2. mérés Nyomtatott áramkör tervezés Bevezetés A XX. század elején az elektroncsöves és a korábbi villamos készülékekben az alkatrészeket még szegecselt forrfülekre forrasztották vagy csavarkötéssel szerelték, az egyes alkatrészeket pedig szigetelt huzallal, kézi forrasztással kötötték össze. Ez a gyártástechnológia rendkívül időigényes volt, szinte egyáltalán nem lehetett gépesíteni és a gyártás során nagy volt a hibalehetőség. Ezeket a problémákat már rendkívül korán, az 1900-as évek elején felismerték és új alkatrész szerelési technológiákat próbáltak kikísérletezni. A mai értelemben vett nyomtatott áramköri szereléstechnikát Paul Eisler kezdte el kifejleszteni az 1930-as években. Az 1960-as évektől napjainkig ez a fajta szereléstechnológia szinte egyeduralkodóvá vált. A nyomtatott áramkör nem más, mint egy szigetelő lemez felületére, vagy felületeire felvitt, fémfóliából kialakított forrasztási pontok, és az ezeket összekötő vezető sávok hálózata. Az alkatrészek a forrasztási pontokra vannak forrasztva, az elektromos kapcsolatokat a vezető sávok biztosítják. A lemezek lehetnek merevek vagy papírszerűen hajlékonyak, egy vagy több rétegűek. Esetenként a fémfóliából csatlakozó- és kapcsolóérintkezők is kialakíthatók. Az alkatrészek lehetnek felületszerelt (SMD) vagy furatszerelt alkatrészek. Többféle nyomtatott áramkör gyártási technológia is létezik. A szubtraktív (fóliamaratásos) módszert használják a legelterjedtebben. Ennek lényege, hogy a rézfóliával borított szerelőlemez azon felületeit, amelyek az áramkört fogják alkotni, maratásálló védőréteggel látják el, majd a szabadon maradt rezet vegyi úton leoldják. Nagyüzemekben néhány helyen használják a féladditív eljárást is (bár ez eléggé drága). Az itt használt lemez csak igen vékony rézréteget tartalmaz. A lemezre a furatokat CNC fúrógéppel előre elkészítik. A lemezre és az előre elkészített furatok kémiailag kezelt belső falára fémréteget galvanizálnak (természetesen csak oda, ahová az áramkör megkívánja). A galvanizáló anyag ón, vagy ón-ólom ötvözet lehet. Ezután a felesleges rezet a szokásos módon lemaratják. A maratószer az ónnal és az ólommal nem lép reakcióba, így a felületen kialakul a tervezett vezetékrendszer. Ezzel a módszerrel a furatok falát fémezni lehet, ami lehetővé teszi a két-, vagy többrétegű áramkörök készítését. A nyomtatott áramkörökön a vezető fémréteg felett további rétegek is létrehozhatók: forrasztómaszk réteg az alkatrészek beforrasztásának megkönnyítésére (Soldering Mask), illetve festékszita réteg (Silk Screen) a beültetendő alkatrészek rajzainak felvitelére, így helyüknek és típusuknak a könnyű beazonosítására. A kisipari és a nagyüzemi eljárásokhoz ugyanazok a főbb tervezési lépések szükségesek: az áramkör specifikációja, a specifikáció alapján alkatrészek kiválasztása, a kapcsolási rajz megtervezése, szimulációk, gyártmánytervezés: a nyomtatott áramköri elrendezés megtervezése (NYÁK tervezés), méret, kezelőszervek elhelyezése, dobozolás stb. dokumentáció. 15
Labor 2. Hallgatói segédlet Ma már a gyorsabb, hatékonyabb és lehetőleg hibamentes tervezés érdekében a nyomtatott áramkörök tervezési lépéseit számítógépes programok segítik (Computer Aided Design, vagy csak röviden CAD). A laborgyakorlat célja, hogy ezeket a a tervezési lépéseket részletesen bemutassa az egyik legelterjedtebb nyáktervező szoftver, az OrCAD segítségével. A mérés célja Az OrCAD NYÁK tervező rendszer megismerése, a nyomtatott áramkör tervezés főbb lépéseinek megismerése, a nyomtatott áramkör tervezés néhány ökölszabályának elsajátítása. A mérés elméleti alapjai, alapfogalmak Alkatrészek A kapcsolási rajzban szereplő alkatrészek kiválasztása és az áramkör kapcsolási rajzának megtervezése az OrCAD-ben együtt, egy program modulban történik: az OrCAD Capture CIS (Component Information System)-ben. Az OrCAD CIS-ben a "Place Part" opció alatt több ezer kapcsolási rajz szimbólumai közül választhatók ki a feladat megoldásához leginkább megfelelőek. Az alkatrészek.llb kiterjesztésű könyvtárakba vannak csoportosítva. Az egyes alkatrészek számos paraméterrel rendelkeznek, amiket magunk is szerkeszthetünk a Capture CIS megfelelő moduljával. Ilyen paraméter például az alkatrészek neve, tokozása, a kapcsolási rajzhoz tartozó NYÁK rajzolat (footprint), illetve a rajzhoz tartozó PSpice szimulációs paraméterek. (A laborgyakorlaton a PSpice mappa alatti könyvtárakat kell használni, ugyanis az itt található alkatrészek biztosan rendelkeznek a PSpice AD szimulációkhoz szükséges összes információval.) A NYÁK-on szereplő speciális alkatrészek kiválasztása, amelyek nem tartoznak a kapcsolási rajzhoz (felerősítő furatok, merevítések, stb.) az OrCAD Layout Plus modul Library Manager opciója alól választhatók ki és helyezhetők el közvetlenül a NYÁK terven. Footprint-ek Ahhoz, hogy egy alkatrészt fel lehessen forrasztani a NYÁK-ra és a többi alkatrésszel össze lehessen huzalozni, egy az alkatrészre jellemző rézfólia rajzolatra, az ún. footprintre van szükség. Minden alkatrészhez egy footprint tartozik. Egy felületszerelt ellenállás footprintje például két adott méretű, négyzet alakú rézfólia részlet egymástól adott távolságra. Egy furatszerelt ellenállás footprintje két adott méretű, kör alakú rézfólia részlet, közepükön adott méretű lyukkal. Ezek a footprintek mint önálló objektumok jelennek meg az OrCAD-ben. A vezetékezés a footprintek között van megoldva. Magunk is rajzolhatunk minden alkatrésznek egy-egy megfelelő footprintet, azonban a gyakrabban előforduló alkatrészek számára előre definiált footprintek is találhatók az OrCAD Layout Plus, Library Manager-ben. 16
2. mérés Nyomtatott áramkör tervezés 2-1. ábra. Egy SMD (baloldalt) és egy furatszerelt ellenállás (jobboldalt) footprintje. Netlista A kapcsolási rajz és a NYÁK huzalozási rajz között a netlista fájl teremt kapcsolatot. Ebben a fájlban van összeírva, hogy egy adott footprint pontjai mely más footprint pontokkal vannak összekötve és azok melyik alkatrész rajznak felelnek meg a kapcsolási rajzon. A netlista segítségével lehetséges az egyes NYÁK tervező szoftverek közötti átjárás. Ha például egy cégnél OrCAD-ben tervezték a kapcsolást, de a gyártónál TANGO-ban tervezik a huzalozást, akkor ez nem jelent problémát. Rétegek (Layouts) Amint az már az előszóban is szerepelt, egy NYÁK-on többféle réteg is szerepelhet: a felső és az alsó oldalon is szerepelhet vezetékezés (TOP és BOT rétegek), mindkét oldalon lehet forrasztásgátló lakkozás (SMT, SMB), mindkét oldalon lehet szitázással készített feliratozás (SST, SSB), felületszerelt eszközöknél definiálható forrpaszta szitázás (SPT, SPB), többrétegű NYÁK-oknál belső huzalozási rétegek (PWR, GND, INNER rétegek). Az OrCAD-ben szintén külön rétegként van kezelve a NYÁK furatozása (DRD), gyári feliratozása (FAB) vagy éppen a hozzá fűzött megjegyzések (NOT). (Ha szükséges, még mi is definiálhatunk újabb rétegeket.) Ezek a rétegek külön színekkel vannak jelölve a huzalozási ábrán. Az egyes rétegeket felülnézetben láthatjuk. Back annotation A back-annotation a NYÁK készítés utolsó lépéseinek egyike, ami a sorozatgyártást segíti elő. Itt lehet az alkatrészeknek új nevet adni a NYÁK-on, majd ezt a változtatást visszavezetni a kapcsolási rajzra is. A NYÁK-on ugyanis gyakran nem ugyanolyan struktúrában helyezkednek el az alkatrészek, mint a kapcsolási rajzon, ami kézi beültetés esetén megnehezíti a soron következő alkatrész megtalálását és behelyezését. Az alkatrészek átnevezésével a beültetési munka jelentősen gyorsítható. Gerber file A Gerber-fájlok olyan adatfájlok, amik a gyártósorok számítógépeinek szóló közvetlen információkat tartalmazzák. Ezekkel a fájlokkal közvetlenül lehet például a fúrógépet, a szitakészítőt vagy a kontúrmarót vezérelni. Több ilyen fájlformátum is létezik, például ARISTO, EUCLID, MEDUSA, ROMULUS. A Gerber fájlformátum az egyik legelterjedtebb. Az OrCAD is ezt használja. További fogalmak Via: két vezetékezési réteg között fémes kontaktust teremtő furat. Pin: pin-nek nevezzük egy huzalozás végpontját a kapcsolási rajzon és a huzalozási rajzon egyaránt. Általában ez egy alkatrészláb szokott lenni, de lehet akár egy mérőpont is. Padstack, forrpad, forrszem: a pin fizikai kialakítása a NYÁK-on. 17
Labor 2. Hallgatói segédlet Vezetékezési ökölszabályok A jelenlegi technológiákkal egy átlagos NYÁK-készítő cég 8 mil-es vagy annál vastagabb huzalozást tud készíteni (1 mil a coll ezredrésze, azaz 0.0254 mm). Egyszerűbb NYÁK-okhoz 12 mil-es vezetékeket vagy annál vastagabbat szoktak használni. A tápvezetéket 4-szer, 5-ször vastagabbra szokás méretezni mint a jelvezetéket, mivel jóval nagyobb áram folyik rajtuk és a vékony vezetéken túl nagy lehet a feszültségesés, ami zavarokat okozhat az eszköz működésében. A vezetékezést sohasem szokás derékszögben megtörni, általában 135 fokos szögben hajlítják meg. Erre azért van szükség, mert az éles törésnél a gyártási technológia tökéletlensége miatt a sarkok lekerekednek, ami vezeték összeérést és zárlat kialakulását okozhatja a panelen. Nagyon sűrű, felületszerelt panelek kivételével 0,6 mm alatti furatátmérőt ne használjunk még a viákhoz sem, mert az ennél kisebb méretű fúrókon a fúrásra használható rész nagyon rövid és a panelek csak egyesével fúrhatók (egyébként legalább hármat szoktak összefogni). Ez a gyártási időt és a költségeket jelentősen megnöveli. A furatátmérők megadásánál vegyük figyelembe, hogy 1 mil-enként nincsenek fúrók és az egy panelen előforduló 10-12 féle furat szintén növeli a fúrási időt és a gyártási költségeket. A forrasztásgátló lakkbevonat készítéséhez szükséges filmeken a forrszemek kitakarását a panelen lévő forrszem méretéhez képest meg kell növelni. Az ajánlott növelés normál kétoldalas panelek esetében körbe kb. 8 mil, felületszerelt paneleknél kb. 4 mil. A panel széléhez 1 raszternél (0.1 coll, azaz 2.54 mm) közelebb ne tegyünk furatot és fél raszternél közelebb ne vigyünk vezetéket, mert a körülvágás vagy kontúrmarás során megsérülhetnek. A vezetékek forrszemhez csatlakozását tegyük egyértelművé. Kerüljük el a forrszembe a forrszem mellett elmenő vezeték T alakú vagy visszakanyarodó bekötését. Lehetőleg derékszögű vagy 45 fokos huzalvezetést használjunk. Kétoldalas panelek esetén törekedjünk arra, hogy a két oldalon a forrszemek és vezetősávok felülete közel azonos legyen. 1 mm-es vezeték átmérőjű furatszerelt alkatrész esetén ne 1 mm-es lyukat fúrjunk a panelba, hanem annál nagyobbat, kb. 1.2 mm-est, mivel a furatgalvanizálás miatt a lyuk valódi mérete kisebb lesz a fúrtnál. 18
2. mérés Nyomtatott áramkör tervezés Feladatok a felkészüléshez 0. A mérést megelőző otthoni felkészülésként végezze el az alábbiakat önállóan. Az írásbeli feladatokat (kézzel írottan) be kell mutatni a mérésvezetőnek. Elfogadásuk előfeltétele a mérés megkezdésének. A szóbeli felkészülést a mérésvezető szúrópróbaszerűen ellenőrizheti. A mérést megelőző otthoni felkészülésként végezze el az alábbiakat önállóan! 1. Olvassa át alaposan A mérés elméleti alapjai c. szakaszban foglaltakat! 2. A Laboratórium 2. c. tárgy WEB-es adatlapja alatt töltse le és válaszolja meg írásban az Ön számára kijelölt feladatot! 3. Olvassa el és gondolja végig a Mérési feladatokat! 4. Válaszolja meg a (mérési leírás végén található) Ellenőrző kérdéseket! Az írásbeli feladatokat (kézzel írott formában) be kell mutatni a mérésvezetőnek. Elfogadásuk előfeltétele a mérés megkezdésének. A felkészülést a mérésvezető szúrópróbaszerűen szóbeli kérdésekkel is ellenőrizheti. Alkalmazandó eszközök PC az OrCAD ingyenes DEMO verziójával Mérési feladatok0. A gyakorlat feladatai az 1. laborgyakorlat során megépített egyszerű áramkör kapcsolási rajzán alapulnak. Ezt a kapcsolási rajzot kell létrehozni OrCAD-ben és megcsinálni a huzalozási rajzát. 1. Kapcsolási rajz létrehozása OrCAD Capture CIS-ben A Capture CIS modul elindítása után a képernyőn csak a SESSION LOG ablak látható. A program a különböző funkciók futtatásakor ebben az ablakban írja ki az észrevételeit. A kapcsolási rajz megszerkesztése egy új project nyitásával kezdődik (File->New->Project), amelyet az Analog or Mixed-Signal Circuit Wizard alkalmazásával célszerű elkészíteni. (A program használata során ne használjon ékezetes karaktereket és ügyeljen rá, hogy a kisbetűk és nagybetűk különböző karakterek.) Legyen például a project neve erosito. Az ezután felpattanó ablakban nem szükséges a beállításokon változtatni, nyomjuk meg a Finish gombot. A project létrehozása után két fájl generálódik: egy.opj kiterjesztésű project fájl, ami a project beállításait tartalmazza, és egy.dsn kiterjesztésű design fájl, ami a tervezendő kapcsolási rajzot és annak beállításait fogja tartalmazni. A képernyőn megjelenik az erosito.opj ablak és egy SCHEMATIC1:PAGE1 ablak. Az erosito.opj-ben (a továbbiakban project ablak) található könyvtár szerkezetű elrendezésben helyezkedik el a projecttel kapcsolatos összes fájl és információ. A Design Resources-on belül található a Library és az erosito.dsn. A Library-ben a project megnyitásakor betöltött könyvtár-fájlok vannak. Az erosito.dsn "könyvtárban" további két könyvtár van, az egyik neve SCHEMATIC1. Ezt a jobb egérgombbal a feliratra kattintva módosítsa (Rename) 19
Labor 2. Hallgatói segédlet EROSITO-re, majd az EROSITO könyvtárban található PAGE1 bejegyzést változtassa meg ErositoA-ra. Indítsa el az ugyanitt található Schematic Page Properties menüpontot és állítsa a Page Size oldalon a méretet milliméterre, majd válassza az A4-es papírméretet. Az EROSITO-vel azonos szinten található a Design Cache. Ez a könyvtár a tervezés során felhasznált alkatrészek információit fogja tartalmazni. Váltson ablakot és térjen át a most már EROSITO:ErositoA nevű üres kapcsolási rajzlapra és készítse el az 1. laborgyakorlaton összeállított invertáló erősítő kapcsolási rajzát. Példaként a 2. ábrán látható egy invertáló erősítő kapcsolási rajza. Vcc Vcc IN IN C1 R1 R2 15Vdc V1 470n 4.7k 3 2 8 U1A V+ + - OUT V- 1 47k OUT OUT 15Vdc V2 TL0824 R4 VOFF = 0 VAMPL = 0.01 FREQ = 1000 V3 V4 0.01Vac 0Vdc R3 1k Vss Vss 100k GND 0 2-2. ábra. Invertáló erősítő kapcsolási rajza. Ez a "Place Part" menüpont használatával kezdődik, amely a "Tab" menün keresztül (Place- >Part), "hotkey"-vel (Shift+P) vagy legegyszerűbben a képernyő jobb szélén található "toolbar" ikonján ( ) keresztül érhető el. Az alkatrészeket több fájlból kell összeválogatni. Például ellenállást a Place Part ablakban a Part Search paranccsal lehet megkeresni. A Part name-hez írja be: R, majd kattintson a Begin Search gombra. Az eredmény a kis ablakban megjelenő lista az R-et tartalmazó alkatrészfájlokról. Esetünkben az analog.olb megfelelő. Kattintson az OK-ra, majd keresse meg ismét az R-et és kattintson ismét az OK-ra. A kurzor megváltozott és látható, hogy egy ellenállás helyezhető el valahova. Forgassa el az ellenállást, ha szükséges (R betű) és rakjon le egyet. A kurzor még mindig egy ellenállással együtt mozog. Rakja le a többi ellenállást is a kapcsolási rajznak megfelelően, majd Esc-el lépjen ki. A következő feladat a műveleti erősítő megkeresése. Végül keresse meg a kapacitásokat (C) is. A PSpice szimulációhoz a későbbiekben egy tápfeszültségre és két speciális jelforrásra lesz szükség, azokat az ellenálláshoz hasonlóan kell lerakni. A tápfeszültség VDC-ként, míg a két speciális forrás VSIN és VAC nevek alatt található meg a Source könyvtárban. A VSIN generátornál állítson be 0V offset feszültséget, 0.01V amplitúdót és 1000 Hz-et, a VAC generátornál állítson be 0.01V AC feszültséget és 0V DC feszültséget. A VAC generátort kösse rá a bemenetre. A VSIN generátort kösse rá a földre, de ne kösse be a bemenetre, hanem a szabadon maradt lábára tegyen egy Not Connected jelzést ( ikon). 20
2. mérés Nyomtatott áramkör tervezés Az alkatrészek közötti összekötéseket a Place->Wire (Shift+W vagy a "toolbar" ikonja) üzemmódban lehet létrehozni. Két vezeték csak akkor van elektromos kapcsolatban egymással, ha azt egy kis rózsaszín pötty jelzi. Ezek a kapcsolódási pontok a Place->Junction (Shift+J vagy ) menüpontban hozhatók létre. A huzalozás után a föld jelet kell elhelyezni a Place->Ground (Shift+G) menüponttal. Válassza a 0/Source nevű földet. Végül be kell állítani az alkatrészek paramétereit. Ezt célszerű csoportosan elvégezni. Az egér bal gombjának lenyomva tartásával keretezze be (jelölje ki) az alkatrészeket a csoportos szerkesztéshez. A "Tab" menüben az Edit->Properties, egyszerűbben a jobb egérgomb lenyomása után az Edit Properties... menüpontot kiválasztva megjelenik a Property Editor ablak. A "Filter by:<all>" beállítással az alkatrészek valamennyi paramétere látható és szerkeszthető. (Az egyedi beállításnál ami általában egy már meglevő kapcsolási rajz módosításakor használatos a képernyőn is látható paraméterekre egyszer kattintva, azok pozíciója, kétszer kattintva azok értéke állítható. Szükség esetén egy alkatrész körvonalára kétszer kattintva a Property Editor ablak is előhívható.) A tokozás hozzárendelési információt a PCB Footprint mezőben tárolja a program. Az ellenállások esetében SM/R_0805-öt, a kapacitások esetén SM/C_0805-öt érdemes beállítani. A műveleti erősítő esetében használja a DIP.100/8/W.300/L.450 footprintet. (A footprintek elnevezése könnyen érthető: SM Surface Mount, DIP DIP tokozás, stb.) A Place->Net alias ( ) menüpont használatával helyezzen el, Vcc, Vss, IN és OUT címkéket a megfelelő vezetékekre. A program a hozzárendelést úgy végzi el, hogy a címkét a hozzá legközelebb eső vezetékhez rendeli, ezért a félreértések elkerülése végett ne helyezzen címkét vezeték kereszteződések közelébe. Kattintson a PSpice menüre és válassza a Create Netlist-et. Az utasítás hatására ha mindent jól csinált a program egy.net kiterjesztésű fájlt generál, amely a project ablakban az Outputs könyvtárban tekinthető meg. Ezt követően létre kell hozni a szimulációs profilokat a PSpice menüben a New Simulation Profile menüponttal. Meg kell adni az új profil nevét, ami legyen AC. A profil elkészülte után megjelenik egy ablak, ami a profillal kapcsolatos beállításokat tartalmazza. Itt lehet megadni, hogy milyen szimulációt akar végezni (munkaponti, tranziens stb.). A szimulációs profil a project ablakban lévő PSpice Resources/Simulation Profile könyvtárban található. A névre (EROSITO-AC) jobb egérgombbal kattintva módosíthatók a profil beállításai (Edit Simulation Settings), futtatható, stb. Ezeket a funkciókat a PSpice-ból is elérhetjük, ezért a szimulációval kapcsolatos további teendőket a PSpice-os fejezet tartalmazza. A Capture-ben azonban a szimuláción kívül még az áramkör tényleges fizikai megtervezését is elő kell készíteni. Az erosito.dsn project ablakban a Tools->Create Netlist menüpontban megjelenő ablakban kattintson a Layout fülre, tegyen X-et a "Run ECO to Layout" négyzetbe, majd nyomja meg az OK gombot. (Arra ügyeljen, hogy a mértékegység rendszer inch legyen.) Az output fájlok között megjelenik egy erosito.mnl nevű, ez a fájl tartalmazza az összes információt a Capture-ben megtervezett áramkörről. Mentse el a projectet, de ne zárja be, mert a későbbiek során még vissza kell térni egy-két módosítás erejéig a kapcsolási rajzhoz! 2. Layout Plus A Layout Plus indítása után a File->New menüpont programja megnyit egy új layout ablakot és felteszi első kérdését a tervezendő áramkörrel kapcsolatban. Ez az áramkörre vonatkozó fizikai jellemzőket és egyéb információkat tartalmazó fájl kiválasztását jelenti. A Demo verzióban viszonylag kis mennyiségű ilyen fájl áll rendelkezésre, de a teljes verzióban már igen sok előre definiált áramköri hordozó található. Ilyen például az isa.tch fájl, ami a 21
Labor 2. Hallgatói segédlet számítógépekbe való ISA kártyák szabványos csatlakozósorát és körvonalrajzát tartalmazza. Most válassza a default.tch-t. Ezt követően a program az.mnl kiterjesztésű fájlt kéri. Válassza ki az erosito.mnl fájlt. A layout terv egy.max kiterjesztésű fájlban fog tárolódni, aminek legyen ugyancsak erosito a neve. Ennek megadása után a program feldolgozza a netlistát az ECO program segítségével (Automatic Engineering Change Order). Mivel az egyes alkatrészek már rendelkeznek tokozási információval, ezért ezen a részen hiba nélkül kell átjutni. A program elhelyezi az alkatrészeket a képernyőn. A generátorok nem jelentek meg, ellenben a terhelő ellenállás igen, pedig erre is csak a szimuláció miatt volt szükség. Térjen vissza a Capture-be és kattintson duplán a terhelő ellenállásra, majd a megjelenő ablakban kattintson a New... gombra. Írja be az új tulajdonság nevét: PSpiceOnly. Az új oszlop értékét állítsa TRUE-ra (ügyeljen a kis- és nagybetűkre). Generáljon új netlistát a layouthoz (a Capture project ablakban a Tools->Create Netlist-tel) majd térjen vissza a Layout Plushoz. Ott egy üzenet jelzi, hogy a netlista módosult, ezért frissíteni kell a tervet. Kattintson a Yes-re. Most már a terhelő ellenállás nem jelenik meg a képernyőn. Állítsa be az Options->System Settings... ablakban a tervezési raszter (Grid) paramétereket. Legyen a Display unit: mils, a Visible grid 100, a többi grid paraméter 25. A következő feladat az alkatrészek elhelyezése. A Layout Plus az automatikus tervezés során az alkatrészek közötti huzalozás-hossz minimalizálásával dolgozik. A "kézi" alkatrész elrendezés utasításai a Tool->Component->Select Tool menüpontban találhatók. Először be kell állítani a használható rétegeket. Ehhez az egyszerű áramkörhöz elegendő egy huzalozási réteg, mégpedig a bottom (alsó=forrasztás oldali) réteg. Az Options->Colors a GLOBAL, TOP, BOTTOM, SST, SSB, DRD, DRL rétegeket hagyja meg, a többit pedig tegye láthatatlanná a "-" gombbal vagy a jobb egérgombbal elérhető Visible/Invisible menüponttal. A Tool->Layer->Select From Spreadsheet menüpontra megjelenik az összes réteg és azok beállításai. Pillanatnyilag a TOP és BOT rétegek lényegesek. A Layer Type-ot állítsa e kettőnél Routing-ra, az INNER, PWR, GND rétegeknél pedig Unused-ra. Az SMTOP stb. rétegeket hagyja meg Doc, illetve Drill rétegeknek. Ebben a táblázatban egyébként megváltoztathatók a rétegek nevei is, de ezek alapvetően jól vannak beállítva. A rétegek beállítása után kezdődhet az alkatrészek tényleges elhelyezése. Bármely alkatrészre kattintva az alkatrész "felemelkedik" és áthelyezhető tetszőleges helyzetre. Az alkatrészt az R (Rotate) billentyűvel lehet forgatni és a T (opposite) billentyűvel lehet a NYÁK másik oldalára helyezni. Az alkatrészek alapértelmezésben a TOP oldalon helyezkednek el. Mivel mi a bottom oldalon szeretnénk vezetékezni, ez nem feltétlenül előnyös, ezért az összes SMD alkatrészt helyezzük át a bottom rétegre. Próbálja meg az alkatrészeket optimálisan elhelyezni! Az alkatrészek elhelyezése után következik a huzalozás. A huzalozáshoz meg kell adni a majdani hordozó körvonalát, hiszen csak ezen belül huzalozhat a program. A körvonal rajzot a Tool->Obstacle->New menüvel lehet elkészíteni. A kurzor megváltozik. A jobb egérgombbal hívja elő a helyi menüt, majd a Properties menüpontot. A megjelenő ablakban állítsa be a következőket: Obstacle Type: Board outline Width: 25 Obstacle Layer: Global Layer Net Attachement: - (none) 22
2. mérés Nyomtatott áramkör tervezés Az OK után rajzoljon az alkatrészek köré egy téglalapot. a bal egérgombbal lehet sarokpontokat lerakni. A műveletet az Esc fejezi be. Az automatikus huzalozás az Auto->Autoroute->Board menüpontban indítható. Előtte azonban állítsuk be a vezetékvastagságokat a vezetékezési ökölszabályoknak megfelelően: A Tool->Net->Select From Spreadsheet menüpontban a Vcc, a Vss és a 0 vezetékeket állítsuk át 12-ről 48 milre. Az autoroute egyéb beállítása igen bonyolult, ezért tételezzük fel, hogy a többi beállítás helyes. Ha nem tetszik az adott huzalozás, vagy az alkatrészek elrendezése, az Auto->Unroute->Board paranccsal a vezetékezést ismét szétszedheti és az alkatrészeket megint szabadon mozgathatja. 2-3. ábra. Huzalozási és beültetési rajz. 3. Extra NYÁK komponensek Az áramköri terv egy-két címke lerakásával még áttekinthetőbbé tehető a Tool->Text->New menüpont segítségével. Ügyeljen arra, hogy a címkéket tükrözéssel helyezze el a bottom rétegen. Mivel felülnézetből látjuk a NYÁK-ot, tükrözés nélkül a forrasztási oldalon a valóságban tükörírással jelennének meg a szövegek. A következő lépés az alkatrészek áttekinthető átnevezése. Tegye láthatóvá az SSB (Silk screen bottom) réteget. Rengeteg felirat jelent meg, ami teljesen áttekinthetetlen rajzolatot jelent. A Tool->Text->Select Tool opcióval jelölje ki az egyes feliratokat. Az ellenállás értékeket és a footprint típus jelöléseket törölje le, csak az alkatrész nevek maradjanak. Az Options->Components Renaming menüpontnál állítson be Right Down átnevezési irányt, majd az Auto->Rename Components menüpont segítségével nevezze át az alkatrészeket. A layout tervezés ezekkel a lépésekkel lezárult. Utolsó tervezési lépésként a gyártáshoz szükséges Gerber fájlokat (fúró fájl, bottom réteg mintázata, stb.) kell elkészíteni. A beállításokat az Opions->Post Process Settings menüponttal megjeleníthető táblázatban kell elvégezni. A szükséges fájlok pillanatnyilag a BOT (bottom), DRD (drill drawing) és SMB (soldermask bottom). A "batch enabled" cellát ezeknél a soroknál állítsa Yes-re, a többit kapcsolja ki. Az Auto->Run Post Process menüponttal elkészített fájlokkal kezdetét veheti a gyártás. 23
Labor 2. Hallgatói segédlet Kiegészítő mérési feladatok 4. Szimuláció OrCAD-ben PSpice menüben a New Simulation Profile menüponttal létre kell hozni egy új profile-t, amit munkapont -nak érdemes elnevezni. Az Analysis fülnél az Analysis type-ot Bias Point-ra kell állítani. Ezután a profil futtatása (a szimuláció) előtt a project ablakban jobb gombbal az új profile-ra kattintva, az előpattanó menüből ki kell választani a Make Active menüpontot, hogy az úk profile legyen az aktív. A szimuláció a Pspice->Run menüponttal indítható. Az eredmény a Pspice AD alkalmazásban a View->Output File menüponttal tekinthető meg. A megjelenő ablakban megtalálható az áramkör teljes PSpice nyelvű leírása, a lap alján pedig az összes munkaponti adat (2-4. ábra). **** 01/28/04 14:42:04 ********* PSpice 9.1 (Mar 1999) ******** ID# 1353446486 ** circuit file for profile: munkapont **** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C ****************************************************************************** NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE ( IN) 0.0000 ( OUT) 13.04E-06 ( VCC) 15.0000 ( VSS) -15.0000 (N00116) 10.92E-06 (N00171)-45.05E-09 (N00201) 10.92E-06 (X_U1A.6)-1.854E-09 (X_U1A.7) 13.07E-06 (X_U1A.8) 13.07E-06 (X_U1A.9) 0.0000 (M_UN0001) 0.0000 (X_U1A.10) -.3986 (X_U1A.11) -14.6550 (X_U1A.12) -14.6550 (X_U1A.53) 12.8000 (X_U1A.54) -12.8000 (X_U1A.90) 175.5E-09 (X_U1A.91) 25.0000 (X_U1A.92) -25.0000 (X_U1A.99) 0.0000 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V1 V_V2 V_V3 V_V4 X_U1A.VB X_U1A.VC X_U1A.VE X_U1A.VLIM X_U1A.VLP X_U1A.VLN -1.419E-02-1.419E-02 0.000E+00 0.000E+00-1.854E-14 1.280E-11 1.280E-11 1.755E-10-2.500E-11-2.500E-11 TOTAL POWER DISSIPATION 4.26E-01 WATTS 2-4. ábra. A megtervezett áramkör munkaponti adatai. Mennyit fogyaszt az eszköz alapértelmezésben? Ön szerint melyik alkatrész fogyasztja a legtöbb teljesítményt? A frekvenciatartománybeli analízis elvégzéséhez az AC nevű profilt kell aktívvá tenni. A profilt be kell állítani (jobb gomb a profile-on és az Edit Simulation Settings menüpont választása). Típusa legyen AC sweep (a Bode-diagram ábrázolásához). A frekvencia kb. 1 Hz-től 10 MHz-ig terjedjen, dekádonként 5 ábrázolási ponttal. Futtassa le a profilt. 24
2. mérés Nyomtatott áramkör tervezés A profil futtatása után meg kell jeleníteni a kimeneti feszültséget a Pspice AD alkalmazásban, a Trace->Add Trace menüpont segítségével (2-5. ábra). A Bode diagramm amplitúdómenetének kirajzolásához a megjelenő ablak Functions and Macros hasábjában válassza ki a DB()-t, majd a Simulation Output Variables hasábban a V(OUT)-ot és ossza el V(IN)-nel. (Ez utóbbi könnyebben megtalálható, ha a Currents és az Alias Names boxok ki vannak kapcsolva.) 25 20 10 0-10 -20 1.0Hz 10Hz 100Hz 1.0KHz 10KHz 100KHz 1.0MHz 10MHz DB(V(OUT)/V(IN)) Frequency 2-5. ábra. A megtervezett áramkör Bode diagram amplitúdómenete Értelmezze a kapott eredményt! Vizsgálja meg hasonló módon az erősítő fázismenetét is! A harmadik, időtartománybeli analízis profil létrehozásához módosítsa a kapcsolási rajzot az OrCAD CIS-ben: a VAC generátor helyére kösse be a VSIN generátort. Hozzon létre egy új profilt tranziens néven. Az Analysis type-ot Time Domain (Transient)-re, a Run to time-ot kb. 5 ms-ra kell beállítani. Ne felejtse el aktívvá tenni a tranziens profile-t. A szimulációt futtassa le és a Pspice AD alkalmazásban, a Trace->Add Trace menüben a V(IN) és V(OUT) jeleket kiválasztva, értelmezze a kapott eredményt (2-6. ábra)! 25
Labor 2. Hallgatói segédlet 120mV 80mV 40mV -0mV -40mV -80mV -120mV 0s 0.2ms 0.4ms 0.6ms 0.8ms 1.0ms 1.2ms 1.4ms 1.6ms 1.8ms 2.0ms V(IN) V(OUT) Time 2-6. ábra. A megtervezett áramkör időtartománybeli vizsgálata Tesztkérdések 1. Mit nevezünk NYÁK-nak? 2. A kis- és nagyüzemi NYÁK-gyártásnak mik a főbb tervezési lépései? 3. Soroljon fel egy-két NYÁK-réteg nevet! 4. A NYÁK tervező programok (például az OrCAD is) milyen nézőpontból szokták ábrázolni a NYÁK rétegeket? 5. Mi a Gerber file? 6. Mi a netlista? 7. Mi a back annotation? 8. Soroljon fel egy-két NYÁK tervezési ökölszabályt! 9. Ha a NYÁK réteg bottom oldalára feliratot akar elhelyezni, mire kell ügyelnie az OrCAD-ben? 26