Kapacytancje pasożytnicze-Postęp w elektronice zazwyczaj idzie w parze z miniaturyzacją obwodów. Jednakże, gdy obwody stają się gęstsze i bardziej zwarte, pewne właściwości lub cechy mogą pojawić się w niepożądanych miejscach. Jedną z takich właściwości jest pojemność pasożytnicza. Istotne jest, aby zredukować to zjawisko podczas projektowania układu PCB, aby poprawić wydajność obwodu i integralność sygnału. Poniżej omówiliśmy pasożytnicze pojemności i wyjaśniliśmy strategie ich redukcji. Rzuć okiem!
Co to jest pojemność pasożytnicza w płytce drukowanej
Pojemność pasożytnicza jest niepożądanym i nieuniknionym zjawiskiem, które powoduje, że elementy elektroniczne zachowują się jak kondensatory z powodu ich bliskości.
Elementy elektroniczne na płytce drukowanej
Kondensatory przechowują energię elektryczną w obwodzie elektrycznym. Kiedy dwa przewodniki elektryczne pracujące pod różnymi napięciami znajdują się blisko siebie, pole elektryczne między nimi powoduje, że ładunek elektryczny zostaje zmagazynowany między nimi. Ten efekt magazynowania ładunku nazywany jest pojemnością pasożytniczą.
Rodzaje pasożytnictwa
Istnieją trzy rodzaje pasożytnictwa.
Opór pasożytniczy
Opór pasożytniczy może istnieć jako bocznik pomiędzy elementami przewodzącymi lub szeregowo wzdłuż ścieżek.
Indukcyjność pasożytnicza
Indukcyjność pasożytnicza może istnieć wzdłuż ścieżek na płytce drukowanej. Wykazuje ona podobne właściwości do rzeczywistego induktora, który przechowuje i rozprasza energię elektryczną.
Ścieżki płytki drukowanej
Kapacytancja pasożytnicza
Jak wspomniano wcześniej, zjawisko to występuje, gdy dwa elementy przewodzące znajdujące się w pobliżu posiadają lub są na różnych poziomach ładunku.
Różnica pomiędzy kapacytancją błądzącą a pasożytniczą
Niektórzy ludzie używają pasożytniczej i błądzącej pojemności zamiennie, ale te dwa mają różne znaczenia. Pojemność błądząca wyjaśnia wprowadzenie niepożądanej pojemności, podczas gdy pojemność pasożytnicza pokazuje, jak ładunek wpływa na działanie obwodu.
Dwa sąsiednie przewodniki na płytce PCB mogą indukować pojemność błądzącą i pasożytniczą. Jednak wpływ otaczającego środowiska może również powodować pojemność błądzącą.
Co to jest efekt kapacytancji pasożytniczej?
Pojemność pasożytnicza występuje pomiędzy przewodnikami, PCBA, gołymi płytami i pakietami komponentów (jak SMD). Dwoma przewodnikami lub elementami mogą być dwie ścieżki, piny komponentów, pad & trace, pad & pin, lub jakiekolwiek inne elementy przewodzące na PCB.
Różnica potencjałów powoduje przepływ prądu elektrycznego przez samoistne płytki kondensatora. Jednak wraz ze wzrostem zgromadzonego ładunku zmniejsza się różnica potencjałów, co spowalnia przepływ elektronów. Dlatego też pasożytnicza pojemność negatywnie wpływa na integralność sygnału, ograniczając przepływ prądu wzdłuż pożądanej ścieżki sygnału.
Ilustracja przedstawiająca jak kondensatory przechowują energię elektryczną
Jak pojemność pasożytnicza wpływa na obwody elektroniczne
Pojemność pasożytnicza ma niewielki lub żaden wpływ na obwody o niskiej częstotliwości. Jednakże, jest to kwestia niepokojąca w obwodach o wysokiej częstotliwości, ponieważ zachowanie kondensatora zmienia się wraz ze wzrostem częstotliwości. W końcu dochodzi do zwarcia obwodu wysokiej częstotliwości.
W projektach wzmacniaczy, pasożytnicza pojemność pomiędzy wejściem a wyjściem może tworzyć niepożądane sprzężenie zwrotne. Normalnie otwarta elektryczna ścieżka sygnałowa staje się przewodząca podczas pracy przy wysokich częstotliwościach, powodując niepożądane oscylacje. Oscylacja pasożytnicza w obwodzie wzmacniacza to niezamierzone sprzężenie zwrotne między wejściem a wyjściem elementów elektronicznych.
Prosty układ wzmacniacza audio
Zjawisko to jest również kłopotliwe pomiędzy dwoma sąsiednimi komponentami. Jeśli jeden z nich propaguje sygnał o wysokiej częstotliwości, może on spowodować przesłuch lub szum EMI na drugim przewodniku.
Oprócz powodowania zakłóceń, pasożytnicza pojemność może wpływać na integralność sygnału. Na przykład, jeśli gromadzi się między przewodnikiem a płaszczyzną uziemienia, elementy mogą się zwrzeć przy wysokiej częstotliwości, zmieniając sygnał przewodnika.
Jak zmniejszyć pojemność pasożytniczą
Niemożliwe jest wyeliminowanie pasożytniczej pojemności. Można jednak zastosować następujące strategie w celu jej zmniejszenia w procesie projektowania i układania płytek PCB.
Kapacytancje pasożytnicze-Unikaj równoległego trasowania
Trasowanie równoległe tworzy długi odcinek pomiędzy dwoma metalami, które rozwijają maksymalną pojemność pasożytniczą. Unikaj tej strategii projektowania podczas układania.
Równoległe prowadzenie ścieżek na PCB
Kapacytancje pasożytnicze-Odpowiednio używaj płaszczyzn uziemienia
Wewnętrzna płaszczyzna uziemienia ma kilka zalet, takich jak poprawa odprowadzania ciepła przy jednoczesnej minimalizacji EMI i indukcyjności błądzenia. Jednakże może ona zwiększyć pojemność pasożytniczą. Dlatego należy ją stosować odpowiednio, rozważając jej zalety i wady.
Boating
Płaszczyzny zasilania to grunty AC, które zachowują się podobnie do płaszczyzn uziemienia. Dlatego ich usunięcie lub odpowiednie użycie jest kluczowe dla zminimalizowania pasożytniczej pojemności. Usunięcie ich z sąsiedztwa przewodnika jest znane jako moating.
Kapacytancje pasożytnicze-Zmniejsz liczbę przelotek
Łączniki są przydatne do łączenia różnych warstw w kompaktowych płytach PCB. Jednak nadmierne ich stosowanie może znacznie zwiększyć pojemność pasożytniczą. Należy używać ich oszczędnie i unikać ich na ścieżkach o dużej prędkości. Rozważ również zmniejszenie pierścieni wokół przelotek na warstwach bez połączeń, aby zminimalizować liczbę warstw.
Otwory w przelotkach na płytce drukowanej
Zwiększ odstępy między sąsiednimi ścieżkami na płytce drukowanej
Pojemność maleje wraz z odległością. Dlatego powinieneś tworzyć szersze odstępy między ścieżkami, stosując zasadę 2W lub 3W. Szerszy odstęp zmniejszy również sprzężenie krzyżowe.
Użyj pierścienia ochronnego lub tarczy Faradaya
Pierścień ochronny lub ekran Faradaya działa jak płyta ekranująca. Umieszczenie go pomiędzy dwoma ścieżkami znacznie zmniejszy pojemność pasożytniczą.
Kapacytancje pasożytnicze-Dopasowanie impedancji
Wiele linii danych przesyła duże ilości danych na sekundę i może powodować niedopasowanie impedancji z powodu pasożytniczej indukcyjności i pojemności. Każde niedopasowanie spowodowane pasożytami powoduje odbicia na linii, które zwiększają poziom błędów bitowych i zakłóceń czasowych. Dlatego należy zapewnić dopasowanie impedancji linii sygnałowych, które przesyłają dane z dużą prędkością.
Płyta PCB dla częstotliwości radiowych na wykresie Smitha dla dopasowania impedancji
Kapacytancje pasożytnicze-Używaj odpowiedniej grubości warstw
Podczas gdy cienkie warstwy zmniejszają pasożytniczą indukcyjność i obszar pętli, zwiększają pasożytniczą pojemność. Rozważ te czynniki, aby określić najlepszą grubość warstwy. Spróbuj użyć narzędzi symulacyjnych z wieloma warstwami do tego zadania.
Kapacytancje pasożytnicze-Staranne rozdzielenie komponentów
Staranne rozdzielenie komponentów i pierścieni ochronnych, przewodów, płaszczyzn uziemienia i zasilania jest niezbędne do zmniejszenia pojemności pasożytniczej. Należy również zastosować ekranowanie pomiędzy wejściem i wyjściem oraz odpowiednio zakończyć linie transmisyjne.
Używaj materiałów dielektrycznych o niskiej przenikalności
Materiały dielektryczne o wysokiej przenikalności zwiększają pojemność błądzącą. Z drugiej strony, materiały o niskiej przenikalności zmniejszają pojemność błądzącą. Zjawisko to zakłada jednak, że wszystkie inne zmienne pozostają stałe.
Materiał dielektryczny lub separator. Umieszcza się go pomiędzy dwoma przewodnikami, takimi jak ścieżki na płytkach PCB.
Kapacytancje pasożytnicze-Warsaw sygnałowa
Jeśli projektujesz płytkę 4-warstwową, umieść płaszczyznę zasilania na najniższej warstwie, a następnie ułóż warstwę sygnałową pomiędzy płaszczyzną zasilania i uziemienia. Można również poprowadzić wrażliwe ścieżki pomiędzy dwoma płaszczyznami masy. Taka konstrukcja sprawi, że EMI z sygnałów w jednej warstwie nie będzie indukować szumu w liniach transmisyjnych sąsiedniej warstwy.
Jak obliczyć pojemność pasożytniczą
Pojemność pasożytnicza jest magazynem na jednostkę zmiany potencjału elektrycznego i jest nieodłączną właściwością przewodników. Można obliczyć ten parametr za pomocą następującego wzoru.
C=q/v
Gdzie
C = pojemność (farady)
q = ładunek (coulombs)
v = napięcie
dv/dt=0 jeśli sygnał elektryczny jest stały i nie zmienia się w czasie. To równanie implikuje brak zmiany potencjału i i=0. Ale jeśli w pętli znajduje się kondensator, dv/dt będzie równe stałej wartości. Wartość ta oznacza, że nastąpiła zmiana potencjału, która spowoduje przepływ prądu elektrycznego. Dlatego i≠0.
Kapacytancje pasożytnicze-Obliczanie pojemności pasożytniczej ścieżki
Możesz obliczyć pojemność równoległą płyty, korzystając z następującego wzoru.
C = (kA/11.3d)pF
Gdzie
C = pojemność
k = względna stała dielektryczna materiału płyty
A = powierzchnia płyty (cm2)
d = odległość między płytkami (cm)
Kondensatory montowane powierzchniowo na płytce drukowanej telewizora LCD
Jak zmierzyć kapacytancję pasożytniczą za pomocą TDR
Podczas gdy możliwe jest użycie wysokiej rozdzielczości miernika LCR do pomiaru pojemności pasożytniczej, reflektometr domeny czasowej (TDR) jest bardziej dokładny. Dlaczego? TDR umożliwia pomiar pojemności na urządzeniach i strukturach bezpośrednio jak są na obwodzie.
Otoczenie może wpływać na pojemność, więc lepiej jest wykonywać pomiary na różnych urządzeniach, jak są na obwodzie.
Ponadto TDR-y umożliwiają indywidualne pomiary charakterystyk urządzeń i linii przesyłowych bez konieczności usuwania jakichkolwiek elementów z obwodu.
Miernik LCR do pomiaru indukcyjności (L), pojemności (C) i rezystancji (R)
Rozważając płytkę z długimi, wąskimi ścieżkami, które tworzą mikropasek nad płaszczyzną ziemi, linie miedziane przechodzą z góry na dół przez przelotki. Jeśli te przelotki tworzą pasożytniczą pojemność z podłożem, można propagować falę krokową na śladzie, a następnie obserwować przebieg odbity od nieciągłości przelotki.
Następnie oblicz "nadmiarową" pojemność spowodowaną przez przelotkę przez całkowanie i skalowanie przebiegu. To obliczenie daje dokładną pojemność dla modelu.
Podsumowanie
Podsumowując, niezerowa pojemność zawsze będzie istnieć pomiędzy dwoma przewodnikami. Jednakże możliwe jest zoptymalizowanie układu PCB, aby zminimalizować ten efekt i poprawić wydajność obwodu oraz integralność sygnału. Mamy nadzieję, że ten artykuł okazał się pomocny. Jeśli masz jakieś pytania lub komentarze, wyślij wiadomość, a my skontaktujemy się z Tobą jak najszybciej.