При проектировании электронных устройств важно учитывать множество факторов, чтобы обеспечить стабильную работу конечного продукта. Разводка печатных плат (PCB) — это один из ключевых этапов в разработке электронных устройств. Однако этот процесс часто сопровождается множеством ошибок, которые могут привести к нежелательным последствиям, начиная от нарушения работоспособности схемы и сбоев в функционировании устройства и заканчивая полным выходом изделия из строя. Рассмотрим распространенные ошибки, встречающиеся при разводке печатных плат и способы их предотвращения.
Одной из самых частых ошибок является неверное размещение компонентов на плате. Например, цифровые микросхемы могут оказаться в зоне, предназначенной для аналоговых. Это приводит к тому, что сигнальные проводники с аналоговыми сигналами пересекаются или находятся рядом с высокоскоростными цифровыми проводниками. Такая топология создает паразитные параметры, которые могут вызывать наводки и помехи. То же самое касается шин питания и земли: их следует разделять для цифровых и аналоговых областей платы.
Одной из самых распространенных ошибок является неправильный выбор ширины проводников на плате. Ширина трасс напрямую влияет на сопротивление и индуктивность проводника, что имеет значение для стабильности работы схемы. Ширина проводников должна соответствовать требованиям, предъявляемым конкретному типу сигнала и мощности. Слишком узкая трасса приведет к избыточному нагреву и ухудшению передачи сигнала, тогда как чрезмерно широкая потребует больше места на плате, что может негативно сказаться на компактности устройства и усложнит разводку.
Важно помнить, что разные типы сигналов требуют различных подходов к выбору ширины трассы. Следует определить ширину трасс исходя из требований конкретного типа сигнала и тока, который будет проходить через эти участки. Для низковольтных цепей с небольшими токами достаточно небольших дорожек, тогда как силовые цепи требуют более широких трасс.
При наличии более 5-7 микросхем не рекомендуется использовать шлейф для шины питания. Вместо этого лучше применять радиальную разводку, особенно для цифровых элементов. Также важно размещать развязывающие конденсаторы как можно ближе к микросхемам, чтобы минимизировать индуктивность проводников, соединяющих конденсаторы и выводы питания.
В платах с высокоскоростными сигналами критически важно минимизировать контур обратного тока. С увеличением частоты, начиная с 10 кГц, обратный ток проходит под сигнальными проводниками. Поэтому необходимо избегать разрывов на пути обратного тока, чтобы не увеличивать его площадь и индуктивность, что может привести к проблемам с электромагнитной совместимостью.
При разводке высокоскоростных сигналов необходимо поддерживать неразрывность импеданса. Изменение конфигурации проводника может вызвать переходные процессы и рассогласование линии передачи. Если нужно повернуть проводник на 90º, стоит использовать сглаженные углы, чтобы избежать увеличения ширины проводника и изменения его паразитных характеристик.
Как ни странно, несмотря на многочисленные рекомендации, до сих пор встречается неверное расположение компонентов на плате, когда цифровые микросхемы установлены в области расположения аналоговых микросхем. При этом сигнальные проводники с аналоговыми сигналами проходят рядом или пересекаются с проводниками с высокоскоростными цифровыми сигналами.
Подобная топология явно ошибочна. Из-за паразитных параметров проводники с высокоскоростными сигналами будут создавать наводки на сигнальных проводниках. На рис. 1 показан вариант правильной и неправильной трассировки аналоговых и цифровых сигналов.
Рис. 1. Правильная (а) и неправильная (б) трассировка и аналоговых, и цифровых проводников
Те же требования верны для шин питания и земли; они должны быть раздельно проведены для питания цифровых и аналоговых областей платы. Если на плате расположено более 5–7 микросхем, нежелательно шину питания делать шлейфом, лучше использовать радиальную разводку, особенно для цифровых микросхем.
Будет ошибкой располагать развязывающие по питанию конденсаторы в отдалении от микросхем. Для того, чтобы минимизировать индуктивность проводника, соединяющего разделительные конденсаторы и выводы питания микросхемы, эти конденсаторы должны быть установлены максимально близко к микросхеме.
В платах с высокоскоростными сигналами очень важно минимизировать контур обратного тока. Начиная с частоты примерно 10 кГц, обратный ток проходит под сигнальным проводником. Поэтому на пути обратного тока не должно быть препятствий в виде разрывов. В противном случае путь возвратного тока увеличивается; увеличивается и площадь контура тока. В результате возрастает индуктивность контура, что может привести к проблемам с соблюдением требований стандартов электромагнитной совместимости.
