Паразитные эфекты печатной платы

Подробности
Автор: EngineerDeveloper®

           Печатные токопроводящие слои на многослойных печатных платах можно воспринимать как обкладки конденсатора. Рассчитать ёмкость такого конденсатора можно по формуле, приведенной на рисунке 10.

Для примера можно задаться следующими параметрами для печатной платы:

  1. Плата четырёхслойная. Сигнальный “top”/земляной/питание/сигнальный “bottom”;
  2. Межслойный интервал = 0,2 мм;
  3. Ширина печатного проводника  = 0.75 мм;
  4. Длина печатного проводника = 7.5 мм.
  5. Типовое значение диэлектрической постоянной ER  для FR-4 составляет 4.5.

         Подставив все значения в вышеуказанную формулу, получим ёмкость между слоями, которая составляет 1.1 пФ. В результате расчётов емкость получилась не большая, но даже такое значение недопустимо для ряда устройств. На рисунке 11 приведен пример влияния рассчитанного номинала конденсатора на частотную характеристику усилителя. Паразитный конденсатор подключим к инвертирующему входу операционного усилителя.

         Из рисунка видно, что происходит подъем на частотах свыше 100 МГц. Что может привести к самовозбуждению.

         Для решения этой проблемы существует множество различных способов. Самый простой – уменьшение длины проводников или уменьшение их ширины. Можно смело уменьшить ширину проводников до 0,2 мм, так как токи в этих цепях очень малы. А так же можно уменьшить длину трассы до 2,5 мм. Результат расчета уменьшится в 10 раз по сравнению с предыдущим и составит 0.1 пФ. А такая емкость уже не приведет к значительному подъёму в области высоких частот АЧХ усилительного каскада. Так же можно удалить часть полигонов под ОУ, это так же отразится благоприятно на АЧХ усилителя.

         Инвертирующий вход операционного усилителя особенно в высокочастотных схемах с большим коэффициентом усиления оказывает нежелательный эффект самовозбуждения. Это происходит из-за паразитной ёмкости входного каскада ОУ. Поэтому крайне важно уменьшить паразитную ёмкость и располагать корпуса элементов обратной связи настолько близко к инвертирующему входу насколько это возможно. Если, несмотря на принятые меры, происходит возбуждение усилителя, тогда необходимо пропорционально уменьшать номиналы резисторов стоящие в цепи обратной связи. Что позволит изменить резонансную частоту цепи. При изменении резисторов в обратной связи стоит помнить и о корректирующих конденсаторах. Так же нельзя забывать и о том, что при изменении номиналов резисторов в меньшую сторону увеличивается ток потребления устройства. 

         Ширина печатных проводников на плате ограничивается технологией изготовителя печатных плат, а так же толщиной фольги. Так же стоит отметить характерную особенность для проводников, проходящих достаточно близко друг к другу. Если два проводника проходят достаточно близко друг к другу, то между ними образуется ёмкостная и индуктивная связи. (См. рис. 12).

         Математические зависимости, описывающие емкостные и индуктивные эффекты достаточно сложны и не приводятся в этой статье. Их можно найти в литературе посвящённой линиям передач и полосковым линиям.

         Сигнальные проводники не должны разводиться параллельно друг другу, за исключение дифференциальных и полосковых линий связи. Зазор между проводниками должен составлять как минимум в три раза больше ширины самого проводника.

         Еще одним источником паразитной индуктивности служит межслойные соединения (переходные отверстия) (См.рис. 13). При диаметре отверстия после металлизации d и длине канала h индуктивность можно вычислить по следующей приближенной формуле:

 

          Например, при в = 0,4 мм и Р = 1,5 мм (такие параметры встречаются чаще всего) паразитная индуктивность переходного отверстия составит 1.1 нГн.

         Следует иметь в виду, что паразитная емкость переходного отверстия вместе с паразитной индуктивностью печатной платы образуют резонансный контур, который в свою очередь негативно отразится на работе высокочастотных устройств. Собственная индуктивность переходного отверстия достаточно мала и резонансная частота такого контура находится где-то в гигагерцовом диапазоне. Но если на протяжении пути одной трассы множество переходных отверстий, тогда индуктивность складывается (последовательное соединение), а резонансная частота паразитного контура снижается. Следовательно, старайтесь избегать большого числа переходных отверстий наиболее значимых высокочастотных трасс.

         Следует помнить, что если в схеме присутствуют большие номиналы резисторов, то особое внимание следует уделить очистке печатной платы от остатков флюса и припоя. В итоге хочу отметить, стоит производить тщательную промывку печатной платы от остатков монтажных работ, свежей дистиллированной водой.