Texas Instruments Application Report SLOA069 "Как (не)надо развязывать высокоскоростные операционные усилители" (перевод)

Как надо располагать фильтрующие конденсаторы на печатной плате

После того, как правильный конденсатор был выбран, его следует правильно разместить на плате, в противном случае все усилия по выбору будут напрасны.

Индуктивность проводников

Производители полупроводниковых компонентов частично ответственны за плохо совместимые с высокими частостотами приёмы проектирования. Рассмотрим корпус DIP 14. Вывод питания располагается в противоположном углу корпуса по диагонали от вывода земли. Существует очень мало способов подключения фильтрующего конденсатора.

Рисунок 9. Традиционные способы подключения развязочных конденсаторов

• Конденсатор ставится рядом с выводом питания. В результате удлиняется земляной проводник, а доступ к левой стороне корпуса ограничивается одним слоем платы.
   
• Конденсатор ставится рядом с выводом земли. В результате удлиняется провод питания и ограничивается доступ к правой стороне корпуса.
   
• Соединения, проводимые под микросхемой, открывают доступ к обеим сторонам корпуса, но блокируют область под микросхемой и не влияют на длину соединения.
   
• Конденсатор может быть помещён на обратную сторону платы (не показано). У такого ванианта самые короткие соединения, получаемые за счёт отказа от ортогональной разводки. И, всё равно, общая длина трасс превышает сантиметр.

Вне всяких сомнений, самой неприятной проблемой большой длины соединений является индуктивность проводников. Индуктивность проводника на печатной плате может быть приблизительно расчитана по формуле:

Где:

x = длина проводника в сантиметрах;

w = ширина проводника в сантиметрах;

h = высота проводника в сантиметрах.

Индуктивность проводника почти не зависит от высоты трассы по сравнению с её шириной, но и ширина должна сильно измениться для заметного изменения индуктивности. Основное же воздействие вносит длина. Обычные печатные проводники имеют погонную индуктивность в пределах 6..12nH на сантиметр.

Это очень плохое известие для разработчика высокочастотных устройств. Например, предположим:

• сотовый телефон, в котором требуется фильтровать частоту 1.9 GHz;
   
• погонная индуктивность проводника 6 nH/cm;
   
• длина печатных проводников до конденсатора 1.5 cm;
   
• конденсатор ёмкостью 30pF с эффективной ёмкостью (C_E) 27.77 pF и паразитной индуктивностью (L_S) 0.23 nH.

Первым делом, используем модель для частоты последовательного резонанса и вычислим частоту последовательного резонанса (F_SR) конденсатора, которая оказывается равной 1.92 GHz, что идеально для сотовых телефонов. Но подождите! Последовательно с конденсатором добавляется индуктивность. Если 9 nH добавить к паразитной индуктивности конденсатора (L_S), то частота последовательного резонанса становится равной 314 MHz. Такой вариант разводки печатной платы совершенно неприемлим. Мораль ясна: индуктивности проводников следует избегать любой ценой, так как она изменяет частоту последовательного резонанса конденсатора.

Приведённый пример слегка утрирован. Очень немногие разработчики будут всерьёз рассматривать использование микросхемы в корпусе DIP-14 в сотовом телефоне. Современные микросхемы предназначены для поверхностного монтаже и у многих выводы питания расположены в более удобных местах. У перехода на поверхностный монтаж есть дополнительный плюс - уменьшение геометрических размеров соединений. Но одно только уменьшение размеров проблему не решает. Индуктивность печатных проводников столь велика, что трассы практически любой длины портят тщательный выбор конденсатора. К счастью, большинство печатных плат для высоких частот сейчас делается многослойными с отдельными слоями земли и питания. Переходные отверстия на слои питания следует располагать как можно ближе к контактной площадке конденсатора. Наилучшим вариантом было бы совмещать переходное отверстие с площадкой.

Рисунок 10. Варианты переходных отверстий

Даже пара лишних миллиметров, как показано в плохом (BAD) примере на рисунке 10, добавляет 1.2 nH к паразитной индуктивности (L_S) конденсатора. Печатные проводники, используемые для подключения развязывающего конденсатора, просто не позволяют ему работать! Самое лучшее, что может делать разработчик, это всемерно уменьшать длину соединения, смещая переходное отверстие ближе к компоненту и увеличивая ширину трассы насколько возможно.

Индуктивность переходных отверстий

Вместе с переходным отверстием на плате появляется паразитная индуктивность. Индуктивность (L) переходного отверстия диаметром (d) и высотой (h) может быть посчитана по приблизительной формуле:

Рисунок 11. Переходное отверстие в разрезе

Например:

отверстие диаметром 0.4 mm сквозь плату толщиной 1.5 mm имеет индуктивность 1.1 nH. Это ещё одна отвратительная новость для разработчиков высокочастотных схем.

Есть три способа борьбы с индуктивностью переходных отверстий:

• многие изготовители печатных плат предлагают прожиг переходных отверстий лазером, что позволяет создавать микроотверстия диаметром от 0.15 mm и менее, вплоть до 0.025 mm;
   
• слепые переходные отверстия имеют меньшую высоту и, соответственно, индуктивность;
   
• параллельное расположение нескольких отверстий (индуктивностей) уменьшает результирующую индуктивность.

Если предыдущий пример изменить на:

• два слепых микроотверстия диаметром 0.025 mm высотой h = 0.15 mm (соседние слои десятислойной печатной платы), то индуктивность переходного соединения уменьшится до 0.063 nH.

Высота отверстия основной параметр, влияющий на результат, поэтому слепое отверстие предпочтительнее микроотверстия. Изменим пример:

• одно слепое микроотверстие диаметром 0.15 mm и высотой h = 0.15 mm (соседние слои десятислойной платы) имеет индуктивность 0.072 nH.

Данный факт может существенно уменьшить стоимость печатной платы, потому что диаметр 0.15 mm является нижним пределом общеупотребительной технологии сверления и позволяет отказаться от лазерного прожига и специальных методов металлизации отверстий диаметром 0.025 mm.