7. На печатной плате должен быть предусмотрен ориентирующий паз (или срезанный левый угол) или технологические базовые отверстия, необходимые для правильной ориентации платы.
8. Печатные проводники следует выполнять минимально короткими.
9. Прокладка рядом проводников входных и выходных цепей нежелательно во избежание паразитных наводок.
10. Проводники наиболее высокочастотных цепей прокладываются в первую очередь и имеют благодаря этому наиболее возможно короткую длину.
11. Заземляющие проводники следует изготовлять максимально широкими.
Конструктивные особенности ПП. Ширину печатных проводников рассчитывают и выбирают в зависимости от допустимой токовой нагрузки, свойств токопроводящего материала, температуры окружающей среды при эксплуатации. Края проводников должны быть ровными, проводники без вздутий, отслоений, разрывов, протравов, пор, крупнозернистости и трещин, так как эти дефекты влияют на сопротивление проводников, плотность тока, волновое сопротивление и скорость распространения сигналов.
Расстояние между элементами проводящего рисунка, расположенными на наружных или в соседних слоях ПП, зависит от допустимого рабочего напряжения, свойств диэлектрика, условий эксплуатации и связано с помехоустойчивостью, искажением сигналов и короткими замыканиями.
Координатная сетка чертежа ПП необходима для координации элементов печатного рисунка. В узлах пересечений сетки располагаются монтажные и переходные отверстия. Основным шагом координатной сетки принят размер 0,5 мм в обоих направлениях. Если этот шаг не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, можно применять шаг, равный 0,05 мм.
При использовании микросхем и элементов с шагом выводов 0,625 мм допускается применение шага координатной сетки 0,625 мм. При использовании микросхем зарубежного производства с расстояниями между выводами по дюймовой системе допускается использование шага координатной сетки, кратного 2,54 мм.
Диаметры монтажных и переходных отверстий (металлизированных и неметаллизированных) должны выбираться из ряда 0,4; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3; 1,4; 1,5; 1,6; 1,7; 1,8; 2,0; 2,1; 2,2; 2,3; 2,4;2,5; 2,6; 2,7; 2,8; 3,0. Монтажные отверстия предназначены для установки микросхем и ЭРЭ, а переходные отверстия для электрической связи между слоями или сторонами ПП.
Размеры ПП, если они специально не оговорены в ТЗ, определяются с учетом количества устанавливаемых элементов, их установочных площадей, шага установки, зон установки разъема и пр. Соотношение линейных размеров сторон ПП должно составлять не более 3:1.
Размеры печатных плат. В общем случае типоразмеры ПП выбираются исходя из требований двух направлений - функционального и технологического.
Требования функционального направления в конструктивном плане выражаются плотностью компоновки, зависящей от размеров и количества корпусов микросхем и вида монтажа активных и пассивных связей электрической схемы. Требования технологического направления определяют ограничения типоразмеров с точки зрения технологических возможностей и эффективности производства заготовок, разрешающей способности фотолитографии, механической прочности, возможностей систем автоматизированного проектирования.
Расчет электрических параметров ПП. Печатные проводники проходят на достаточно близком расстоянии друг от друга и имеют относительно малые линейные размеры сечения.
С увеличением быстродействия РЭА все большее значение приобретают вопросы учета параметров проводников и высокочастотных связей между ними.
Сопротивление проводника определяется выражением
R=rl/(bd), (1)
где: r - удельное объемное электрическое сопротивление проводника; l длина проводника; b - ширина проводника; d - толщина проводника.
R= 10-6 *0.2/0.002*10-5 = 10-5Ом
Величина r различается для проводников, изготовленных различными методами. Так, для медных проводников, полученных электрохимическим осаждением, r равно 0,02-0,03 мкОм/м, а для медных проводников, полученных методом химического травления r равно примерно 0,0175 мкОм/м.
Постоянный ток в проводниках. Величина тока в печатных проводниках определяется, в первую очередь, ограничением на максимально допустимую плотность тока для конкретного материала g. Для медных проводников, полученных электрохимическим осаждением g равна около 20 А/мм2, и около 30 А/мм2 для проводников, полученных методом химического травления фольги. Исходя из этого, допустимый ток в печатных проводниках определяется как
I = 10-3 gbd, (2)
I= 7*0.025*0.002*10-5 = 0.063А.
а ширина должна отвечать следующему условию:
b ³ 103 I/(gd). (3)
b³ 103*0.063/0.025*10-5 = 0.0003м.
Падение напряжения на печатных проводниках определяется как:
DU = r[l/(bd)]. (4)
DU = 10-6[l/(0.002*10-5)] = 0.04B.
Переменный ток в печатных проводниках. В отличие от постоянного тока распределение переменного тока в печатных проводниках происходит неравномерно. Это обусловлено наличием поверхностного эффекта, возникающего при протекании по проводнику высокочастотного переменного тока.
При этом внутри проводника образуется магнитное поле, приводящее к возникновению индукционного тока, взаимодействующего с основным. Вследствие этого происходит перераспределение тока по сечению проводника, и в результате его плотность в периферийных областях сечения возрастает, а ближе к центру уменьшается. На высоких частотах ток во внутренних слоях проводника уменьшается практически до нуля.
Емкости. Емкость (пф) между двумя параллельными печатными проводниками одинаковой ширины b (мм), расположенными на одной стороне платы определяется как
C= 0.12 l/{lg[2a/(b+d)]}, (5)
C= 0,12*1*0,02/{0,02*10[2*0,03/(0,002+10-5)]} = 0,000652Ф.
где: l - длина участка, на котором проводники параллельны, мм; e - диэлектрическая проницаемость среды; a - расстояние между параллельными проводниками.
Емкость (пф) между двумя параллельными проводниками шириной b (мм), расположенными по обе стороны печатной платы с толщиной диэлектрика а (мм) определяется как
C = 0,008842 el b/a [1+a/(pb) (1+lg(2pb/a))] (6)
C= 0,008842 1* 0,02 *0,002/0,03 [1+0,03/(p*0,02) (1+lg(2p0,02/0,03))] = 0,0005484Ф
Приведенные выражения позволяют произвести оценку емкости (пф) печатных проводников с точностью ±(20-30)%.
На высоких частотах возникает необходимость оценивать индуктивность и взаимную индуктивность печатных проводников.
Рассчитаем суммарную площадь резисторов:
SRn=1,5∙ n ∙ L ∙ D, (7)
где SRn – суммарная площадь резистора, мм2;
n – количество резисторов, шт;
L – длина резистора, мм;
D – ширина резистора, мм;
1,5 – коэффициент запаса.
SR1,R2 =1,5 ∙ 2 ∙ 9 ∙ 3 = 81 (мм2);
SR3,R4=1,5 ∙ 2 ∙ 7 ∙ 2 = 42 (мм2);
SRобщ= SR1,R2 + SR3,R4 =81+42= 123 (мм2).
Рассчитаем суммарную площадь конденсаторов:
SСn=1,5∙n∙L ∙ D (8)
где SСn – суммарная площадь конденсатора, мм2;
n – количество конденсаторов, шт;
L – длина конденсатора, мм;
D – ширина конденсатора, мм;
1,5 – коэффициент запаса.
SС1 = 1,5 ∙ 1 ∙12 ∙ 5 = 90 (мм2);
SС2 = 1,5 ∙ 1 ∙18 ∙ 9 = 243 (мм2);
SСобщ = SС1 + SС2 =90+243= 333 (мм2).
Рассчитаем суммарную площадь стабилитронов:
SVDn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм2 (9)
где SVDn – суммарная площадь стабилитрона, мм2;
n – количество стабилитронов, шт;
L – длина стабилитрона, мм;
D – ширина стабилитрона, мм;
1,5 – коэффициент запаса.
SVD6 = 1,5 ∙ 1 ∙ 3 ∙ 1 = 4,5 (мм2)
Рассчитаем суммарную площадь диодов :
SVDn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм2 (10)
где SVDn– суммарная площадь диода, мм2;
n – количество диодов, шт;
L – длина диода, мм;
D – ширина диода, мм;
1,5 – коэффициент запаса.
SVD1-VD4 = 1,5 ∙ 4 ∙ 3 ∙ 2 = 36 (мм2)
SVD8 = 1,5 ∙ 1 ∙ 17 ∙ 5 = 127 (мм2)
SVDобщ = SVD1-VD4 + SVD8 = 36+127= 163 (мм2)
Рассчитаем суммарную площадь микросхемы :
SDАn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм2 (11)
где SDАn– суммарная площадь микросхемы, мм2;
n – количество микросхем, шт;
L – длина микросхемы, мм;
D – ширина микросхемы, мм;
1,5 – коэффициент запаса.
SDА1 = 1,5 ∙ 1 ∙ 8 ∙ 8 = 96 (мм2)
Рассчитаем суммарную площадь транзисторов :
SVTn=1,5 ∙ n∙L∙D, мм2 (12)
где SVTn– суммарная площадь транзисторов, мм2;
n – количество транзисторов, шт;
L – длина транзистора, мм;
D – ширина транзистора, мм;
1,5 – коэффициент запаса.
SVT1 = 1,5 ∙ 1 ∙ 5 ∙ 5 = 37 (мм2)
SVT2 = 1,5 ∙ 1 ∙ 7 ∙ 6 = 63 (мм2)
SVTобщ = SVT1+ SVT2 = 37+63= 100 (мм2)
Далее рассчитаем суммарную площадь всех радиоэлементов:
S=SRобщ+SСобщ+ SVD6+SVDобщ+SDА1+ SVTобщ , (13)
где S - суммарная площадь всех радиоэлементов, мм2.
S= 123+333+4,5+163+96+100 = 819,5 (мм2).
Определим ориентировочную площадь печатной платы:
Sпп=1,5∙(S+Sпров), (14)
где Sпп – ориентировочная площадь печатной платы, мм2;
Sпров – площадь печатных проводников, мм2;
1,5 – коэффициент запаса.
Sпров = S= 819,5 (мм2);
Sпп = 1,5 ∙ (819,5 +819,5) = 2458,5 (мм2).
Если принять ширину В = 60 мм, то исходя из полной площади платы ее длина:
L = Sпп / B, мм (15)
L = 2458,5 / 60 = 40,9 (мм).
Принимаем L = 41 (мм).
Исходя из рассчитанной площади печатной платы, выбираем ее размер 60х41 мм. Для печатных проводников допускается плотность тока до 20 А/мм2. При расчёте печатных плат также необходимо знать минимальную ширину печатного проводника, которая выбирается исходя из значений токов, протекающих по этому проводнику. Формула для расчёта ширины печатных проводников, исходя из максимального значения плотности тока: