W artykule przedstawiono wybrane fragmenty książki Bruce’a Cartera pt. „Wzmacniacze operacyjne. Teoria i projektowanie.”, wydanej przez Wydawnictwo BTC.

Płytka dwustronna

Następny stopień komplikacji pojawia się przy obwodach drukowanych dwustronnych. Pomimo że spotykane są płytki dwustronne z materiału FR2, częściej stosuje się materiał FR4. Dzięki większej stabilności wymiarów płytek z materiału FR4 lepsza jest jakość przepustów. Łatwiejsze jest także projektowanie ścieżek na płytkach dwustronnych dzięki możliwości krzyżowania się ścieżek prowadzonych w różnych warstwach. Krzyżowanie się ścieżek nie jest jednak zalecane w układach analogowych. Wszędzie tam, gdzie to jest możliwe, dolna warstwa powinna być wykorzystana jako płaszczyzna masy, natomiast przewody sygnałowe powinny być prowadzone w górnej warstwie miedzi. Płaszczyzna masy ma kilka zalet:

• Masa często wymaga największej liczby połączeń w obwodzie. Zwykle najsensowniejsza jest realizacja tych połączeń w postaci ciągłej powierzchni na jednej warstwie laminatu.
• Zwiększa wytrzymałość mechaniczną płytki.
• Powoduje zmniejszenie impedancji wszystkich połączeń masy w układzie, dzięki czemu maleje poziom szumów wprowadzanych drogą przewodzenia.
• Dodaje pojemność rozproszoną do każdego obwodu, co pomaga w tłumieniu szumów wprowadzanych przez promieniowanie elektromagnetyczne.
• Działa jako ekran dla szumów promieniowania przychodzących od spodu płytki.

Płytka wielowarstwowa

Płytki dwustronne, mimo ich zalet, nie stanowią najlepszej metody konstrukcji, zwłaszcza w układach o dużej czułości lub o dużej szybkości działania. Najczęściej spotykana grubość płytki wynosi 1,5 mm. Ta odległość między warstwami jest za duża dla pełnej realizacji niektórych zalet przedstawionych wcześniej. Na przykład pojemności rozproszone są bardzo małe.
Najbardziej krytyczne projekty wymagają zastosowania wielowarstwowych obwodów drukowanych. Niektóre powody są oczywiste:

• Lepsze możliwości prowadzenia ścieżek zarówno masy, jak i zasilania. Jeżeli zasilanie jest rozprowadzone także w postaci jednej płaszczyzny, to jest ono dostępne w każdym punkcie płytki przez proste dodanie przepustu.
• Pozostałe warstwy są dostępne dla połączeń sygnałowych, co upraszcza projektowanie.
• Pomiędzy płaszczyznami masy i zasilania występuje pojemność rozłożona, redukująca zakłócenia wielkiej częstotliwości.

Inne powody przemawiające za stosowaniem płytek wielowarstwowych nie są jednak tak oczywiste bądź intuicyjne:

• Lepsze tłumienie zakłóceń EMI/RFI dzięki zjawisku płaszczyzny odbicia, znanemu od czasów Marconiego. Jeżeli przewodnik jest poprowadzony równolegle do przewodzącej płaszczyzny, to większa część prądu wielkiej częstotliwości płynie bezpośrednio pod tym przewodem, w przeciwnym kierunku. W połączeniu z tym odbiciem lustrzanym przewodnika na płaszczyźnie powstaje linia transmisyjna. Ponieważ prądy w obu przewodach linii są sobie równe i przeciwne co do kierunku, linia taka jest relatywnie niewrażliwa na zakłócenia pochodzące od promieniowania. Jednocześnie tworzy ona bardzo skuteczne połączenie dla sygnału. Zjawisko to występuje tak samo skutecznie dla płaszczyzn masy i zasilania, pod warunkiem ciągłości połączenia. Każda przerwa lub nieciągłość powoduje szybkie zanikanie tego pozytywnego zjawiska. Szersza dyskusja na ten temat będzie zamieszczona dalej.
• Mniejszy całkowity koszt dla małych serii produkcyjnych. Chociaż płytki wielowarstwowe są droższe w produkcji, wymagania na EMI/RFI pochodzące od FCC lub innych agencji mogą wymagać wykonania kosztownych testów projektowanego układu. Każdy brak zgodności z wymaganiami może prowadzić do konieczności całkowitego przeprojektowania płytki, a następnie powtórzenia testów. Obwód drukowany wielowarstwowy może zapewnić poprawę poziomu zakłóceń EMI/RFI nawet o 20 dB w porównaniu z płytką dwuwarstwową. Jeżeli przewidywana jest niewielka produkcja, to staje się opłacalne zaprojektowanie od razu lepszej płytki, dzięki czemu unikamy ryzyka niespełnienia wymagań testów kosztujących od $25 000 do $50 000 za test.

Zestawianie obwodu: Kolejność warstw

W przeszłości było wiele nieporozumień dotyczących optymalnej kolejności warstw obwodu drukowanego. Jako przykład weźmy czterowarstwową płytkę składającą się z dwóch warstw sygnałowych, płaszczyzny zasilania i płaszczyzny masy. Co będzie lepszym rozwiązaniem: umieszczenie warstw sygnałowych pomiędzy płaszczyznami zasilania i masy, czy też umieszczenie tych płaszczyzn jako warstwy wewnętrzne?
Rozważając to zagadnienie trzeba pamiętać, że niezależnie od decyzji, sygnały będą docierały do jednej lub obu warstw zewnętrznych. Wyprowadzenia wzmacniaczy operacyjnych umieszczonych na płytce wraz z przewodami prowadzącymi do sąsiednich elementów pasywnych, a także przepusty między warstwami, będą na zewnątrz obwodu drukowanego. Wobec tego wszystkie efekty ekranowania nie będą ich dotyczyć. Zatem znacznie lepiej jest wykorzystać zalety pojemności rozłożonej między płaszczyznami masy i zasilania, umieszczając te warstwy wewnątrz obwodu drukowanego.
Dalszą zaletą umieszczenia płaszczyzn masy i zasilania wewnątrz płytki jest dostępność ścieżek sygnałowych dla operacji testowania i ich mody?kacji. Każdy, kto był zmuszony do zmiany połączeń prowadzonych w wewnętrznych warstwach obwodu jest w stanie docenić tę zaletę.
W przypadku liczby warstw większej niż cztery generalną zasadą jest ekranowanie sygnałów szybkozmiennych przez umieszczenie ich pomiędzy płaszczyznami masy i zasilania, a pozostawienie wolniejszych sygnałów na warstwach zewnętrznych obwodu drukowanego.

Uziemienie

Sposób rozprowadzenia uziemienia powinien być uwzględniony na poziomie projektu całego urządzenia. Planowanie to powinno się zacząć od pierwszych zarysów koncepcji projektu.

Najważniejsza zasada: Rozdzielaj masy

Osobne masy dla części analogowej i cyfrowej układu to jedna z najprostszych i najbardziej skutecznych metod tłumienia zakłóceń. Jedna lub więcej warstw wielowarstwowej płytki drukowanej jest zwykle przeznaczona na płaszczyznę masy. Nierozważny projektant dołączyłby układ analogowy bezpośrednio do takiej płaszczyzny masy. Przecież punkty masy analogowej są tak samo oznaczone na liście połączeń jak punkty dołączone do masy cyfrowej. Dla programu autorutera wszystkie te punkty są więc połączone z tą samą masą, co prowadzi do nieszczęścia.
Oddzielenie mas na płytce drukowanej zaprojektowanej w ten sposób jest praktycznie niemożliwe. Wymagałoby to odłączenia każdego wyprowadzenia dołączonego do masy i ponowne połączenie do masy analogowej. W przypadku płytek o montażu powierzchniowym wprowadza to całkowite zamieszanie w postaci „wiszących” elementów i wyprowadzeń układów scalonych.