Guía práctica para la realización de circuitos impresos de alta velocidad

A pesar de su carácter crítico en los circuitos de alta velocidad, el trazado de la placa de circuito impreso (PCB) suele ser uno de los últimos pasos en el proceso de diseño. El diseño de placas de circuito impreso de alta velocidad tiene muchos aspectos; se han escrito volúmenes sobre el tema. Este artículo trata de la distribución de alta velocidad desde una perspectiva práctica. Su principal objetivo es hacer que los principiantes sean conscientes de las muchas y variadas consideraciones que deben tener en cuenta a la hora de diseñar diseños de placas para circuitos de alta velocidad. Pero también pretende refrescar la memoria de los que llevan tiempo fuera de la disposición del tablero. No se pueden tratar todos los temas en detalle en el espacio disponible aquí, pero cubrimos las áreas clave que pueden tener el mayor impacto en la mejora del rendimiento del circuito, la reducción del tiempo de diseño y la minimización de las tediosas revisiones.

Aunque se centra en los circuitos de amplificadores operacionales de alta velocidad, los temas y las técnicas que se tratan aquí son generalmente aplicables al diseño de la mayoría de los demás circuitos analógicos de alta velocidad. Cuando los amplificadores operacionales funcionan a altas frecuencias de RF, el rendimiento del circuito depende en gran medida de la disposición de la placa. Un diseño de circuito de alto rendimiento que parece bueno "sobre el papel" puede tener un rendimiento deficiente si se ve obstaculizado por un trazado descuidado o poco preciso. Pensar con antelación y prestar atención a los detalles más destacados a lo largo del proceso de diseño garantizará que el circuito funcione como se pretende.

El esquema

Aunque no hay garantías, un buen circuito comienza con un buen esquema. Sé reflexivo y generoso al dibujar un esquema, y piensa en el flujo de señales a través del circuito. Un esquema que tiene un flujo natural y suave de izquierda a derecha tenderá a tener también un buen flujo en el tablero. Pon toda la información útil posible en el esquema. Los diseñadores, técnicos e ingenieros que trabajarán en este trabajo te estarán muy agradecidos, incluso nosotros; a veces los clientes nos piden que les ayudemos en un circuito porque el diseñador ya no está.

¿Qué tipo de información debe figurar en un esquema además de los designadores de referencia habituales, las disipaciones de potencia y las tolerancias? Estas son algunas sugerencias que pueden convertir un esquema ordinario en un super¡esquema! Añade formas de onda, información mecánica sobre la caja o el recinto, longitudes de las trazas, zonas de exclusión; indica qué componentes deben estar en la parte superior de la placa; incluye información de sintonización, rangos de valores de los componentes, información térmica, líneas de impedancia controlada, notas, breves descripciones del funcionamiento del circuito... (y la lista continúa).

No confíes en nadie

Si no te encargas de la maquetación, asegúrate de que dispones de tiempo suficiente para repasar el diseño con la persona encargada de la maquetación. A estas alturas, ¡una onza de prevención vale más que una libra de cura! No esperes que el diseñador sea capaz de leer tu mente. Tu aportación y consejo son esenciales al principio del proceso de diseño. Cuanta más información puedas aportar y más te involucres en todo el proceso de maquetación, mejor será la imagen. Da al diseñador puntos intermedios de finalización, en los que quieres ser informado del progreso del diseño para una rápida revisión. Este "cierre del bucle" evita que un trazado se desvíe demasiado y minimiza la reelaboración de la carta.

Tus instrucciones para el diseñador deben incluir: una breve descripción de las funciones del circuito; un esquema de la placa que muestre la ubicación de las entradas y salidas; la placa apilando (es decir, el grosor de la placa, el número de capas, los detalles de las capas y los planos de señal -energía, tierra, analógico, digital y RF-); qué señales deben estar en cada capa; dónde deben colocarse los componentes críticos; la ubicación exacta de los componentes de ramificación; qué trazos son críticos; qué líneas deben ser de impedancia controlada; qué líneas deben tener una longitud adecuada; los tamaños de los componentes; qué trazos deben estar distantes (o cercanos) entre sí; qué trazos deben estar protegidos por un sistema de protección contra incendios circuitos deben estar lejos (o cerca) unos de otros; esto componentes deben estar cerca (o lejos) unos de otros; qué componentes van en la parte superior y cuáles en la inferior del tablero. Nunca recibirás una queja por dar a alguien demasiada información - demasiado no es suficientesí; demasiado, no.

A experiencia de aprendizajehace unos 10 años, diseñé una placa de montaje superficial multicapa, con componentes en ambas caras de la placa. La placa estaba atornillada a una caja de aluminio dorado con muchos tornillos (debido a una estricta especificación de vibración). Las clavijas de paso de polarización atravesaron la placa. Las clavijas estaban conectadas a la placa de circuito impreso mediante cables. Fue un montaje complicado. Algunos de los componentes de la placa tuvieron que ser SAT (definido en la prueba). Pero no he especificado dónde deben estar estos componentes. ¿Puedes adivinar dónde se colocaron algunas de ellas? Sí, en la parte inferior del tablero. Los ingenieros y técnicos de producción no estaban muy contentos cuando tenían que desmontar el conjunto, ajustar los valores y volver a montarlo todo. No he vuelto a cometer ese error.

Ubicación, ubicación, ubicación

Como en el sector inmobiliario, la ubicación lo es todo. El lugar en el que se coloca un circuito en una placa, el lugar en el que se encuentran los componentes individuales del circuito y los demás circuitos que se encuentran en las inmediaciones son factores críticos.

En general, las ubicaciones de entrada, salida y potencia están definidas, pero lo que hay entre ellas está "en el aire". Comienza con la ubicación de los componentes críticos, tanto a nivel de circuitos individuales como de toda la placa. Al especificar desde el principio la ubicación de los componentes críticos y las rutas de las señales, puedes asegurarte de que el diseño funcionará como está previsto. Hacerlo bien a la primera reduce el coste y el estrés, así como el tiempo del ciclo.

Anulando el suministro de energía

La derivación de la fuente de alimentación a los terminales de alimentación del amplificador para minimizar el ruido es un aspecto esencial del proceso de diseño de la placa de circuito impreso, tanto para los amplificadores operacionales de alta velocidad como para cualquier otro circuito de alta velocidad. Hay dos configuraciones comúnmente utilizadas para derivar los op amps de alta velocidad.

Rieles de tierraesta técnica, que es la que mejor funciona en la mayoría de los casos, utiliza varios condensadores en paralelo conectados desde las patillas de alimentación del amplificador operacional directamente a tierra. En general, dos condensadores en paralelo son suficientes, pero algunos circuitos pueden beneficiarse de condensadores adicionales en paralelo.

Poner en paralelo diferentes valores de condensadores garantiza que las clavijas de alimentación vean una baja impedancia de CA en una amplia banda de frecuencia. Esto es especialmente importante en las frecuencias en las que el amplificador operacional suministro de energía rechazo (PSR) disminuye. Los condensadores ayudan a compensar la disminución de la RPS del amplificador. Mantener una ruta de baja impedancia a tierra durante varias décadas de frecuencia garantiza que el ruido no deseado no se introduzca en el amplificador operacional. La figura 1 muestra las ventajas de los condensadores múltiples en paralelo. A bajas frecuencias, los condensadores más grandes proporcionan una vía de baja impedancia a tierra. Una vez que estos condensadores alcanzan la autorresonancia, la calidad capacitiva disminuye y los condensadores se vuelven inductivos. Por eso es importante utilizar varios condensadores: a medida que la respuesta en frecuencia de un condensador se desvanece, otro pasa a ser importante, lo que permite mantener una baja impedancia de CA durante varias décadas de frecuencia.

Partiendo directamente de las patillas de alimentación del amplificador óptico, el condensador de menor valor y tamaño físico debe colocarse en el mismo lado de la placa que el amplificador óptico y lo más cerca posible del amplificador. El lado de tierra del condensador debe conectarse al plano de tierra con una longitud mínima de cable o traza. Esta conexión a tierra debe estar lo más cerca posible de la carga del amplificador para minimizar las perturbaciones entre los raíles y la tierra. La figura 2 ilustra esta técnica.

Este proceso debe repetirse para el siguiente condensador de mayor valor. Un buen punto de partida es utilizar 0,01 µF para el valor más pequeño, y un electrolito de 2,2 µF o más con una ESR baja para el siguiente condensador. El 0,01 µF de la caja 0508 ofrece una baja inductancia en serie y un excelente rendimiento en alta frecuencia.

De ferrocarril a ferrocarrilotra configuración utiliza uno o varios condensadores de derivación unidos entre los carriles de alimentación positivo y negativo del amplificador óptico. Este método se suele utilizar cuando es difícil tener los cuatro condensadores en el circuito. El inconveniente de este método es que el tamaño de la caja del condensador puede ser mayor, ya que la tensión a través del condensador es el doble que la del método de derivación de una sola fuente. El mayor voltaje requiere un mayor índice de ruptura, lo que se traduce en un mayor tamaño de la carcasa. Sin embargo, esta opción puede ofrecer mejoras en la RPS y la distorsión.

Como cada circuito y disposición es diferente, la configuración, el número y los valores de los condensadores se determinan en función de las necesidades reales del circuito.

Parásitos

Los parásitos son esos pequeños y desagradables gremlins que se cuelan en tu PCB (literalmente) y causan estragos en tu circuito. Son los condensadores e inductores parasitarios ocultos que se cuelan en los circuitos de alta velocidad. Entre ellas se encuentran las inductancias formadas por los cables de la caja y las longitudes excesivas de las trazas, los condensadores entre la almohadilla y la tierra, la almohadilla y el plano de potencia, y la almohadilla y la traza, las interacciones con las vías y muchas otras posibilidades. La figura 3(a) es un esquema típico de un amplificador operacional no inversor. Pero si se tuvieran en cuenta los elementos parásitos, el mismo circuito tendría el aspecto de la figura 3(b).

En los circuitos de alta velocidad, no hace falta mucho para influir en el rendimiento del circuito. A veces basta con unas décimas de picofaradio. Por ejemplo, si sólo hay 1 pF de capacidad parásita adicional en la entrada inversora, puede provocar un pico de casi 2 dB en el dominio de la frecuencia (Figura 4). Si hay suficiente capacitancia, puede causar inestabilidad y oscilaciones.

Algunas fórmulas básicas para calcular el tamaño de estos gremlins pueden ser útiles cuando busques las fuentes de los parásitos problemáticos. La ecuación 1 es la fórmula de un condensador de placas paralelas (véase la figura 5).

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C es la capacidad, A es el área de la placa en cm², k es la constante dieléctrica relativa del material de la tarjeta, y d es la distancia entre las placas en centímetros.

La inductancia de la traza es otro parásito que hay que tener en cuenta, resultante de la excesiva longitud de la traza y de la ausencia de un plano de tierra. La ecuación 2 muestra la fórmula de la inductancia de la traza. Ver la figura 6.

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W es la anchura del trazado, L es la longitud de la traza, y H es el grosor de la traza. Todas las dimensiones están en milímetros.

La oscilación de la figura 7 muestra el efecto de una longitud de traza de 2,54 cm en la entrada no inversora de un amplificador operacional de alta velocidad. La inductancia parasitaria equivalente es de 29 nH (nanohenrios), lo que es suficiente para provocar una oscilación sostenida de bajo nivel que persiste durante toda la respuesta transitoria. La imagen también muestra cómo el uso de un plano de tierra mitiga los efectos de la inductancia parásita.

Vías las vías son otra fuente de parásitos; pueden introducir tanto una inductancia como una capacitancia. La ecuación 3 es la fórmula de la inductancia parásita (véase la figura 8).

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T es el grosor del panel y d es el diámetro de la vía en centímetros.

La ecuación 4 muestra cómo calcular la capacidad parásita de una vía (véase la figura 8).

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ε_r es la permeabilidad relativa del material del panel T es el grosor del tablero D₁ es el diámetro de la barrera que rodea la vía D₂ es el diámetro del orificio de paso en el plano de tierra. Todas las dimensiones están en centímetros. Una sola vía en una placa de 0,157 cm de grosor puede añadir 1,2 nH de inductancia y 0,5 pF de capacitancia, por lo que hay que tener cuidado en todo momento al organizar las placas para minimizar la infiltración de parásitos

Plano del terreno

Hay mucho más que discutir de lo que se puede abarcar aquí, pero destacaremos algunas de las características clave y animaremos al lector a explorar el tema más a fondo. Al final de este artículo se incluye una lista de referencias.

Un plano de tierra sirve como tensión de referencia común, proporciona apantallamiento, permite la disipación del calor y reduce la inductancia parásita (pero también aumenta la capacitancia parásita). Aunque el uso de un plano de tierra tiene muchas ventajas, hay que tener cuidado al ponerlo en práctica, ya que hay límites a lo que puede y no puede hacer.

Lo ideal es dedicar una capa de la placa de circuito impreso a servir de plano de tierra. Los mejores resultados se obtienen cuando todo el plano está intacto. Resiste la tentación de eliminar zonas del plano de tierra para dirigir otras señales en esta capa dedicada. El plano de tierra reduce la inductancia de la traza al anular el campo magnético entre el conductor y el plano de tierra. Cuando se eliminan zonas del plano de tierra, puede introducirse una inductancia parásita inesperada en las trazas por encima o por debajo del plano de tierra.

Como los planos de tierra suelen tener una gran superficie y sección transversal, la resistencia en el plano de tierra se mantiene al mínimo. A bajas frecuencias, la corriente sigue el camino de la menor resistencia, pero a altas frecuencias, la corriente sigue el camino de la menor resistencia impedancia.

Sin embargo, hay excepciones, y a veces es mejor tener menos planta. Alta velocidad amplificadores operacionales funcionará mejor si se elimina el plano de tierra de debajo de las almohadillas de entrada y salida. La capacitancia parásita introducida por el plano de tierra en la entrada, sumada a la capacitancia de entrada del amplificador óptico, reduce el margen de fase y puede causar inestabilidad. Como vimos en la discusión de las parásitas, una capacitancia de 1 pF en la entrada de un amplificador operacional puede causar un gran pico. La carga capacitiva en la salida -incluidas las derivaciones- crea un polo en el bucle de retroalimentación. Esto puede reducir el margen de fase y hacer que el circuito sea inestable.

Los circuitos analógicos y digitales, incluyendo las tierras y los planos de tierra, deben estar separados si es posible. Los bordes ascendentes rápidos crean picos de corriente que fluyen a través del plano de tierra. Estos rápidos picos de corriente crean un ruido que puede perjudicar el rendimiento analógico. Las tierras analógicas y digitales (y las fuentes de alimentación) deben conectarse a un punto de tierra común para minimizar las corrientes de tierra digitales y analógicas circulantes y el ruido.

A altas frecuencias, hay que tener en cuenta un fenómeno conocido como efecto piel Efecto piel hace que las corrientes fluyan a través de las superficies exteriores de un conductor, lo que hace que el conductor sea más estrecho, aumentando así la resistencia en relación con su valor de corriente continua. Aunque el efecto piel está fuera del alcance de este trabajo, una buena aproximación a la profundidad de la piel en cobre, en centímetros, es

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Los metales de chapado menos sensibles pueden ser útiles para reducir el efecto piel.

Embalaje

Los amplificadores operacionales suelen ofrecerse en una variedad de paquetes. El embalaje elegido puede afectar al rendimiento de alta frecuencia de un amplificador. Las principales influencias son el ruido (mencionado anteriormente) y enrutamiento de la señal. Aquí nos centraremos en el enrutamiento de las entradas, las salidas y la alimentación del amplificador.

La figura 9 ilustra las diferencias de diseño entre un amplificador óptico en un encapsulado SOIC (a) y uno en un encapsulado SOT-23 (b). Cada tipo de paquete presenta su propio conjunto de retos. Centrándonos en (a), una mirada atenta a la ruta de retorno sugiere que hay varias opciones para encaminar el retorno. Mantener la longitud de los trazos cortos es primordial. La inductancia parásita en la retroalimentación puede causar oscilaciones y sobreimpulsos. En las figuras 9(a) y 9(b), la ruta de retroalimentación se dirige alrededor del amplificador. La figura 9(c) muestra un enfoque alternativo -enrutar la ruta de retroalimentación bajo la caja SOIC- que minimiza la longitud de la ruta de retroalimentación. Cada opción tiene sutiles diferencias. La primera opción puede dar lugar a una longitud de recorrido excesiva, con un aumento de la inductancia en serie. La segunda opción utiliza vías, que pueden introducir capacitancia e inductancia parásitas. Hay que tener en cuenta la influencia y las implicaciones de estas parásitas a la hora de disponer la placa. La disposición del SOT-23 es casi ideal: la longitud de la traza de retroalimentación y el uso de vías son mínimos; los condensadores de carga y de derivación se dirigen con trayectorias cortas a la misma conexión a tierra; y los condensadores del carril positivo, que no se muestran en la Figura 9(b), están situados directamente debajo de los condensadores del carril negativo en la parte inferior de la placa.

Disposición de las clavijas del amplificador de baja distorsiónun nuevo pinout de baja distorsión, disponible en algunos amplificadores operacionales de Analog Devices (el AD8045, por ejemplo), elimina los dos problemas mencionados anteriormente y mejora el rendimiento en otras dos áreas importantes. La distribución de pines de baja distorsión del LFCSP, como se muestra en la Figura 10, toma la distribución de pines del amplificador óptico tradicional, la gira en sentido contrario a las agujas del reloj en un pin, y añade un segundo pin de salida que sirve como pin de retroalimentación dedicado.

La disposición de las clavijas de baja distorsión permite una conexión estrecha entre la salida (la clavija de retroalimentación dedicada) y la entrada inversora, como se muestra en la figura 11. Esto simplifica y agiliza enormemente el diseño.

Otra ventaja es la reducción de la distorsión de segundo armónico. Una de las causas de la distorsión del segundo armónico en las configuraciones convencionales de las patillas de los amplificadores operacionales es el acoplamiento entre la entrada no inversora y la patilla de alimentación negativa. El pinout de baja distorsión del encapsulado LFCSP elimina este acoplamiento y reduce significativamente la distorsión del segundo armónico; en algunos casos la reducción es de hasta 14 dB. La figura 12 muestra la diferencia en el rendimiento de la distorsión entre el AD8099 SOIC y el paquete LFCSP.

Otra ventaja de este paquete es la disipación de energía. El LFCSP proporciona una paleta expuesta, que reduce la resistencia térmica del paquete y puede mejorar θ_JA en aproximadamente un 40%. Debido a la menor resistencia térmica, el dispositivo funciona más frío, lo que se traduce en una mayor fiabilidad

Actualmente, hay tres amplificadores operacionales de alta velocidad de Analog Devices disponibles con la nueva disposición de pines de baja distorsión: AD8045, AD8099 y AD8000.

Enrutamiento y blindaje

En las placas de circuito impreso existe una gran variedad de señales analógicas y digitales, con tensiones y corrientes altas y bajas, que van desde la corriente continua hasta los GHz. Puede ser difícil evitar que las señales se interfieran entre sí.

Recordando el consejo "No te fíes de nadie", es esencial pensar con antelación y elaborar un plan sobre cómo se manejarán las señales en el tablero. Es importante tener en cuenta qué señales son sensibles y qué medidas hay que tomar para mantener su integridad. Los planos de tierra proporcionan un punto de referencia común para las señales eléctricas, y también pueden utilizarse para el apantallamiento. Cuando sea necesario aislar la señal, el primer paso debe ser proporcionar una distancia física entre las trazas de la señal. Aquí tienes algunas buenas prácticas que debes observar:

• Minimizar los tramos largos en paralelo y la proximidad de las trazas de señal en la misma placa reducirá el acoplamiento inductivo.
• Minimizar las trazas largas en las capas adyacentes evitará el acoplamiento capacitivo.
• Las trazas de señales que requieran un alto aislamiento deben colocarse en capas separadas y, si no pueden espaciarse completamente, deben ser ortogonales entre sí con un plano de tierra entre ellas. El enrutamiento ortogonal minimizará el acoplamiento capacitivo y la tierra formará un escudo eléctrico. Esta técnica se utiliza en la formación de impedancia controlada líneas.

Las señales de alta frecuencia (RF) suelen transportarse por líneas de impedancia controlada. Es decir, la traza mantiene una impedancia característica, como 50 ohmios (típica en aplicaciones de RF). Hay dos tipos comunes de líneas de impedancia controlada, microstrip y estriado pueden dar resultados similares, pero con diferentes implementaciones.

Una línea microstrip de impedancia controlada, mostrada en la Figura 13, puede colocarse en cualquier lado de una placa, utilizando el plano de tierra inmediatamente inferior como plano de referencia.

La ecuación 6 puede utilizarse para calcular la impedancia característica de una tarjeta FR4.

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H es la distancia hacia dentro desde el plano de tierra hasta la traza de la señal, W es la anchura del trazado, T es el grosor de la traza; todas las dimensiones están en mils (pulgadas × 10^-3). ε_r es la constante dieléctrica del material del circuito impreso.

Las líneas de impedancia controlada Stripline (véase la figura 14) utilizan dos capas de plano de tierra, con una traza de señal intercalada entre ellas. Este enfoque utiliza más trazos, requiere más capas de placa, es sensible a las variaciones de grosor del dieléctrico y es más caro, por lo que generalmente sólo se utiliza en aplicaciones exigentes.

La ecuación de diseño de la impedancia característica de la línea TEMAS se muestra en la ecuación 7.

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Los anillos de protección, o "guardas", son otro tipo de apantallamiento común que se utiliza con los amplificadores operacionales; se usan para evitar que las corrientes parásitas entren en los nodos sensibles. El principio es sencillo: rodear completamente el nodo sensible con un cable de guarda que se mantiene o se lleva (a baja impedancia) al mismo potencial que el nodo sensible, manteniendo así las corrientes parásitas lejos del nodo sensible. La figura 15(a) muestra los diagramas de anillos de guarda para configuraciones de amplificadores operacionales inversores y no inversores. La figura 15(b) muestra una implementación típica de los dos anillos de protección para un paquete SOT-23-5.

Hay muchas otras opciones de apantallamiento y enrutamiento. Se anima al lector a consultar las referencias que aparecen a continuación para obtener más información sobre este y otros temas mencionados anteriormente.

CONCLUSIÓN

Un diseño inteligente de la placa de circuito impreso es importante para el éxito en el diseño de circuitos de amplificadores operacionales, especialmente para los circuitos de alta velocidad. Un buen esquema es la base de un buen diseño; y es esencial una estrecha coordinación entre el diseñador de circuitos y el maquetador, especialmente en lo que respecta a la ubicación de las piezas y el cableado. Entre los temas a tener en cuenta están la derivación de la fuente de alimentación, la reducción del ruido, el uso de planos de tierra, los efectos del acondicionamiento de los amplificadores operacionales y los métodos de enrutamiento y blindaje.

参考电路

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