 |
W artykule przedstawiono wybrane fragmenty książki Bruce’a Cartera pt. „Wzmacniacze operacyjne. Teoria i projektowanie.”, wydanej przez Wydawnictwo BTC. |
Wybór materiału odpowiedniego do zastosowania
Płytka drukowana może być wykonana z różnych materiałów, oznaczanych zgodnie z klasy?kacją National Electrical Manufacturers Association (NEMA). Byłoby bardzo wygodne dla projektantów, gdyby ta organizacja kontrolowała, w ścisłym związku z producentami, takie parametry materiału jak rezystywność i stała dielektryczna. Niestety, jest inaczej, ponieważ jest to organizacja zajmująca się bezpieczeństwem urządzeń elektrycznych i różne odmiany materiału na płytki drukowane są klasy?kowane ze względu na niepalność, stabilność w wysokiej temperaturze i pochłanianie wilgoci. Zatem specy?kacje NEMA nie zawierają gwarancji parametrów elektrycznych materiału. W razie wymagań krytycznych dla projektu należy skonsultować się z producentem materiału na płytki drukowane.
Materiały laminowane są oznaczane wg klas FR (łatwopalności ?ame resistant ) oraz G. Materiał FR1jest najmniej ognioodporny, a FR5 – najbardziej. Materiały oznaczone G10 i G11 mają specjalne właściwości podane w tabeli 1.
Nie należy używać materiału FR1. Istnieje wiele przykładów płytek z wypalonymi miejscami, w których były umieszczone elementy dużej mocy powodujące podgrzewanie płytki przez dłuższy czas. Ten rodzaj materiału na płytki drukowane ma właściwości najbardziej zbliżone do tektury.
Tab. 1. Materiały na płytki drukowane
| Oznaczenie | Materiał: komentarz |
| FR1 | Papier/Żywica fenolowa: łatwa obróbka mechaniczna, słaba odporność na wilgoć |
| FR2 | Papier/Żywica fenolowa: nadaje się na jednostronne płytki do urządzeń powszechnego użytku |
| FR3 | Papier/Żywica epoksydowa: dobra równowaga miedzy parametrami mechanicznymi i elektrycznymi |
| FR4 | Tkanina szklana/Żywica epoksydowa: doskonałe parametry mechaniczne i elektryczne |
| FR5 | Tkanina szklana/Żywica epoksydowa: dobra wytrzymałość w wysokiej temperaturze, samogasnący |
| G10 | Tkanina szklana/Żywica epoksydowa: duża rezystancja izolacji, największa wśród laminatów odporność na rozwarstwienie, dobra odporność na wilgoć |
| G11 | Tkanina szklana/Żywica epoksydowa: dobra odporność na wysoką temperaturę, doskonała odporność na rozpuszczalniki |
Laminat FR4 jest powszechnie stosowany w urządzeniach przemysłowych, natomiast FR2 – w produkowanych masowo urządzeniach powszechnego użytku. Te dwa rodzaje laminatów wydają się standardami przemysłowymi. Odejście od tych standardów wiąże się z ograniczeniem liczby dostawców laminatu oraz ?rm wytwarzających płytki drukowane, ponieważ większość tych ?rm ma oprzyrządowanie dostosowane do standardowych materiałów. Tym niemniej, w pewnych zastosowaniach, korzystne może być zastosowanie innych laminatów. W urządzeniach bardzo wielkich częstotliwości może być konieczne wybranie te?onu lub nawet ceramiki na podłoże płytki. Należy wziąć pod uwagę, że im bardziej egzotyczny materiał jest użyty na podłoże, tym droższa będzie płytka drukowana.
Przy wyborze materiału płytki należy zwrócić szczególną uwagę na pochłanianie wilgoci. Wilgoć ma negatywny wpływ na niemal każdy istotny parametr płytki, włącznie z jej oporem, stratami dielektrycznymi, odpornością na przebicie i łuk elektryczny oraz stabilnością mechaniczną. Trzeba też zwrócić uwagę na temperaturę pracy. Wysokie temperatury mogą wystąpić w zupełnie nie-oczekiwanych miejscach, np. w pobliżu dużych cyfrowych układów scalonych pracujących z dużą szybkością. Należy spodziewać się wzrostu temperatury, tak że jeżeli jakieś 500 końcówkowe scalone monstrum zostanie umieszczone bezpośrednio pod wrażliwym na temperaturę układem analogowym, to parametry zarówno płytki drukowanej, jak i całego układu mogą ulegać zmianom wraz z temperaturą.
Po wybraniu rodzaju materiału na płytkę, następnym etapem jest decyzja o grubości warstwy miedzi pokrywającej płytkę. W większości zastosowań wystarczy warstwa miedzi o grubości 35 µm (1 oz). W urządzeniach pobierających dużą moc lepsza może się okazać warstwa o grubości 70 µm (2 oz). Należy unikać najcieńszej folii o grubości 18 µm (1/2 oz), ze względu na tendencję do występowania przerw pomiędzy ścieżkami i punktami lutowniczymi.
Ile warstw powinna mieć płytka?
Projektant musi ustalić liczbę warstw obwodu drukowanego zależnie od stopnia złożoności projektowanego układu.
Płytka jednostronna
Najprostsze urządzenia powszechnego użytku bywają wykonane w postaci jednostronnego obwodu drukowanego z taniego materiału (FR1 lub FR2) pokrytego cienką warstwą miedzi. Projekty te często mają wiele zworek wykonanych przewodami, symulujących połączenia na płytce dwustronnej. Taka metoda jest zalecana tylko dla obwodów małej częstotliwości. Z powodów, które będą opisane dalej, ten rodzaj układu jest w najwyższym stopniu wrażliwy na zakłócenia elektromagnetyczne. Projektowanie tego typu płytek jest dość trudne ze względu na możliwość wystąpienia wielu błędów. Wiele złożonych projektów powstało w ten sposób, ale wymagały one wielu przemyśleń. Przykładem może być odbiornik telewizyjny, w którym wszystkie układy analogowe zostały umieszczone na pojedynczej płytce jednostronnej w dolnej części obudowy, a jedynym ekranem oddzielającym ją od oddzielnej płytki z cyfrowymi obwodami strojenia, znajdującej się na górze obudowy, jest metalizacja lampy kineskopowej. Trzeba być gotowym na nowe pomysły, jeśli projekt wymaga masowej produkcji tanich obwodów drukowanych.
Jeżeli projekt wymaga płytki jednostronnej, trzeba pamiętać o oporze ścieżek! Wzmacniacz operacyjny nie jest elementem trójzaciskowym (o wejściu odwracającym, nieodwracającym i wyjściu). W rzeczywistości jest to element o siedmiu zaciskach, jak widać na rysunku 1.
Rys. 1. Model zaciskowy wzmacniacza operacyjnego
Konieczne jest uwzględnienie oporu przewodów zasilania elementu, a także oporu pomiędzy punktami powrotnymi źródła i obciążenia. Zarówno na wejściu, jak i na wyjściu muszą być zaciski powrotne. Problemy pojawiają się wtedy, gdy te punkty mają różne potencjały.
