Рекомендации по разводке печатных плат электронных устройств

Основные правила проектирования печатных плат усилителей мощности, блоков
питания, аналого-цифровых устройств.
Как правильно развести шины земли, питания и сигнальных цепей?

Может у ковонить есть печатка на этот усилитель? – раздаются тут и там голоса начинающих (да и не очень) радиолюбителей, страждущих потрудиться на ниве народного рукоделия.
На самом деле, многие из устройств, представленных на просторах интернета, сопровождаются макетами печатных плат. Порой эти платы грешат банальным несоответствием принципиальной схеме, но гораздо чаще – не учитывают простых и известных большинству профессиональных разработчиков правил, позволяющих минимизировать влияние разводки на корректную работу схемы. Особенно это влияние может сказываться при проектировании довольно мощных низкочастотных и практически любых высокочастотных устройств.
Итак – что нужно знать для того, чтобы корректно развести схему?

Начнём с вопросов проектирования и монтажа блоков питания. Тема эта была довольно подробно освещена Джеком Розманом в журнале "Everyday Practical Electronics" (с подробным трёхстраничным переводом этой статьи можно познакомиться на сайте radiopages.ru).

При проектировании печатных плат блоков питания (и не только) не стоит забывать, что медь не является сверхпроводником. Особенно это важно для «земляных» (общих) проводников. Если они тонкие и образуют длинные цепи, то на них из-за протекающего тока и ненулевого сопротивления образуется падение напряжения, в результате чего потенциал в разных точках оказывается разным.

Печатные платы блоков питания

Для минимизации разности потенциалов принято общий провод (землю) разводить в виде звезды. В этом случае к каждому потребителю идёт свой проводник.
На фотографии показан пример такой правильной разводки общего провода.
Для снижения сопротивления дорожек печатных проводников можно использовать разные приёмы. Например, покрыть дорожку толстым слоем олова или припаять вдоль дорожки лужёную толстую проволоку.

Для минимизации фона сети нужно принять меры от проникновения импульсов заряда фильтрующих конденсаторов блока питания в усилитель. Для этого дорожки от выпрямителя должны идти только непосредственно на конденсаторы фильтра. Так как по ним циркулируют мощные импульсы зарядного тока, ничего другого к ним подключать нельзя. Провода питания усилителя должны подключаться к выводам конденсаторов фильтра.
Правильное подключение (монтаж) блока питания для усилителя с однополярным питанием показан на рисунке ниже:
Правильное подключение (монтаж) блока питания усилителя
Рис.1 Правильное подключение (монтаж) однополярного блока питания усилителя

Монтажная схема двухполярного блока питания усилителя мощности, по сути, представляет собой два «отзеркаленных» однополярных блока (Рис.2).
Правильное подключение (монтаж) блока питания усилителя
Рис.2 Подключение (монтаж) двухполярного блока питания усилителя

Казалось бы, что может быть проще – взял блок питания, подключил его двумя или тремя проводами к усилителю и всё... должно запеть? Оказывается не всегда.
Часто радиолюбители стараются придать своему усилителю мощность, в разы превышающую необходимую для озвучивания помещения, мотивируя это тем, что так получается более высокий динамический диапазон. При этом усилители большой мощности порой решают одни проблемы, но создают другие.
Индуктивность проводников питания является основным «слабым звеном» усилителей мощности класса АВ. В таких усилителях выходные транзисторы, отвечающие за разнополярные полуволны, включаются и выключаются поочерёдно. Соответственно по плюсовой и минусовой шинам питания протекают противофазные полуволны зарядных токов. Если эти импульсы через ёмкостные и индуктивные связи попадут в звуковой тракт, это существенно скажется на качестве звучания.
Бифилярная скрутка проводов питания УМЗЧ
Рис.3 Бифилярная скрутка проводов питания УМЗЧ


Бифилярная скрутка разнополярных проводов питания эффективно подавляет излучаемые помехи за счёт взаимной компенсации положи- тельной и отрицательной полуволн.

На печатной плате этот метод можно реализовать, если шины питания расположить друг над другом с разных сторон двухсторонней платы.

Сплошное заземление одной из сторон печатной платы хорошо работает только в слаботочных конструкциях. Для УМЗЧ это не очень подходит, потому как трудно пред- сказать протекание токов в разных точках заземления.

Подключение фильтрующих конденсаторов на плате УМЗЧ
Рис.4 Подключение фильтрующих конденсаторов



При использовании дополнительных фильтрующих конденсаторов, рас- положенных на плате, надо следить, чтобы обе полуволны сигнала суммировались в одной точке земли, как это показано на Рис.4.

В эту же точку следует подключать цепь Цобеля на выходе усилителя, предотвращающую его возбуждение на высоких частотах.
Импульсы тока в этой цепи могут вызвать проблемы, поэтому должны замыкаться на «грязную» землю, то есть на общий вывод конденсаторов фильтра.

Сюда же следует подключать минусовую клемму громкоговорителя, потому как акустическая система является реактивной нагрузкой. А значит, она может возвращать ток усилителю, что приводит к появлению положительной обратной связи и как следствие – нестабильности усилителя.

Земляная шина каскадов предварительного усиления (с малыми токами потребления) также должна соединяться отдельным проводом или дорожкой с точкой «грязной» земли, указанной на Рис.4.

Обычно основная «звезда» в усилителе с однополярным питанием бывает трёхлучевой: сигнальная земля, земля конденсаторов фильтра питания и «грязная» земля. Пример такой топологии представлен на Рис.5:

Пример правильной топологии усилителя мощности
Рис.5 Пример правильной топологии усилителя мощности

Здесь под "Generic amplifier" следует понимать: как УМЗЧ в интегральном исполнении, так и усилители на дискретных элементах.
Как можно увидеть, к одному лучу подключена сигнальная земля – здесь токи очень малы, поэтому подсоединять все элементы отдельными проводниками нет необходимости. Ко второму лучу отдельными проводниками подключены выводы сильноточных цепей: выходного каскада, цепи Цобеля, нулевой вывод акустической системы и минус байпасных конденсаторов. К третьему лучу подключён общий вывод фильтрующего конденсатора блока питания.

Как-то так сложилось, что заземлением в усилителях часто называют общий провод. Хотя, по определению, заземляющий контакт должен находиться в первую очередь в ваших розетках. К этому контакту подключается корпус усилителя. Вот это и есть настоящее заземление, основное назначение которого защита от поражения электрическим током. Заземление должно быть подключено к общему проводу усилителя через развязывающий резистор (обычно 1кОм 0,5Вт) зашунтированный блокировочным конденсатором на 10нФ (Рис.5).
Обычно рекомендуют подключать общий провод к заземлению у входных разъёмов, именно здесь важно точно выдержать нулевой потенциал. Однако, на практике, если вы подключите заземление к «грязной земле» (корректнее назвать общим проводом) или «сигнальной земле» на печатной плате, это не сильно увеличит фон. В усилителях с балансным входом точка подключения заземления вообще не играет никакой роли.

А теперь давайте посмотрим на рекомендации компании LYNX AUDIO по монтажному соединению блоков усилителя, которые не сильно вступают в противоречия с тем, что было написано выше:

Пример правильной топологии усилителя мощности
Рис.6 Пример топологии усилителя мощности от LYNX AUDIO

Здесь (Рис.6) левые клеммы на плате усилителя идут ко входному и драйверному каскадам, а правые – к выходному каскаду.

Стереофонический усилитель это по сути два монофонических усилителя.
Использование двух трансформаторов или трансформатора с раздельными обмотками и двумя отдельными выпрямителями не создаёт никаких проблем, обеспечивая полную изоляцию земляных проводников и тем самым предотвращая образование земляной петли.
Земляная петля в стерео УМЗЧ
Рис.7 Земляная петля в стерео УМЗЧ


Если у обоих каналов один (общий) источник питания, то ток, идущий по общему проводу, замыкается через источник сигнала, так как обычно выходные разъёмы источника имеют один общий вывод. В контур попадают и межблочные кабели, которые часто бывают не такие уж и короткие!

Подобная "антенна" наводит на входе усилителя фон ощутимой амплитуды, который вполне можно услышать, стоя вплотную к акустической системе!


Способ устранения земляной петли

Способ устранения земляной петли
Рис.8 Два способа устранения земляной петли


Проблема заземления в профес- сиональных усилителях устраняется с помощью использования балансных входов, которым не требуется земля для прохождения сигнала.

Для усилителей с несимметричным входом стандартным приёмом является использование развязывающих резис- торов сопротивлением от 2,2 до 22 Ом между сигнальной землёй и основной точкой заземления на источнике питания (Рис.8 сверху).
Такое решение было использовано в новаторском усилителе мощности Quad 303 в 1969 году. Общий вывод входов соединяется с общим контактом блока питания посредством отдельного толстого проводника.

Другой метод заключается в исполь- зовании для малоточных цепей правого и левого канала одного общего проводника сигнальной земли с зер- кальным расположением элементов, как это показано на Рис.8 снизу.

Напомним, что использование силового трансформатора с раздельными на каждый канал обмотками и отдельными выпрямителями, обеспечивает полную изоляцию земляных проводников, поэтому никаких специальных мер по предотвращению образования земля- ной петли не нужно.
Помимо этого, трансформатор с отдельными вторичными обмотками почти полностью решает проблему появления перекрёстных искажений между каналами, то есть проблему, когда сигнал проникает из одного канала в другой. Поэтому, если ваш принцип – "мы за ценой не постоим", тогда идеальным решением будут два моноблока или отдельные блоки питания для каждого канала.


Принципы разводки плат аналого-цифровых устройств мало чем отличаются от рекомендаций, описанных выше. При этом надо зорко следить, чтобы на плате аналоговая область была отделена от цифровой, не допуская перекрытий аналоговых и цифровых полигонов. В противном случае распределённая ёмкость между перекрывающимися участками будет создавать связь по переменному току, и наводки от работы цифровых компонентов попадут в аналоговую схему.
Шины земли аналоговой и цифровой частей должны быть разведены "звездой".
Примеры правильной и неправильной разводки аналого-цифровых устройств
Рис.9 Примеры правильной и неправильной разводки аналого-цифровых устройств

Питание аналоговой и цифровой частей желательно производить от разных источников (Рис.9). Если питание производится от одного ИП, то его надо либо разводить раздельными полигонами, либо между цифровой и аналоговой частями включать сопротивление небольшого номинала (10...100 Ом), как это можно увидеть на топологии усилителя (Рис.5).
Дополнительно выводы питания должны быть зашунтированы на землю чип-конденсаторами с малой индуктивностью либо керамическими, располагая их как можно ближе к выводам питания аналоговых и цифровых участков устройства.




 

Главная страница | Наши разработки | Полезные схемы | Это нужно знать | Вопросы-ответы | Весёлый перекур
© 2017 Vpayaem.ru   All Rights Reserved