A NYOMTATOTT HUZALOZÁSÚ LAP TERVEZÉSÉNEK ELŐKÉSZÍTÉSE

Átírás

1 A NYOMTATOTT HUZALOZÁSÚ LAP TERVEZÉSÉNEK ELŐKÉSZÍTÉSE A konkrét rajzolás előtt meg kell hozni bizonyos tervezői döntéseket: a lap alakja, a rétegek száma, a minimális vezetékszélesség, minimális szigetelési távolság, minimális furatátmérő, a furatok körüli vezető gyűrű minimális szélessége stb. A lap gyártója ezen információk alapján sorolja megfelelő minőségi osztályba az illető lapot. A gyártás költségi különböznek az egyes osztályokban. 1

2 A nyomtatott huzalozású lap alakja és méretei A tervezendő nyomtatott huzalozású lap alakját és méreteit a beépítési feltételek diktálják. A téglalap alak a legjellemzőbb, de ha a dobozba építés úgy kívánja, készíthető kör alakú vagy valamilyen összetett kontúrral határolt lap is. 2

3 A rétegek száma és elrendezése A tervezés kezdetén dönteni kell, hogy hány vezető rétegen kívánjuk kialakítani a vezetékeket. Definiálni kell az egyes vezető rétegek vastagságát és a közöttük levő szigetelő (hordozó) rétegek vastagságát. Több vezető réteg alkalmazásával csökkenteni tudjuk a lap méreteit, de drágább technológiát kell alkalmazni. E miatt ma is sok egyszerűbb termék egyrétegű lemezen készül. Többrétegű tervezésnél, a közönséges vezető rétegek mellett, szokásos (különösen digitális berendezéseknél) külön rétegeket alkalmazni a tápvezetékre és a földvezetékre. 3

4 Az alkatrészek lenyomatai (footprint) A nyomtatott huzalozású lap rajzolása előtt rendelkezésre kell, hogy álljanak az alkatrészek lenyomatai. Ma már nem jellemző, hogy a lenyomatokat a tervezés során rögtönözzük, az tévedésekhez vezethet. Az alkatrészgyártó rendszerint megadja a szükséges forrasztószem-, ill. forrasztópadka méreteket és pozíciókat. Az alkatrészek lenyomatainak kialakításánál ezekből az adatokból indulunk ki. 4

5 Az alkatrészek elhelyezésének szabályai A furatokba szerelt alkatrészeket csak a lap egyik oldalán szokták beültetni. A felületszerelt alkatrészeknél el kell dönteni, hogy egy vagy két oldalra szereljük őket. A kétoldalas szerelés kompaktabb kivitelt eredményez, de az alkatrészeket forrasztás előtt ragasztással rögzíteni kell a laphoz, hogy a lap megfordításakor ne essenek le. A kétoldalas szerelés nehezíti az esetleges javítást. 5

6 Ha nincs különösebb korlátozás, rendezettebb lesz a nyomtatott áramkör, ha az integrált áramkörök egyes számmal jelölt kivezetései mind egy irányba mutatnak. Célszerű valamilyen alaprács metszéspontjaihoz igazítani az alkatrészek kivezetéseit. A tervezői szoftverek rendszerint korlátozzák az alkatrészek egymáshoz való közelségét, hogy elkerüljük a tokozások ütközését szerelés közben. A lenyomatokat olyan távolságra kell elhelyezni egymástól, hogy elegendő hely maradjon a vezetékek kialakítására. 6

7 A vezetékekre vonatkozó általános szabályok Elsősorban a vezetékek szélességére és a közöttük levő távolságra adhatók meg szabályok. A szabályok felállításának szerepe, hogy kézi huzalozás esetén a szoftver figyelmezteti a tervezőt, ha nem megfelelő vezetéket akar elhelyezni. 7

8 Vezeték szélességek Általánosságban annál jobb, minél szélesebb vezetékeket hozunk létre az alkatrészek összekötéséhez, így tudunk közel equipotenciális felületet kialakítani. Mivel a hely korlátozott, gyakran vékony vezetékeket kényszerülünk alkalmazni. A vezeték szélesség alsó határát a nyomtatott huzalozású lap gyártásához alkalmazandó technológia korlátozza. A másik korlátozó tényező a vezetéken átfolyó áram nagysága. 8

9 Vezetékek közötti távolságok A nem összekötendő vezető felületek (vezetékek, forrasztószemek, forrasztópadkák) közötti távolságok jobb, ha minél nagyobbak, de kompakt tervezésnél korlátozott a hely. A vezető felületek közötti távolságok alsó határát a nyomtatott huzalozású lap gyártásához alkalmazandó technológia korlátozza. A másik korlátozó tényező a vezető felületek között megjelenő feszültség. 9

10 Földvezeték elhelyezésének szabályai Külön gondot kell fordítani egyes kitűntetett vezetékek megrajzolására. Ilyenek a földvezeték és a tápvezeték(ek). A földvezeték minden jel referencia pontja. Minél inkább equipotenciális felületként kell viselkednie. Minden jel áram a földvezetéken tér vissza a tápforrásba, közben ohm-os és induktív feszültségeséseket generál. A közös földvezeték használata interferencia jelenségekhez vezethet. A földvezeték kialakítására nagy gondot kell fordítani, mert a silány földvezeték működésképtelenné teheti a nyomtatott áramkört. A földvezeték jóságának mértéke az ellenállásérték és az impedancia. 10

11 Az egyes szakterületek külön szabályai az alkatrészek és a vezetékek elhelyezésére 1. Általános rendeltetésű analóg áramkörök Műveleti erősítőkkel, tranzisztorokkal megépített analóg jelfeldolgozó kapcsolásokat sorolunk ide (erősítők, szűrők ). Ezek az áramkörök nem túlságosan igényesek, de a korábban említett általános szabályokat az alkatrészek elhelyezésére, földvezeték és a tápvezetékek kialakítására be kell tartani, szűrőkondenzátorokat kell alkalmazni. Az érzékeny jelbemeneteket távol kell tartani a nagyjelű kimenetektől, esetleges digitális áramköröktől. 11

12 2. Általános rendeltetésű digitális áramkörök A maximum 20 MHz órajel frekvencián működő digitális funkcionális blokkokat és mikrovezérlőket tartalmazó áramköröket soroljuk ide. Ezek a kapcsolások sem túl igényesek. Az általános tervezési szabályok közül különösen a szűrőkondenzátorok (általában 100 nf) alkalmazása a kiemelendő, mivel a logikai jelszintek váltásakor nagy áramimpulzusok jelentkeznek az egyébként kis fogyasztású áramkörökben. Az interferencia jelenségek elkerülése végett ne vezessük egymással párhuzamosan a digitális bemeneteket és kimeneteket. Az órajel kristály kivezetéseit rövid vezetékkel kell a mikrovezérlőhöz kötni. 12

13 3. Érzékeny analóg áramkörök Itt azokra a fejlesztésekre gondolunk, amelyek valamilyen szempontból (nagy sávszélesség, nagy erősítés, kis zajszint, nagy dinamikus jeltartomány ) kiemelkednek az általános rendeltetésű analóg áramkörök közül. Itt fokozottan ügyelni kell a kimenetek és bemenetek térbeli elválasztására. A műveleti erősítők visszacsatoló elemeit egymáshoz közel, kis térben kell elhelyezni, különösen a kondenzátorok legyenek közel a műveleti erősítő kivezetéseihez. Célszerű a visszacsatoló ágban levő nagy ellenállást kis kapacitású kondenzátorral áthidalni, ezzel csökkentve a magas frekvenciás erősítést és a beoszcillálás lehetőségét. 13

14 Gyors differenciális jelek átvitelét egymáshoz közeli-, pontosan párhuzamosan futó vezetékekkel kell megoldani. Ezeken a meghajtó azonos amplitúdójú, de egymással ellentétes előjelű jeleket hoz létre, a vevő pedig a beérkező jelek különbségét figyeli. Az egymáshoz közeli és párhuzamos vezetékekkel minimalizálhatók a differenciális jelre ráépülő zavarok. Érdekes megemlíteni, hogy ez az elrendezés szinte minden más esetben nemkívánatos. 14

15 4. Nagyfrekvenciás digitális áramkörök A 20 MHz feletti órajellel működő digitális rendszereket tekintjük magas frekvenciásaknak. Ide tartozik a mikrovezérlők és szignál processzorok egy része, a CPLD és FPGA áramkörök, a RAM-ok és flash memóriák. A jelek terjedési ideje itt 1 ns nagyságrendű. A jelvezetékek a magas frekvenciás digitális áramköröknél annál jobbak, minél rövidebbek. Hosszú vezetékek rendszerint késéseket és visszaverődéseket okoznak. A visszaverődések a jelvezeték ellenállással történő lezárásával (párhuzamos terhelés a vevő áramkör közelében, 10 kω körüli érték) csillapíthatók. 15

16 Az órajel vezetékekkel szokott a legtöbb gond előadódni. Rendszerint az órajelet sok bemenetre rá kell kötni. Két lehetőség kínálkozik: csillagkapcsolás vagy létrakapcsolás. Csillagkapcsolás esetén az órajel forrást a lap közepén kell elhelyezni és az órajelet sugárirányban szétvezetni. Minden egyes vezeték egy átviteli vonal, ezeken visszaverődések jelentkeznek és leronthatják az órajelet (pl. a felfutó él nem lesz monoton növekvő). Létrakapcsolás esetén egy órajel vezeték indul a forrástól és körüljárja az összes bemenetet. Ez a vezeték meglehetősen bonyolult lesz, de elegendő egy lezáró ellenállást használni. 16

17 5. Rádiótechnikai áramkörök A rádiótechnikai alkalmazások szoktak a legkritikusabbak lenni a nyomtatott huzalozású lap fejlesztése szempontjából. A jelfrekvenciák nagyon széles tartományban mozoghatnak (DC GHz), a jelek amplitúdója hasonlóképpen (nv-10v). Egyes pontokban jellemző a nagy impedancia. Mindezt tetézi a nagy erősítés (100 db-ig). A passzív alkatrészek között előfordulnak kondenzátorok pf alatti kapacitással és tekercsek 10 nh nagyságrendű induktivitással. Ezek az értékek összemérhetők a nyomtatott huzalozású lap vezetékeinek parazita kapacitásaival és induktivitásaival. Mindez arra utal, hogy a rádiótechnikai áramkörökhöz nehéz nyomtatott huzalozású lapot tervezni. 17

18 A jó tervezés alapja az alkatrészek gondos elhelyezése. Az elhelyezést a kapcsolás egyik végén (pl. bemenet) kezdjük, és a másik vége felé folytatjuk. Jobb a magas frekvenciás résszel kezdeni, így a legkritikusabb alkatrészek elhelyezését jobban optimalizálhatjuk. Az egyes fokozatoknál először elhelyezzük az aktív alkatrészt (tranzisztor vagy integrált áramkör), majd körülötte a hozzá tartozó passzív alkatrészeket is. Ne helyezzünk egymás közelébe olyan aktív alkatrészeket, amelyek nagy erősítéssel és hasonló frekvencián működnek. A jel útja legyen a lehető legegyenesebb, ne keresztezzék egymást a különböző rádiófrekvenciás jelek. Kerüljük a jel átvezetését a lap egyik oldaláról a másikra. 18

19 6. Teljesítményelektronikai áramkörök A teljesítményelektronika vezérlőegységei részben analóg, részben digitális áramkörök. A végrehajtó szervek nagyáramú és nagyfeszültségű tranzisztorok és passzív alkatrészek. A tervezés egyik nehézsége, hogy kis energiájú vezérlőegységet kell üzemeltetni nagyenergiájú, zavaros környezetben. A vezérlőegységet és a végrehajtó elemeket igyekezni kell nem túl közel elhelyezni egymáshoz. Fontos a jó földelés és a zavarok szűrése is. 19

20 A nagy áramú jelek rövid és széles vezetékeket kívánnak, lehetőleg minél vastagabb rézborítású alaplemezt kell használni. Ha valamelyik vezetéket nem sikerül rövid úton összekötni, meg kell próbálni módosítani az alkatrészek elrendezését. A nagy feszültség nagy szigetelési hézagokat kíván az egyes vezetékek között, hogy elkerüljük a lehetséges átütést. A bemeneti (hálózati) és a kimeneti részt rendszerint határozottan elválasztják a lemezen, megfelelő szigetelőközökkel és bemarásokkal. 20