Jedno ze znanych przysłów „mówi”, że najciemniej jest pod latarnią. I chociaż ogólnie biorąc można mieć zastrzeżenia do sprawdzalności takich porzekadeł, to w przypadku płytek drukowanych wydaje się, że jest ono celne. Mało kto od razu spostrzega, że płytka drukowana (w skrócie PCB, od angielskiego Printed Circuit Board ) jest elementem układu…

Jedno ze znanych przysłów „mówi”, że najciemniej jest pod latarnią. I chociaż ogólnie biorąc można mieć zastrzeżenia do sprawdzalności takich porzekadeł, to w przypadku płytek drukowanych wydaje się, że jest ono celne. Mało kto od razu spostrzega, że płytka drukowana (w skrócie PCB od angielskiego Printed Circuit Board ) jest elementem układu…

Dopiero doświadczenie sprawia, że konstruktorzy zaczynają traktować PCB jako jeden z najważniejszych, jeśli nie najważniejszy podzespół pasywny projektowanego układu. Tylko w nielicznych, prostych przypadkach PCB jest swoistą substancją wiążącą zastosowane podzespoły w całość (farmaceuci użyliby nazwy massa tabulettae ). Jednak w układach szybkich, precyzyjnych, o dużej złożoności PCB pełni funkcję nie tylko wiążącą podzespoły, ale sama stanowi zespół rozmaitych elementów: rezystorów, kondensatorów, indukcyjności, sprzężeń, linii długich, ekranów, izolatorów, anten, filtrów…
Umiejętność właściwego zastosowania lub uwzględnienia istnienia tych elementów jest dużą sztuką i wiele mówi o talencie konstruktora.
A oto co na temat PCB jako elementu pasywnego zwłaszcza w układach analogowych mówi Bruce Carter w rozdziale 23 książki Wzmacniacze operacyjne. Teoria i projektowanie .

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

Dyskusja w poprzednich rozdziałach dotyczyła projektowania układów ze wzmacniaczami operacyjnymi, wykorzystania układów scalonych oraz związanych z nimi elementów pasywnych. Aby jednak projekt został uwieńczony sukcesem, trzeba wziąć pod uwagę jeszcze jeden element układu – płytkę drukowaną (PCB – Printed Circuit Board ), na której jest on umieszczony.

Płytka drukowana jest komponentem projektu układu

Wzmacniacz operacyjny jest układem analogowym, zupełnie odmiennym od układów cyfrowych. Układ ten trzeba umieścić w oddzielnej sekcji płytki drukowanej, zachowując specjalne zasady projektowania jej topologii.
Zjawiska zachodzące w płytce drukowanej są najbardziej widoczne w szybkich układach analogowych, ale najpospolitsze błędy opisane w tym rozdziale mogą mieć wpływ na działanie nawet układów audio. Celem tego rozdziału jest omówienie błędów najczęściej popełnianych przez projektantów, wpływu tych błędów na właściwości układu oraz prostych sposobów ich uniknięcia.
We wszystkich przypadkach, z bardzo rzadkimi wyjątkami, topologia płytki z układem analogowym musi być projektowana tak, żeby wpływ płytki był niewidoczny dla układu. Wszystkie efekty wywołane przez samą płytkę drukowaną powinny zostać zminimalizowane, tak aby działanie układu analogowego wytwarzanego masowo było identyczne z projektem i działaniem prototypu.

Ważna rola prototypu

Normalny cykl projektowy, szczególnie dużych płytek układów cyfrowych, wymaga jak najwcześniejszego zaprojektowania płytki drukowanej. Podczas gdy układ cyfrowy zwykle zostaje poddany symulacji, płytka drukowana, w większości przypadków, pozostaje na etapie prototypu i w takim stanie może być przekazana odbiorcy. Projektanci mogą usuwać drobne błędy metodą przecinania ścieżek i łączenia ich zworkami, przeprogramowując układy lub pamięci programowane, a także przechodząc do następnego projektu. Nie można tych sposobów zastosować w układach analogowych. Pewnych rodzajów błędów opisywanych w tym rozdziale nie da się poprawić metodą przecinania i zwierania ścieżek, co powoduje, że wówczas cała płytka nie nadaje się do użytku. Bardzo ważne jest, aby projektant przyzwyczajony do układów cyfrowych, a więc używający noża i zworek, przeczytał ze zrozumieniem niniejszy rozdział zanim odda projekt płytki do realizacji.
Niewielki zabieg, dokonany na wstępie, może zapobiec wyrzuceniu na złom całej płytki drukowanej wartej tysiące dolarów, w której wystąpił błąd w części analogowej zajmującej niewielki fragment płytki. Autor był niefortunnym odbiorcą prostego układu analogowego zaprojektowanego przez innego inżyniera, przyzwyczajonego do korekcji błędów metodą noża i zworek. Projekt okazał się pełen błędów, wzmacniacz operacyjny miał zamienione wejście odwracające z nieodwracającym, a ponadto trzeba było dodać obwód RC w celu stabilizacji pracy układu. Skutkiem tych pomyłek i spowodowanej przez nie konieczności powtórzenia projektu płytki były straty setek godzin w napiętym planie produkcji. Tymczasem skonstruowanie prototypu tego obwodu nie zajęłoby nawet całego dnia pracy. Stosuj prototypy dla każdego układu analogowego!

Źródła zakłóceń

Szumy i zakłócenia stanowią podstawowe ograniczenie właściwości układów analogowych. W rozdziale 12 książki omówiono szumy wewnętrzne wzmacniacza operacyjnego. Innymi rodzajami zakłóceń są:

• Wysyłane przez przewodzenie, są to zakłócenia powstające w układzie analogowym wskutek jego połączenia z innymi obwodami. Są one zwykle pomijalne w układach analogowych, z wyjątkiem układów dużej mocy, takich jak wzmacniacze akustyczne, pobierających znaczny prąd z obwodów zasilania.
• Wysyłane przez promieniowanie, są to zakłócenia generowane lub przenoszone drogą radiową. Są one zwykle pomijalne w układach analogowych, z wyjątkiem układów wielkiej częstotliwości, takich jak układy wizyjne.
• Odbierane przez przewodzenie, są to zakłócenia pochodzące ze źródeł zewnętrznych wprowadzane do układu analogowego wskutek jego połączenia z innymi obwodami. Układ analogowy musi być połączony ze „światem zewnętrznym” przez wspólną masę, przewód zasilania, wejście lub wyjście. Zakłócenia mogą być wprowadzane do układu wszystkimi wymienionymi drogami, a także dowolnymi innymi połączeniami istniejącymi w układzie.
• Odbierane przez promieniowanie, czyli zakłócenia odbierane drogą radiową ze źródeł zewnętrznych. Układy analogowe znajdują się w wielu przypadkach na płytce drukowanej, na której znajdują się także szybkie układy cyfrowe, włączając w to układy DSP. Impulsy zegarowe o dużej częstotliwości oraz szybkozmienne sygnały cyfrowe powodują powstanie znacznych zakłóceń radioelektrycznych (RFI radio frequency interference ). Inne źródła zakłóceń stanowią: impulsowe źródła zasilania układów cyfrowych, telefony komórkowe, radiofonia i telewizja, oświetlenie ?uorescencyjne, komputery PC znajdujące się w pobliżu, wyładowania atmosferyczne i wiele innych. Nawet w układach analogowych przeznaczonych do pracy w zakresie małych częstotliwości, zakłócenia RFI mogą spowodować powstanie zauważalnych szumów na wyjściu układu.

Konstrukcja mechaniczna płytki drukowanej

Ważne jest, żeby parametry mechaniczne płytki drukowanej były dobrane odpowiednio do zastosowania.