшенное рассеяние тепла. Корпус LFCSP снабжен открытым металлическим основанием, которое снижает тепловое сопротивление корпуса, а сопротивление кристалл-среда θJA оно способно снизить примерно на 40%. В таком корпусе температура кристалла ИС ниже, чем в обычном пластмассовом, что повышает надежность.
Трассировка и экранирование
На печатных платах имеется большое разнообразие аналоговых и цифровых сигналов, с малыми и большими напряжениями и токами, спектр которых простирается от постоянного тока до гигагерц. Бывает трудно сделать так, чтобы эти сигналы не мешали друг другу.
Вспоминая совет «Никому не доверять», очень важно продумать все заранее и набросать план того, как сигнал будет обрабатываться на плате. Важно отметить здесь, какие сигналы подвержены помехам, и определить меры, позволяющие сохранить их целостность. Земляные слои обеспечивают общую точку для сигналов, а также могут использоваться для экранирования. Когда нужно изолировать сигналы друг от друга, первым делом следует обеспечить физический зазор между дорожками.
Вот нескольких хороших правил, которые необходимо соблюдать:
- Сокращайте до минимума длинные участки с параллельным расположением дорожек на одной стороне платы, чтобы уменьшить индуктивную связь.
- Сокращайте длину дорожек на соседних слоях, это уменьшит емкостную связь.
- Сигнальные дорожки, взаимовлияние которых нежелательно, располагайте в отдельных слоях, а если невозможно их значительно раздвинуть – располагайте их перпендикулярно друг другу со слоем земли между ними. Перпендикулярное расположение уменьшает емкостную связь, а слой земли образует экран. Этот метод применяется при создании согласованных линий передачи.
Высокочастотные сигналы, как правило, передаются по согласованным линиям передачи. Другими словами, надлежащая трассировка дорожек обеспечивает характеристический импеданс линии, скажем, 50 Ом (типичный для ВЧ приложений). Существует два распространенных типа таких линий с контролируемым импедансом – несимметричные и симметричные, способные давать одинаковые результаты, но реализуемые по-разному.
Несимметричная полосковая линия, показанная на Рисунке 13, может проходить по любой стороне платы; находящийся непосредственно под ней земляной слой используется как основание линии.
 |
||
| Рисунок 13. | Несимметричная полосковая линия передачи. | |
Для нахождения характеристического импеданса линии на плате из материала FR4. можно использовать следующую формулу:
 |
(6) |
где
H – расстояние между полоской (печатной дорожкой) и основанием (земляным слоем),
W – ширина дорожки,
T – толщина дорожки,
εr – относительная диэлектрическая проницаемость материала платы.
Все размеры выражены в милах (одна тысячная дюйма).
Симметричные полосковые линии передачи (см. Рисунок 14) состоят из двух земляных слоев (оснований) с помещенной между ними сигнальной дорожкой (полоской). При таком подходе используется больше дорожек, требуется больше слоев платы, выше чувствительность к изменениям толщины диэлектрика и стоимость, поэтому такие линии используется только в ответственных приложениях.
 |
||
| Рисунок 14. | Симметричная полосковая линия. | |
Для расчета характеристического импеданса симметричной полосковой линии используется следующая формула:
 |
(7) |
Охранные кольца или эквипотенциальная защита – это еще один распространенный метод экранирования, применяемый к ОУ; он используется для предотвращения влияния токов утечек на чувствительные узлы схемы. Принцип прост – чувствительный узел полностью окружается охранным проводником, потенциал которого поддерживается равным потенциалу самого узла, что позволяет отвести токи утечек на охранный проводник в обход чувствительного узла. На Рисунке 15а показаны схемы подключения охранного кольца для инвертирующего и неинвертирующего усилителя. На Рисунке 15б представлена типичная реализация охранных колец для ОУ в корпусе SOT-23-5.
 |
||
| Рисунок 15. | Охранные кольца. Схемы подключения (а), разводка для корпуса SOT-23-5 (б). | |
Существует множество других вариантов экранирования и разводки. Для получения дополнительной информации по рассмотренным темам рекомендуем читателю обратится к источникам по приведенным ниже ссылкам.
Заключение
Для успешного проектирования схем на ОУ и, особенно, высокоскоростных схем, большое значение имеет рациональная компоновка платы. Хорошая принципиальная схема является основой для хорошей компоновки; существенно важно тесное взаимодействие проектировщиков схемы и платы, особенно в вопросах расположения компонентов и разводки дорожек. Темы для обсуждения должны включать блокировку по питанию, борьбу с паразитными параметрами, использование земляных слоев, влияние корпуса ОУ и способы экранирования и разводки.
Ссылки
- Ardizzoni, John, “Keep High-Speed Circuit-Board Layout on Track,” EE Times, May 23, 2005.
- Brokaw, Paul, “An IC Amplifier User’s Guide to Decoupling, Grounding, and Making Things Go Right for a Change,” Analog Devices Application Note AN-202.
- Brokaw, Paul and Jeff Barrow, “Grounding for Low- and High-Frequency Circuits,” Analog Devices Application Note AN-345.
- Buxton, Joe, “Careful Design Tames High-Speed Op Amps,” Analog Devices Application Note AN-257.
- DiSanto, Greg, “Proper PC-Board Layout Improves Dynamic Range,” EDN, November 11, 2004.
- Grant, Doug and Scott Wurcer, “Avoiding Passive-Component Pitfalls,” Analog Devices Application Note AN-348.
- Johnson, Howard W., and Martin Graham, High-Speed Digital Design, a Handbook of Black Magic, Prentice Hall, 1993.
- Jung, Walt, ed., Op Amp Applications Handbook, Elsevier-Newnes, 2005.
Купить AD8045 на РадиоЛоцман.Цены
