PCB設計における高周波回路の特別な対策

PCB設計における高周波回路の特別な対策

序章

現代の電子産業の急速な発展に伴い、デジタルおよび高周波回路は、高速、低消費、小型、高耐干渉の方向に発展しており、PCB（プリント回路基板、プリント回路基板）に対するより高い要件を提唱しています。 ） デザイン。 Protel 99SE 設計システムは、Windows XP および Windows 2000 プラットフォームの利点を十分に活用し、そのコア PCB モジュールの非常に強力な設計環境により、設計作業は設計要件をより効果的に達成できます。 高周波回路の設計者にとって、これは単なる PCB レイアウト率の要件ではなく、確かな理論的知識と豊富な PCB 設計経験に基づいて、回路の動作特性と実際の作業環境の側面から設計を検討する必要があります。 この方法でのみ、理想的な PCB を作成できます。

PCB 設計プロセスにおける高周波回路のレイアウトと配線を目的として、この論文では、Protel 99SE ソフトウェアを例として、PCB 設計プロセスにおける高周波回路の対策と設計スキルについて説明します。

1、 高周波 PCB レイアウト

レイアウト操作は、PCB 設計全体において非常に重要です。 レイアウトはルーティング操作の基本です。 完璧なコンポーネント レイアウトを実現するには、設計者は、回路の動作特性とルーティングの観点からコンポーネント レイアウトを検討する必要があります。

Protel 99SE には自動レイアウト機能があり、クラスタ化レイアウトと統計レイアウトの 2 つの機能があります。 ただし、高周波回路の動作要件を完全に満たすことはできません。 設計者はまた、PCB の製造可能性、機械構造、放熱、EMI (電磁干渉)、信頼性、シグナル インテグリティなどの側面からレイアウトを総合的に検討する必要があります。 PCB を効果的に改善し、レイアウトをより完璧にします。

高周波回路のレイアウトについては、設計者は最初に、構造に厳密に一致し、位置が固定されているコンポーネント (電源ソケット、インジケータ、コネクタ、スイッチなど) のレイアウトを検討し、次に特殊なコンポーネントのレイアウトを検討する必要があります。 ライン上のコンポーネント（発熱体、トランス、チップなど）、そして最後にいくつかの小さなコンポーネントのレイアウト。 同時に、配線要件を考慮する必要があります。 高周波部品の配置は、信号線の相互干渉をできるだけ減らすために、信号線の配線をできるだけ短くするために、できるだけコンパクトにする必要があります。

1.機械構造

電源ソケット、インジケータ、コネクタ、およびスイッチはすべてそのようなコンポーネントであり、機械的寸法に関連するプラグインを配置します。 一般に、電源と PCB の間のインターフェースは PCB の端に配置され、PCB の端からの距離は通常 2mm 以上です。 表示 LED は、必要に応じて正確に配置する必要があります。 スイッチと、調整可能なインダクタや抵抗器などの一部の微調整コンポーネントは、調整と接続を容易にするために、PCB の端近くに配置する必要があります。 頻繁に交換が必要な部品は、交換しやすいように部品の少ない位置に配置する必要があります。 質量が 15g を超える部品はブラケットで固定し、大きくて重い部品を PCB に直接配置しないでください。

2.放熱

高出力管、変圧器、整流管、その他の加熱装置は、高周波で動作するとより多くの熱を発生します。 換気と放熱を十分に考慮してレイアウトしてください。 このようなコンポーネントは、PCB の端または換気の良い場所に配置する必要があります。 垂直ボードの発熱体はボードの上部に配置し、両面ボードの最下層には発熱体を配置しないでください。 高出力整流管と調整管はラジエーターを装備し、変圧器から離してください。 電解コンデンサなどの熱部品も加熱装置から遠ざける必要があります。そうしないと、電解液が乾燥し、抵抗が増加して性能が低下し、回路の安定性に影響を与えます。

3. 特殊部品の配置

電源装置内部には50Hzの漏洩磁界が発生しますので、低周波増幅器の一部に接続すると低周波増幅器に干渉します。 したがって、これらは絶縁またはシールドする必要があります。

回路図に従って、アンプのすべてのレベルを一直線に配置することをお勧めします。 この配置の利点は、他の回路の動作に影響を与えることなく、すべてのレベルの接地電流がこの段階で流れることです。 入力段と出力段は、それらの間の寄生結合干渉を減らすために、できるだけ離す必要があります。 各ユニットの機能回路間の信号伝達関係を考慮し、低周波回路と高周波回路を分離し、アナログ回路とデジタル回路を分離する。 集積回路は、各ピンと他のデバイス間の配線接続を容易にするために、PCB の中央に配置する必要があります。

インダクタ、トランス、およびその他のデバイスには磁気結合があり、磁気結合を減らすために互いに直交するように配置する必要があります。 さらに、それらはすべて強力な磁場を持っているため、他の回路への影響を軽減するために、それらの周囲に適切な広いスペースまたは磁気シールドが必要です。

4.電磁干渉

電磁干渉を排除するために私たちが一般的に使用する方法には、ループの削減、フィルタリング、シールド、高周波デバイスの速度の最小化、PCB の誘電率の増加などがあります。

たとえば、集積回路のデカップリング コンデンサはできるだけ近くに配置する必要があります。 通常、10MHz 以下の動作周波数には 0.1uF のコンデンサを使用し、10MHz 以上の動作周波数には 0.01uF のコンデンサを使用します。

一部のコンポーネントまたはワイヤ間に大きな電位差がある場合は、放電を避けるために距離を長くする必要があります。 高電圧コンポーネントは、試運転中に手の届かない場所に配置する必要があります。 互いに干渉しやすいコンポーネントは、近すぎてはなりません。 フィードバック干渉を避けるために、入力コンポーネントと出力コンポーネントはできるだけ離す必要があります。 高周波部品の分布パラメータを小さくするには、一般回路（低周波回路）を規則的に配置して、組み立てや溶接を容易にする必要があります。

2、高周波PCB配線

高周波回路は、多くの場合、集積度が高く、配線密度が高くなります。 配線には多層基板が必要であり、干渉を低減する有効な手段です。 Protel 99SE の PCB システムは、ユーザーが選択できるように、32 の信号層、16 の機械層、ソルダー マスク層を含む 70 以上の作業層を提供できます。 層の数を合理的に選択することで、PCB のサイズを大幅に縮小し、中間層を最大限に活用してシールドを設定し、近くの接地をより適切に実現し、寄生インダクタンスを効果的に減らし、信号の伝送長を効果的に短縮し、相互干渉を大幅に減らすことができます 信号。 これらはすべて、高周波回路動作の信頼性に有益です。 同じ材料を使用した場合、4 層基板のノイズは両面基板のノイズよりも 20dB 低いというデータもあります。 しかし、層の数が増えるほど、製造プロセスが複雑になり、コストが高くなります。

1. 一般的な配線の原則

高周波回路部品のピン間の配線は短いほど良く、曲がりが少ないほど良い。 ワイヤは、できればまっすぐにする必要があります。 鋭利な曲げや鋭利な角はできる限り避けてください。 回転が必要な場合は、円弧または破線を使用して移行する必要があります。 この要件は、低周波回路での鋼箔の固定強度を向上させるためにのみ使用されますが、高周波回路でこの要件を満たすことで、高周波信号の外部伝送と相互結合を減らすことができます。 高周波回路の配線では、隣接する層で横配線と縦配線を交互に取った方が良いです。 同一層内での平行配線は避けられませんが、干渉を低減するために、PCB の裏側の広い領域にグランド線を配置することができます。 一般的に使用される両面ボードの場合、多層ボードは中間の電力層を使用してこの機能を実現できます。

2. 動力線とアース線の配線

局所的な電流が多段回路で接地抵抗干渉を発生させないようにするために、すべての段の回路をそれぞれ 1 点で接地 (または可能な限り集中接地) する必要があります。 高周波回路が 30 MHz を超える場合は、大面積接地を採用する必要があります。 このとき、すべてのレベルの内部コンポーネントも小さな領域で接地する必要があります。 干渉を受けやすいコンポーネントとラインは、アース線で囲むことができます。 さまざまな信号配線がループを形成することも、アース線が電流ループを形成することもできません。 電力線とアース線は互いに近くに配置し、電磁干渉を減らすために密閉領域を最小限に抑える必要があります。 一般に、配線中のワイヤ幅は 12 ～ 80 ミル、電源ラインは通常 20 ～ 40 ミル、アース線は通常 40 ミル以上です。 可能であれば、ワイヤはできるだけ広くする必要があります。

アナログアース線とデジタルアース線を公共アース線に接続する場合、高周波チョークリンクを使用します。 高周波チョークリンクの実際の組み立てでは、中央の穴にワイヤーが通された高周波フェライトビーズがよく使用されますが、これは一般に回路図には表現されていません。 結果のネットワーク テーブルにはそのようなコンポーネントは含まれず、その存在は配線時に無視されます。 この現実を考慮して、回路図ではインダクタンスと見なすことができます。PCB コンポーネント ライブラリでコンポーネント パッケージを個別に定義し、配線前に共通のアース ワイヤ接続点の近くの適切な位置に手動で移動します。

3. 集積チップの配線

高周波デカップリング コンデンサは、各集積回路ブロックの近くに配置する必要があります。 Protel 99SE ソフトウェアは、コンポーネントを自動的に配置するときに、デカップリング コンデンサとデカップリングされた集積回路の位置関係を考慮しないため、ソフトウェアがそれらを配置すると、コンポーネントが離れすぎて、デカップリング効果が良くありません。 この場合、コンポーネントを手動で動かしてそれらを近づけることにより、2 つの位置に事前に介入する必要があります。

4. 銅張り

銅コーティングの主な目的は、回路の干渉防止能力を向上させることですが、PCB の熱放散と強度に非常に有益です。 銅の接地もシールドの役割を果たすことができます。 ただし、大面積のストリップ銅箔は、PCBを長時間使用すると発熱が大きくなるため使用できません。 この時、剥き出しの銅箔は伸びやすく剥がれやすいです。 したがって、銅を使用する場合はグリッド銅箔を使用し、グリッドを回路の接地グリッドに接続して、グリッドのシールド効果を高めることをお勧めします。 グリッドのサイズは、キー シールドの干渉周波数によって異なります。

3、 おわりに

高周波回路基板の設計プロセスは複雑なプロセスです。 上記で説明した設計上の対策に加えて、信号のクロストークを含むシグナル インテグリティ、およびノイズの抑制方法も含まれます。 したがって、設計者は設計時に包括的な計画と検討を行い、設計サイクルの各段階でさまざまな方法と技術を採用して設計の精度を確保し、優れた性能を備えた妥当な高周波 PCB を設計する必要があります。