こんにちはHabr。 最近、プログラマーの間でデジタルエレクトロニクスの人気が高まっており、特別な知識がなくても電子機器にさまざまなデバイスを組み込むことができる新しいプラットフォームが登場しています。 私自身は、アナログ電子工学に従事し始めました-その後、デジタルとプログラミング。 反対に、多くは最初にプログラミングをしてからハードウェアを試しますが、エレクトロニクスの知識は事実上ゼロであり、人々は昔ながらの電子技術者にとって初歩的なことを知らない/理解しません。 この記事では、回路設計と回路基板レイアウトの両方の観点から、私の意見で最も重要な点に触れようとします。 私のヒントがレーキを渡すのに役立つことを願っています
チップ入力
超小型回路の内部を少し見て、それらの部品がどのように配置されているかを見てみましょう。 最新のデジタル回路の大部分は、CMOS技術を使用して作られています。 基本的な要素は、p型またはn型の誘導チャネルを備えた電界効果トランジスタです。 次のスキームに従ってそれらを組み合わせることにより、インバーターが得られます。入力に高電圧が印加され、チャネルトランジスタの抵抗nが小さく、pチャネルが高い場合、下のトランジスタは出力をグランドに接続しますが、電圧が低い場合、pチャネルトランジスタの抵抗は小さくなります-そして、彼は出力を高電圧に接続します。
ここに、一見したところ、知覚できないものがあります-トランジスタを同時に開くとどうなりますか？
そうです-電源とグランド間の短絡-そして、故障する可能性が高いもの-トランジスタの1つのチャネルまたはそのような電流を提供できない電源回路。 そして、これは結局何が起こるかです。 ここでのポイントは、トランジスタにはゲートに電圧範囲があり、その範囲内でトランジスタの抵抗が小さいか大きいと考えていることです。 トランジスタに応じて、それらは異なります-たとえば、最大0.6Vで、一方のトランジスタが閉じられ、もう一方のトランジスタが開いていることが保証され、1.8Vを超えると反対のことが当てはまると考えます。 デジタルエレクトロニクスでは、これらの電圧間の範囲は禁止されています。これは、1つのトランジスタがすでにわずかに開くことができ、2番目のトランジスタはまだ閉じることができないためです。 そのような条件を提供するのは非常に簡単です-単にマイクロ回路の未使用の入力を空中に吊るしておくだけです-この場合、その上の電圧は何でもかまいません。 だから
ヒント1：チップの未使用の入力を常に回路の任意の論理レベルにプルします。 そうすれば、大きな目や感嘆符が少なくなります。 静電気防止用リストバンドを着用する必要があります。」-スキームを正しく作成する必要があります。 回路の動作中はいつでも、入力の論理レベルが明確に設定されていることを常に確認してください。 そうしないと、デバイスの動作エラーだけでなく、デバイスのエラーも発生します。 また、入力には通常、過電圧から保護し、ゲートに電圧を設定する保護ダイオードが装備されていますが、これらに依存しないでください。 さらに、超小型回路内のランダムにスイッチングする要素はエネルギー消費を増加させますが、これはバッテリー駆動システムで重要になる可能性があります。
チップ出力
入力に加えて、マイクロ回路には出力もあります-出力段に供給する電圧に応じて、一方または他方のトランジスタが開き、電流が流れます-電圧を取得するためにマイクロ回路に流れるか、流れます（測定するため） ）電流は抵抗を通過する必要があります。 この抵抗は、マイクロ回路の出力に流れる電流を決定します。5Mの供給電圧で10MΩの高インピーダンス入力に出力をロードすると、0.5μAの電流がコントローラー出力に流れます。 トランジスタチャネルには、流れる電流に制限があります-原則として、これはデータシートに反映されます。 超小型回路の出力が負荷される抵抗は、許容値を下回ってはなりません。 たとえば、最大出力電流が10mAで、供給電圧が5Vの場合、最小負荷抵抗は0.5kOhmまたは500Ohmになり、少ない場合は燃えます。
ヒント番号2：
通過抵抗を介して出力コネクタを接続してください〜1 kOhm、定義により出力コネクタに何でも接続できるため、通過抵抗は曲がった手（おそらく自分のもの）から回路を保護します。 回路内-出力が常に高インピーダンス入力にロードされることが確実な場合は、それらを使用せずに実行できます。 もちろん、これはすべて、出力信号が電圧の場合、出力に電流が必要な場合に当てはまります。ここでは、出力をオープンコレクタモードに構成するか、追加の外部トランジスタを使用して負荷を制御できます。
インダクタンス
インダクタンスは、電流が流れる場所の特定の慣性です-私はここで配管との類似性が本当に好きです-インダクタンスは、圧力が加えられると徐々に巻き戻され、徐々に水圧に抵抗し、最終的には抵抗しなくなり、除去すると圧力がかかると、タービンは止まるまで水を押し続けます。 一般に、最初の段階では、圧力がタービンを回転させ、エネルギーを蓄えます。 電流の場合-ここの同じ電圧は配管内の同じ圧力です-私たちは電圧をかけることでその場所から電子を移動しようとしていますが、エネルギーの一部が電磁場に保存されるように自然が設計されています-回路の幾何学（質量、タービンジオメトリ）。
学校で教えられたことを常に覚えておいてください-電流がリング状に流れています！ そして、電流が流れるこのリングの面積、および導体の厚さは、回路のインダクタンス、つまり磁場にどれだけのエネルギーが蓄積されるかを決定します。 この磁場は他の導体に影響を与える可能性があります-この現象は変圧器で使用されます。 2つの電流回路には相互誘導があり、一方が他方に影響します。 第二に、高いインダクタンスは回路の速度を制限します。さらに、浮遊容量を持つインダクタンスが共振回路を形成し、回路が予期せず動作する可能性があります...しかし、まず最初に-デジタル技術のインダクタンスに関連するいくつかの効果について説明します
リードインダクタンス、二重周波数応答
電流が流れる導体には、マイクロ回路のレッグを含む独自のインダクタンスがあります。 彼女が何に影響を与えることができるか見てみましょう。 次の回路を考えてみてください-黄色の四角の中にあるのはチップチップだけです。内部電力線は、脚のインダクタンスを介して外部線に接続されています。
出力で高論理レベルが維持されていると仮定します。受信機の入力インピーダンスに小さな電流が流れ、入力容量が充電された場合、出力は低論理レベルに切り替わります。 下のトランジスタが開き、上のトランジスタが閉じ、コンデンサCが充電され、抵抗Rが大きくなり、容量が下のトランジスタとグランド出力インダクタンスを介して放電します-何がありますか？ 出力を1から0に切り替えた後、受信機の入力容量に起因する電流サージが発生し、アース端子のインダクタンスを流れる電流により自己誘導EMFが発生します。したがって、内部アースは外部に対してこのEMFの大きさにより-LdI / dtに等しくジャンプし、導関数の符号は最初に正になります-インダクタンスを通る電流が増加し、次に-負-電流が低下します。 地球の内部バスでインパルスノイズが発生します。その電位は最初に跳ね返り、次に同じ量だけ低下します。
しかし、すべての内部測定回路は基準として接地電位を使用します！ 彼だけがジャンプし、シャッターの他の信号では何も起こりません。 私たちのマイクロ回路は外部ジェネレータからクロックされ、その出力は1ではなく8-32-読み取りと書き込み用に別々の出力を備えたある種のメモリマイクロ回路-書き込みと読み取りを同時に行う-最初に書き込みたい入力にデータを設定すると想像してください、次にクロック信号を発行します-入力データがラッチされ、出力が設定されます。 クロック認識メカニズム-差動-内部では、クロック同期の入力での電圧と内部グランドの差が測定されます。 状態0xffから0x00への出力のクロック切り替えが発生したと仮定します-この場合、インパルスノイズの電圧は1脚の場合よりも8倍大きくなります-内部グラウンドが最初に跳ね返り、入力信号と内部グラウンドの差が重要であるため-内部コンパレータが0に切り替わり、その後アースが下がり、コンパレータが1に戻ります。新しい入力データがまだ設定されておらず、出力がまだ受信されていない間に、最初のクロックの直後に追加のクロックを取得します。 外側では、これは決して現れません-何らかの理由で回路が故障するだけです-オシロスコープではすべてがきれいになりますが、超小型回路のチップに固執することはできません。
製造業者は、端子のインダクタンスを減らし、リードレスハウジングを作成することでこの問題を解決し、スペースも節約します。 しかし、これらはすべて、機械的な信頼性を低下させ、インストールを複雑にします。 さらに、解決策の1つは、測定回路に別々のリードを使用することです。いくつかのグランドおよび電源リードも使用されます-このように、リードのインダクタンスが並列に接続され、総インダクタンスが減少し、さらに、これにより電流が水晶内部に分配され、相互への影響が減少します。
ヒント番号3：
超小型回路に個別の電源リードがある場合-それぞれが接地バスまたは電源への独自の接続ポイントを持っている必要があります-それらを一緒に接続する必要はなく、単一のソケットでバスにすべて接続します-したがって、アイデア全体を殺します！
電流ループの相互誘導
電流がリングを流れると言ったことを覚えていますか？ 高周波デバイスを開発するときは、これを常に覚えておく必要があります。 高周波では、ライン抵抗はインダクタンスと比較して小さな役割を果たし始めます-RF電流は抵抗が最小の経路に沿って流れませんが、インダクタンスが最小の経路に沿って、電流は常にインダクタンスが最小の回路を形成する傾向があります-つまり、逆電流はできるだけトラックの近くに流れますそれに沿って直流電流が流れるため、回路の面積はそれぞれ最小になり、インダクタンスは最小になります。 ラインインダクタンスが小さいほど、その速度は速くなります（タービンが回転しやすくなります）。さらに、異なるラインの逆電流が同じ場所に流れてはなりません。したがって、相互インダクタンスが高くなります。 。 一般に、回路基板の配線時に行う必要があるのは、逆電流を線路の下に流すことだけです。
これを行うべきでない例を次に示します。-アース層で、カット-レシーバーの上部ペアからのリターン電流-トランスミッターはカットの周りで強制的に曲がります-これにより、別の電流ループとの交差が生じ、ループの面積とインダクタンスが増加します
ヒント番号4：
信号電流の戻り経路に注意してください-電流自体がインダクタンスを最小限に抑えようとします-干渉しないでください。 輪郭ができるだけ交差しないことを確認してください-これにより、回路のノイズ耐性が向上します
収容人数
2つの導電性表面がある場所はどこでも-静電容量があります-ワイヤ、プリント回路基板上の導体、またはマイクロ回路の脚であるかどうか-静電容量は良い場合も悪い場合もあります。 たとえば、2倍の周波数で動作する場合、受信される電荷量がそれぞれパルス干渉の振幅を増加させるため、受信機の大きな入力容量は不良です。 インダクタンスの場合、接続が磁場内にある場合、静電容量の場合、電界では、導体の面積と距離、およびそれらの間にあるものが決定的な役割を果たします。 たとえば、バス内の導体間の容量結合は不良です（たとえば、IDEケーブル）-接地導体をトラック間に配置することで最小限に抑えることができ、等価回路は次のようになります：Cは2つの導体間の静電容量です。 -この場合、相互容量の影響は最初に減少します-距離の増加により2倍、2番目に-並列に接続された2つのコンデンサがあります-1つはグランドに、2つ目は他の導体に-1つは1 / iwC、他の2 / iwCのインピーダンスを持ち、交流は2/1の比率でそれらの間で分割されます。つまり、ライン間の接地導体の存在は、相互容量の影響を4倍減らすことができます。
回路に2つのランド（アナログとデジタル、または高電流と低電流）がある場合、ポリゴン間の相互容量が最小になるようにする必要があります-これは、ポリゴンの1つをグリッドにすることで実現できます。 しかし、埋立地の容量を減らすことは必ずしも有益ではないことに注意する価値があります
ブロッキングコンデンサ
一般的に、交流電流は、地表または電力バスに沿って流れることは重要ではありません。それは、それらが等しいからです。 理想的な場合、電源のインピーダンスはゼロである必要がありますが、実際にはそうではなく、入力ワイヤと電源配線がこれに寄与します。 なぜこれが悪いのですか？ 想定-何らかの種類のマイクロチップ出力が状態0から状態1に切り替わった-出力容量を充電する必要がある。 そして、どこで電子を充電しますか？ 右-バッテリーから、つまり、各スイッチングで、電源回路にパルス電流サージがあります-そして、マイクロ回路内の何かの各スイッチングで、電源回路のインダクタンスを流れる電流は何ですか？ 同じタイプの他の回路と干渉します—電源とグランド間の低ACインピーダンスが提供されておらず、電流がバッテリーを通る以外の方法がない場合、回路内のクロストークのレベルが増加します。 この問題は、各超小型回路の横にブロッキングコンデンサを設置することで解決されます。これらは低インピーダンスの基本的に小型のバッテリーです。これらを使用して、超小型回路の交流回路を分離して削減します。 コンデンサで少し停止する価値があります-所定の回路でL2、C2、ESR、ES-等価コンデンサ回路-L2-端子の直列インダクタンス、C2-実際の静電容量、ES-誘電抵抗、ESR-等価直列抵抗-PCBの一部を電子レンジに入れてオンにします数秒間-暖かい？ これは-等価直列抵抗-誘電体は双極子であるという事実です-実際にはバネで接続された2つのボール-これは独自の周波数を持つ振動システムです-外部周波数を近い周波数で変更する場合-抵抗が小さい場合-システムはますます難しくなっています-ESRは周波数に依存し、共振ピークを持っています-このピークの近くでESRは小さいです-このピークの位置は誘電体の材料に依存します-電解コンデンサでは低周波数です eramicheskih - 高い上。 したがって、コンデンサのインピーダンスが低くなるように、端子の最小インダクタンスと最小ESRを確保する必要があります
ヒント番号5：
電力線に沿ったクロストークを減らすには、電力線の配線のインピーダンスを最小限に抑えるようにしてください。可能であれば、電力とグラウンドに埋め立てを使用してください。それらの間の容量結合はインピーダンスを下げるのに役立ちます。
電力線に沿ってまたはグランドに戻るために交流が重要ではないので、必要に応じて戻り電流が層から層に流れることができるようにコンデンサを使用します。 マイクロチップの近くにブロッキングコンデンサを配置して、電力線に沿ったクロストークを最小限に抑えます。 誘電体の種類が異なるコンデンサを使用します。
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