PCB Layout, tips o tricks - miniserie för nybörjare o expert

[AndersHa]

Jag har haft en ide som att skriva en miniserie som handlar om att göra bra kretskort.
Med min bakgrund som utvecklare av både kommersiell och militär digital och analog elektronik så har jag en kunskapsbank som jag gärna delar med mig av.

Jag kommer genom mitt nystartade företags hemsida skriva posterna där, Regal technology. Och jag räknar med att få hjälp från detta forum med kvalitetshöjning och tips på nya topics.

Ni hittar ditt på: http://regal.16mb.com

Ta väl hand om er så kanske vi ses. Anders @ Regal technology

[Triggerhappy]

Va kul och spännande.
Jag jobbar hos en PCB leverantör www.ncabgroup.se och blir extra glad att det designas bra kort.
Hoppas lära mig något och kanske t.om kan bidra runt någon topic.

Fotnot, jag hänger inte på Faktiskt.se för att sälja mönsterkort, jag är bara livsnjutare i nerdens anda

[Anders J]

Kul! Jag ska titta.

En aspekt jag funderat över är detta att en del bestämt hävdar att s a s "diskret" uppbyggd elektronik (lödstöd, koppartråd...) i tex högtalarfilter låter bättre. Jag har svårt att tro att elektronerba vet om kopparn är i form av ett brett och tunt folieskikt eller i en mer cirkulär ledare och det vore intressant att ta reda på om det helt enkelt egebtligen är en fråga om arean?

Använder Eagle, kanske mest för att det då var det största och mest spridda som fungerade bra i Linuxmiljö.

[Piotr]

Jag har svårt att tro att elektronerba vet om kopparn är i form av ett brett och tunt folieskikt eller i en mer cirkulär ledare och det vore intressant att ta reda på om det helt enkelt egebtligen är en fråga om arean?

DC-elektronerna vet inte detta (bara tvärsnittsarean är viktig)... men de snabba elektronerna som hänvisas till ett liv i AC är lite kinkigare.. Elektroner för audiosignaler är inte så kinkiga men överhöring mellan spolar och därmed dess placering kan vara viktig.

Hur ledarnas utformning påverkar en given signal beror på frekvens samt käll och lastimpedans. Svårt att ge tumregel där.

Pratar vi om GHz så kan ett koaxialkablage ändra karaktär menligt bara genom att kabeln flyttas/kröks lite.

[AndersHa]

Kul att det finns ett intresse kring mönsterkort, layout Det är ju faktiskt en hel värld med saker man kan diskutera och tänka på. Ska bli riktigt spännande. Jag kommer senare ikväll att skriva lite om ground bounce. Någonstans måste man ju börja... och jag ser fram emot kommentarer och tankar kring detta ämne. Jag vill ju även nå ut till engelskspråkiga, så därför använder jag mitt företags hemsida - hoppas vi ses på www.regal.16mb.com där alla poster kommer att ligga.

[paa]

Om man lägger in en text t.ex i MS Word, och det syns en röd sicksacklinje under ett ord, så kan man högerklicka på det och få ett förslag till alternativ stavning.

Nu menar jag inte att det som skrivs på ett forum måste vara perfekt, men på en hemsida kan det kännas bättre om texten gått igenom en sådan kvalitetskontroll.

[AndersHa]

Tackar för feedbacken! Jag ska köra stavningskontroll

/Anders

[AndersHa]

Hej igen!

Nu är det dags för del 2 i denna mini-serie. Dagens ämne är klock-distribution och signalintegritet.

Bakgrunden är att det ofta finns enkla lösningar, som jag saknar när jag ser många konstruktioner. Lösningar som varken kostar något speciellt eller är avancerade. Trevligt läsning på www.regal.16mb.com. Ser fram emot dina kommentarer!

/Anders

[imac]

Intressant läsning, några frågor då, går det att mäta upp o se om man har ground bounce? Sedan terminering av höga frekvenser/klockor, är mätningarna (simuleringen) gjord vid mottagaren? Om man nu har ett vanligt oscilloskope o ska göra en sådan mätning hur ska man då göra för att mäta rätt?

[AndersHa]

Intressant frågeställning om man kan mäta ground bounce. Om det finns en utgång på kretsen som är aktivt låg så borde man kunna mäta spänningen från en punkt på kretskortets jordplan nära kretsen till den utgången (utgången ska helst inte vara ansluten till något). En utgång som är aktivt låg och inte är ansluten till något annat borde vara så nära man kan komma chipets jord. Sen går det nog åt ett hyfsat bra oscilloskop.
Jo, simuleringen visar hur signalen ser ut för mottagaren. Det kan vara svårt att få en rättvisande bild över hur mottagaren ser signalen beroende på oscilloskop-probens kapacitans. Närmast verkligheten kommer man med en aktiv prob eftersom dessa har lägre kapacitans än vanliga passiva probar. Tyvärr brukar aktiva probar vara dyra.
Notera att min poäng med simuleringen är att visa hur bra signalen kan bli för mottagaren med bara dämpmotstånd (utan terminering). Dämpmotstånd är desssutom bra med tanke på kretskortets EMC-egenskaper.

[PerStromgren]

Trevlig info, Anders!

Jag vill be dig att komplettera din profil med en signatur, där det framgår att du arbetar för Regal, med tanke på att ni finns i audio-branschen.

1. Klicka Kontrollpanel->Profil->Ändra signatur
2. Gör dina ändringar
3. Skicka

[AndersHa]

Tackar för tipset Fixat.

/Anders

[AndersHa]

Nu är del 3 på gång!

Denna del kommer att handla om överhörning kopplat till mönsterkort förstås. Jag har några simuleringar med ganska intressanta resultat att delge - läggs upp nu i helgen.

Jag vill uppmana till att ge feedback! Konstruktiv feedback ökar värdet för alla som läser bloggen - som nu kallas Electronics Design Blog. Vi ses på www.regal.16mb.com.

/Anders

[RMA]

Intressant läsning . Har ni planer på egna produkter eller agerar ni som underleverantör?

[AndersHa]

Vi håller på att utveckla helt egna produkter. Just nu är fokus på ett audio-processorkort med flexibilitet och prestanda utöver det vanliga. Vi kommer både sälja färdiga kretskort som man med standardverktyg kan bygga optimerade audiosystem. Men vi kommer även sälja nyckelfärdiga produkter.

Jag kommer kanske skriva om olika funktionsblock på vårt audio-processorkort. Vi har en del innovativa lösningar som jag tror kan vara av intresse för bloggen.

/Anders

[RMA]

Låter spännande! Följer med intresse.

[Michael]

Bra information!

Jag undrar lite över detta:

Use 100nF in parallel with 330pF chip capacitors for high frequency decoupling. Place the 300pF closest to the IC.

Tycker det är lite oklart och behöver förtydligas. Vad menas med "high frequency"? Avses analog och/eller digitala kretsar?
Parallell koppling av ytmonterade keramiska kondingar (med olika värden) bör man se upp med. Nu var det stor skillnad på de föreslagna, så det funkar nog. Jag har för många år sedan sett i datablad på DSP där de rekommenderade 100nF+10nF - det är inte bra! Troligtvis så är det någon gammal vana plus lite snabbt tilltänk som gav denna rekommendation. Man kan ju tro att de båda olika kondingarna kommer att täcka upp för varandra och ge en summa som är bättre en den enskilda, men ack så fel. Detta kan gälla för andra kondingar, typ hålmonterade och andra typer. De små keramiska kommer istället ge ett sämre resultat (jag ber om ursäkt, jag borde här visa bild och länka).

Det är lätt att tänka att konding med mindre farad är bättre högre upp i frekvens. Nu är det väl som så att de relativt små keramiska har mycket goda högfrekvens egenskaper och det är istället kapseln som avgör högfrekvens egenskaperna (inte faraden). Så om vi tar 100nF i 0603 och 300pF i 1210. Så kommer 300pF inte hjälpa. Om vi tar båda i 0603 så... ja, här kommer frågan - blir det någon förbättring?? Jag är tveksam, berätta! Tar vi mer farad (fortfarande i 0603) kommer detta innebära någon försämring? Jag själv valde 1uF 0603 senast, detta med 8MHz AVR. Har däremot kommit på att dessa sitter parallellt med 22uF (vid regulatorn), undra om 22uF och 1uF kanske är lite för lite skillnad. Skulle 1uF 0603 funka bra även till 500MHz CPU?

//Michael

[AndersHa]

Hej!

Jag skulle inte vilja skilja mellan analoga kretsar och digitala. Jag tycker det mera handlar om kretsen genererar höga frekvenser. Det spelar egentligen ingen roll om de är analoga signaler med hög frekvens eller digitala signaler med korta stig- och falltider. Du har en riktigt bra fråga i vad som är höga frekvenser... Jag tror man får olika svar beroende vem man frågar. Ett sätt att se på det är när man i sin konstruktion behöver börja ta hänsyn till andra fenomen är de RLC-egenskaper man ser i ett schema.

Jag tog och gjorde en simulering med två parallella 0603-kondingar (330pF + 100nF med X7R material) byggda på hyfsat korrekta modeller av dess RLC-egenskaper samt det faktum att det finns ledningsbanor mellan komponenterna (även om man ska sätta dem nära varandra). 100nF har i kopplingen sin lägsta impedans vid ca 30Mhz och 330p vid ca 500MHz. Dom samverkar rätt snyggt från 1 MHz upp till några GHz Jag har inte kollat på större värden och andra typer/kapslingar. Men För en AVR borde 22uF vid regulatorn och 100nF- 1uF vid uC vara tillräckligt bra. Tror inte en AVR behöver 330pF.

Dina funderingar är klart intressanta och relevanta, så jag tror jag kommer lägga upp schema, simuleringarna och lite prat kring detta på bloggen.

/Anders

[AndersHa]

Hej!

Så var del 3 upplagd. Ämnet är jordning med begränsningen kretskort. Det finns väldigt mycket att skriva om detta, och mycket finns att läsa på nätet. Men jag har försökt att ta de bitar jag tror kanske är viktigast och försökt beskriva dem utan att krångla till saken.

Nytt är även att det nu går att prenumerera på posterna i bloggen. Smidigt tycker jag - vad tycker du om den möjligheten?

/Anders

[Anders J]

Michael: Det där med parallellkoppling vs kapsling var intressant läsning, skulle vara väldigt intressant med länk! Jag läste en rapport om just små kondensatorer med hög kapacitans som var tänkvärd. Det finns ju numera höga värden i 0603, men man får tänka sig för eftersom kapacitansen är spänningsberoende. Dvs i någon mån är kondensatorn olinjär. Dessutom har ju olika keramikmaterial skilda egenskaper så det finsn anledning att tänka sig för. Det är lätt att litet slentrianmässigt göra små kort (= korta ledningar, liten kortyta), men ibland är det så att man suboptimerar, man får plats med en grövre ledare mellan paddarna på en 1206 än en 0603 t ex.

AndersHa och alla andra: Lee Ritchey höll en kurs som jag idiotiskt nog missade, dyr som sjutton, men enligt de jag talat med enormt bra. Jag har skaffat hans böcker "Right the First Time", båda delarna. Han slår bla a ganska effektivt hål på myten om att elektroner inte gillar små kurvradier (det är ju ett annat slentrianoptimerande, ibland kan vi inte kan sluta i tid med "45-graderssjukan", känner ni igen er?) och ställer den intressanta motfrågan "How close is close?" på det vanliga påståendet att avkopplingar ska placeras nära kretsen. Men som jag uppfattar det, inga förutfattade meningar utan tekniskt väk underbyggt. Möjligen fokuserat på frekvenser vi sällan håller på med, men läsvärt.

[Stef]

Hej Anders,

Läste igenom inlägget om ground bounce. Kul att någon med audio intresse tar upp detta ämne!

Skulle bara vilja säga att ground bounce har inget med avkoppling att göra och problemet kommer inte att bli mindre genom att välja kondingar med speciella värden eller att placera dem nära ICn. Vill man bli kvitt ground bounce så måste man antingen få ner induktansen i retur pathen eller slöa ner flankerna och därmed minska strömmens förändringshastighet.

Att välja "rätt" avkopplingskondensatorer handlar om att minimera impedansen mellan power och ground och därmed få mindre ripple på spänningsrailen och på signaler som refereras till denna. Håller man impedansen mellan kondingarna och dien låg (flera vias, tight kopplade power plan ...) så är inte plasseringen av dessa kondingar kritisk.

Mvh Stefan

[AndersHa]

Hej Stefan!

Tackar för värdefulla kommentarer - du verkar kunna området Problemet ligger helt rätt i impendansen mellan jordplanet och chipets jord. Jag tar bort två av punkterna i vad som kan göras från bloggen. Nästa topic blir just om avkopplingskondensatorer. Ser fram emot dina kommantarer

/Anders

[Stef]

Bara roligt om kommentarerna kan var till någon nytta.

Lee Ritchey blev nämnd tidigare, han har mycket bra material på dom här områdena. Men föredrar Dr Eric Bogatins bok.
http://www.amazon.com/Signal-Power-Integrity-Simplified-2nd/dp/0132349795/ref=sr_1_1?ie=UTF8&qid=1458589008&sr=8-1&keywords=bogatin

Här är presentation av Mr Bogatin som handlar om ground Bounce:
http://www.google.no/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwjW7c7twdLLAhUCS5oKHeb-AqAQFggbMAA&url=http%3A%2F%2Fbethesignal.com%2Fwp%2Fwp-content%2Fuploads%2F2014%2F01%2FPPT-328_Bouncing_out_Ground_Bounce.pdf&usg=AFQjCNERIFxm1cdyJ5ubOYd8cqFCNeCPdg&bvm=bv.117218890,d.bGs
Kan vara läsvärt.

Med vänlig hälsning Stefan

[AndersHa]

Jag har ett par jobbarkompisar som var och lyssnade på Lee Ritchey för ett par år sedan tror jag det var. Riktigt bra enligt dem. Själv har jag de senaste åren jobbat med annat, men har man jobbat med hårdvara så finns intresset kvar... något som jag nu återupptagit i en helt ny tappning.

Gillar presentationen från Bogatin - bra om man vill fördjupa sig i ämnet ground bounce. Vill nog länka till den från min bloggsida. Tack Stefan för länken!

Mvh Anders

[Anders J]

Jag ska fördjupa mig i Bogatin. Tack!

Kan inte låta bli att lägga upp dessa visdomsord:

“There are two kinds of designers:
those who are trying to design
antennas on purpose and those
that aren’t doing it on purpose”

Det finns också ett flödesschema jag sett någonstans om att designa switchade omvandlare som börjar med frågan om man avser att göra just det och om man svarar ja så råkar man in i en logisk härva som man bara kommer ur om man till slut svarar nej!

Klokt det också!

[AndersHa]

Hej igen!

Denna gång berör jag området avkopplingskondensatorer. Som vanligt finns det mycket skrivet i ämnet, men jag försöker i kort form belysa viktiga aspekter och frågor. Vad händer om jag har en avkoppling med 330pF // 100nF?

Jag gjorde en enkel model av ett par 0603 SMD kondensatorer baserat på tillverkares data och adderade några transmissionsledningar till ett schema. Resultaten kan du se på:
http://www.regal.16mb.com

Nytt från och med detta inlägg är länkar för den som vill läsa mera. Tack för de bidrag jag fått för detta!

/Anders

[Stef]

90 graders böjar på PCB tracks blev nämnt ovan, och att Lee Rtichey slog hål på myten att dessa skulle vara problematiska. "Problemet" med 90 graders böjar är att den karakteristiska impedansen blir något lägre just i böjen eftersom koppararean är lite större där än på ett rakt track. Ändrad impedans gör att signaler kommer att reflekteras. Saken är bara den att impedansändringen är så grymt liten att det spelar i praktiken ingen roll.

Med ett track som är 5mil (125um) så måste man ha en stigtid på en ps (!), innan man behöver börja bekymra sig om 90 graders svängar. Tumregelmässigt förstås.
Bogatin igen:
http://www.edn.com/electronics-blogs/all-aboard-/4438573/When-to-worry-about-trace-corners--Rule-of-Thumb--24

Att det är praktiskt och ser bättre ut att routa med 45 graders svängar är något helt annat

Mvh Stefan

[Michael]

Anders, det skulle varit intressant att se bara 100nF kondingen i simuleringsgrafen. I din kurva så tycker jag mig se det som jag varnade för, att de inte samverkar bra.

//Michael

[AndersHa]

Hej,

Jo, jag håller med - det är intressant att jämföra. Så jag gjorde en simulering med bara 100nF. Uppdaterade med de två graferna bredvid varandra. Man kan se en intressant försämring i området 100-250 MHz, men över ~250 MHz blir resultatet bättre. Är det resonans som skapar försämringen tro?

/Anders

[Stef]

Jepp, det blir resonans. Här är förklaringen:
http://www.electrical-integrity.com/Quietpower_files/Quietpower-2.pdf

Mvh Stefan