ГОСТ IEC 61188-1-2-2013 Печатные платы и печатные узлы. Проектирование и применение. Часть 1-2. Общие требования. Контролируемое волновое сопротивление

     3 Краткий обзор конструкций

3.1 Выбор компонента

Семейства компонентов создаются на основе разных схемотехнических решений таких как ТТЛ, ТТЛ с диодами Шотки, КМОП-структуры, эмиттерно-связанная логика, технология на основе арсенид галлия, в результате чего они обладают специфичным набором требований к мощности, диапазону рабочих температур, плотности упаковки элементов на кристалле, входным сопротивлением и выходным сопротивлениям, пороговым уровням сигнала, чувствительности к помехам, ко времени срабатывания, и крутизной переднего и спада. Во многих устройствах используют смешанную технологию, когда монтаж на поверхность платы и в отверстия осуществляется с использованием компонентов на основе ТТЛ, КМОП-структуры, эмиттерно-связанной логики. Это может потребовать разной ширины проводников (для обеспечения волнового сопротивления) на одном и том же слое платы или в качестве компромисса одной промежуточной ширины, обеспечивающей допустимое значение для различных семейств логических схем.

Полупроводниковые приборы допускается устанавливать непосредственно на плату или монтировать на промежуточной плате или иной подложке. Крупные изделия могут включать в себя узлы, состоящие из нескольких уровней соединений. Переход от одного уровня межсоединений к последующему будет сопровождаться ухудшением параметров, таких как помехи, временные характеристики, затухание.

При создании электрических соединений применяют широкий набор решений от использования двухрядного расположения штырьковых выводов, устанавливаемых в металлизированные отверстия печатной платы, до группового расположения выводов при поверхностном монтаже. Требования к монтажу компонента зависят от многих факторов, таких как назначение устройства, экономичность, электрические параметры и надежность, а также преобладающий метод монтажа. Компоненты должны быть подготовлены таким образом, чтобы они совмещались с технологиями монтажа, используемыми для изготовления печатного узла.

При проектировании высокочастотных устройств необходимо учитывать особенности монтажа компонентов. В пассивных компонентах главным фактором будет длина выводов, так как они обеспечивают дополнительную индуктивность и емкость, которые влияют на скорость распространения сигнала и нестационарные процессы. Чтобы минимизировать эти явления, выводы должны быть настолько короткие, насколько возможно или удалены вообще. Компоненты поверхностного монтажа имеют безвыводные корпуса, которые могут быть непосредственно установлены на подложку межсоединения.

При проектировании быстродействующих устройств конструкцию корпуса необходимо учитывать. У пассивных элементов доминирующим фактором является длина выводов, так как они вносят дополнительную индуктивность и емкость, которые влияют на скорость распространения и время переключения сигналов. Чтобы минимизировать эти эффекты, необходимо снизить длину выводов или вообще исключить их. Поверхностный монтаж позволяет использовать безвыводные корпуса, которые можно монтировать непосредственно на печатную плату.

Примечание - Технические требования компонента часто не содержат данных по высокочастотным шумам и скорости распространения.

Активные компоненты, такие как интегральные схемы, часто выпускаются в разных корпусах. В общем случае DIP-корпуса или пластмассовые, или керамические являются преобладающими. Они, как правило, наиболее габаритны и из-за конфигурации выводов не приспособлены для высокочастотных разработок. Лучший тип корпуса - корпус для поверхностного монтажа. Их выпускают во многих вариантах корпусов, таких как SOIC, PLCC, PFQP, TSOP, BGA. У этих корпусов, как правило, емкость и индуктивность ниже.

Для обеспечения наибольшего быстродействия бескорпусной полупроводниковый прибор может быть непосредственно установлен на подложке по схеме "чип на плате" или в перевернутом виде по схеме "флип-чип", или методом автоматизированной установки с ленты-носителя. Указанные методы рассматриваются как оптимальная технология, так как она минимизирует емкость и индуктивность вывода.

3.2 Межплатные соединения

3.2.1 Соединители

Межуровневые соединения часто создают проблемы в высокочастотных устройствах, так как не обеспечивается непрерывность среды распространения сигнала. Большинство межплатных соединителей (разъемов) были разработаны без учета высокого быстродействия, что приводит к искажению сигналов. Соединители плат часто рассогласованы с волновым сопротивлением линий на плате.

Существуют два основных подхода по уменьшению неоднородности, вызванной системами соединителей:

a) первый подход заключается в подключении соединителя таким образом, чтобы обеспечить рациональный путь прохождения сигнала. Для однополярных сигналов должна обеспечиваться электромагнитная связь между сигнальным проводником и ближайшей плоскостью опорной цепи (питания или земли). Качество не однополярного сигнала зависит от геометрии и расстояния проводника от опорной цепи, что тем самым определяет волновое сопротивление. Относительное расположение сигнальных и потенциальных контактов влияет на параметры сети. Чтобы оптимизировать эти характеристики, дополнительно к контактам соединителя подводят опорную цепь, тем самым снижая проблемы от перекрестных помех. Как правило, соотношение числа сигнальных выводов к числу выводов опорной цепи 3:1 (т.е. на три сигнальных - один вывод опорной цепи), является достаточным;

b) второй подход заключается в модификации соединителя так, чтобы минимизировать неоднородность. Это достигается сокращением длины штырьковых выводов, добавлением опорного слоя земли внутри соединителя или уменьшением расстояния между платами.

Коаксиальные соединители часто устанавливаются на платы, когда относительно немного линий связи соединены с печатной платой или там, где важны и гальваническая развязка, и стабильность сигнала.

3.2.2 Кабели

Коаксиальные соединители и кабели часто используются, потому что они могут обеспечивать высокую скорость и передачу высокочастотных сигналов на печатную плату с небольшим затуханием сигнала. Имеются четыре области применения, в которых использование кабелей обеспечивает положительный эффект:

- скорость распространения сигнала;

- перекрестные помехи;

- наведенные помехи;

- согласование волновых сопротивлений.

Для устройств, работающих на частоте до 18 ГГц, для объемного монтажа используют коаксиальные кабели. Оптический кабель также используют с платами объемного монтажа для высокочастотных сигналов.

3.3 Печатная плата и печатные узлы

Размещение компонентов - чрезвычайно важный фактор в разработке быстродействующих систем. Последствия неправильной компоновки могут быть существенными и создавать проблемы в следующих областях:

- обеспечение помехоустойчивости;

- обеспечение необходимого уровня волнового сопротивления;

- распределение питания.