Создание рисунка печатной платы и правила согласования устройств – Обустройство рабочего места

May 17, 2015 by admin Комментировать »

Как и всякий сложный технологический процесс, создавать печатную плату лучше всего по чертежу. Чертеж расположения деталей на поверхности платы и соединительных дорожек между ними радиолюбителями не совсем правильно называется «рисунок печатной платы», впрочем, он представляет собой гибрид чертежа (строгое расположение деталей) и рисунка (дорожки можно рисовать как угодно), поэтому оба названия справедливы.

Перед началом «рисования» платы нужно получить ответы на следующие вопросы:

• Каких размеров должна быть плата? Этот вопрос актуален (имеет смысл) только тогда, когда плата будет устанавливаться в имеющийся у вас корпус и в нем мало свободного места. В некоторых случаях размеры платы можно указывать нестрого: например, в автомагнитолах длина платы может быть практически любой, а вот ширина — не более 3…5 см.

•  Как плата будет крепиться в устройстве? На чертеже, платы обязательно нужно нанести отверстия, через которые будут закручиваться болты, шурупы и пр.; если плата должна иметь выступы или вырезы, их тоже нужно пометить на рисунке до начала рисования расположения деталей. Если эти отверстия или выступы соединяются с металлическим корпусом устройства, это также нужно учесть, изолировав их или, наоборот, покрыв слоем припоя для лучшего контакта.

•  Детали каких типов вы собираетесь использовать? Перед началом рисования чертежа нужно собрать все детали, чтобы при рисовании можно было уточнить, «не будет ли мешать вот эта большая деталь всем остальным?» и «какое расстояние между выводами у этого конденсатора?». Удобнее всего держать набор деталей в спичечном коробке.

•  Есть ли ограничения по высоте деталей? Современные электролитические конденсаторы, некоторые микросхемы и «подстроечные» элементы имеют вертикальный корпус, т. е. его высота гораздо больше ширины (диаметра). А некоторые устройства (например, кассетный плеер) предъявляют весьма жесткие требования к высоте платы. В таких случаях деталь нужно или «положить на бок», или заменить более малогабаритной. Во многих устройствах высота платы в разных местах может быть различной — в том же самом плеере высота платы под лентопротяжным механизмом (ЛПМ) не превышает 5…10 мм, а в свободном от ЛПМ месте может достигать 20 и более миллиметров. Очевидно, что именно тут и нужно разместить все «большие» детали.

•  С какой стороны удобнее припаять провода? Во всех устройствах, особенно в высокочастотных, длина проводов и дорожек должна быть как можно меньше. Поэтому на больших платах, на которых собрано несколько функционально законченных устройств (например, приемник, усилитель и регулятор тембра), эти самые устройства нужно «располагать» так, чтобы провода, подходящие к ним от других плат или элементов, были покороче. Если вы собираетесь установить на плате многоштырьковый разъем, выбирать место для него, закрыв глаза и ткнув в рисунок платы ручкой, нельзя!

И только после того, как вы получите хотя бы приблизительные ответы на все пять вопросов, можно начинать рисовать плату. Если плата имеет сложную форму (одна или несколько сторон не прямые), на бумаге нужно нанести ее контуры и при дальнейшем рисовании стараться не выходить за их границы. Если же все стороны платы прямые, контуры наносить не надо, можно только нарисовать ограничительные линии, ограничивающие ее размеры по ширине или высоте. Эти линии лучше всего рисовать карандашом, чтобы их легко можно было «перенести».

Рассмотренным здесь способом рисования чертежа печатной платы я пользуюсь уже несколько лет. Он довольно прост и, надеюсь, подойдет большинству радиолюбителей.

Для рисования понадобятся:

•Бумага «в клеточку». Ее можно вырвать из любой тетрадки. Ширина клеток 5 мм, они должны быть нарисованными очень тонкими (чем тоньше, тем лучше), но хорошо заметными линиями. Иначе нарисовать на ней что-либо сложней эмиттерного повторителя будет невозможно.

•Ручка минимум с двумя цветами (красный и черный) или две разноцветных. Красный стержень должен быть потоньше, черный — любой (имеется в виду толщина рисуемой линии). Оба стержня должны хорошо писать даже по слегка жирной (от пота) поверхности.

•Специальная линейка или трафарет со множеством отверстий разных диаметра и формы. Для рисования чертежа нужны кружки диаметром от 1 мм до 2…3 см, для рисования схем — прямоугольники и треугольники. Для рисования прямых линий понадобится маленькая линейка (длиной около 5…10 см), желательно треугольной формы, чтобы ее легче было «крутить» на чертеже.

На самом деле правильно «нарисовать» соединения между элементами на печатной плате (радиолюбители называют этот процесс «развести дорожки») очень сложно. Ведь любой длинный проводник, как и катушка индуктивности, обладает индуктивностью — она у дорожек хоть и мала, но в высокочастотных (более 30… 100 МГц) устройствах оказывается значительной. Именно поэтому УКВ-приемники (FM-приемники) и FM-передатчики («жучки»), собранные малоопытными радиолюбителями по «собственным» печатным платам, обычно не работают. Длина дорожек в высокочастотных устройствах должна быть как можно меньше; кстати, в подобных устройствах катушки индуктивности очень часто «делают» из дорожек.

Кроме индуктивности, дорожки имеют некоторое сопротивление. Слой фольги дорожки, даже покрытой припоем, очень тонок, и, если через дорожку протекает значительный ток, на ней создается довольно большое падение напряжения. Большие токи обычно текут через шины питания, а питается большинство устройств постоянным током, поэтому параллельно цепям питания, для уменьшения пульсаций напряжения, во всех удобных для этого местах схемы (и платы) устанавливают фильтрующие конденсаторы. Подробнее про фильтрующие конденсаторы говорилось чуть выше, а про то, как их правильно использовать, будет говориться ниже.

Еще одна «беда» дорожек — емкость. Стеклотекстолит — диэлектрик с диэлектрической проницаемостью около 7…8, т. е. из него вполне можно изготавливать конденсаторы малой емкости. Но в схемах «лишние» конденсаторы могут наделать много бед! Поэтому для уменьшения емкости расстояние между дорожками нужно делать как можно больше. Впрочем, даже в самом худшем случае емкость дорожек не превышает единиц-десятков пикофарад, т. е. в цифровых и низкочастотных аналоговых устройствах ее можно не учитывать, но все равно расстояние между дорожками должно быть больше 0,3…0,5 мм.

Сопротивление стеклотекстолита как диэлектрика огромно и превышает 10 гигаом, поэтому в большинстве устройств его можно не учитывать. Но в некоторых (например, измерительных усилителях), потребляющих от источника сигнала ничтожный (практически нулевой) ток, сопротивление текстолита оказывается меньше сопротивления изоляции полевых транзисторов (даже у самого плохого полевого транзистора с изолированным затвором оно больше 1000 гигаом), поэтому монтаж входных цепей таких устройств обычно выполняют навесным («на соплях») методом или изготавливают все устройство на пластине очень дорогой, специально предназначенной для этой цели фольгированной пластмассы.

Повышенные требования к «правильной» разводке дорожек предъявляют высокочастотные и все аналоговые устройства. Цифровые схемы в этом плане довольно «дубовые»: если для аналогового устройства импульс амплитудой в тысячные доли вольта уже помеха (т. к. амплитуда полезного, усиливаемого сигнала может быть даже меньше), то цифровое устройство на такой импульс не отреагирует — для него амплитуда «помехи» должна быть как минимум больше напряжения переключения, т. е. более 2…5 В. Поэтому разводить дорожки не очень высокочастотных (менее 10 МГц) цифровых устройств можно, пренебрегая всеми правилами.

Дальше в качестве примера будут рассмотрены рисунки печатных плат цифрового и аналогового устройств. Все описанное здесь относится не только к печатным платам, но и ко всем остальным видам макетирования, тем более что у них, по сравнению с печатным монтажом, длина «дорожек» больше, а возможностей сделать «отводы» от середины дорожки меньше.

Начнем с печатной платы цифрового устройства. В качестве примера возьмем универсальный логический пробник (рис. 3.11). Его схема подробно рассматривалась в I томе книги, поэтому здесь я лишь кратко повторю его особенности: при уровне лог. «0» на любом из входов XI—Х8 на соответствующем выходе светится зеленый светодиод, при уровне лог. «1» светится красный, а когда вход никуда не подключен (или выход проверяемой микросхемы перешел в Ζ-состояние), оба светодиода гаснут. Также в составе пробника есть мощный генератор частоты 800 Гц и маломощный низкочастотный генератор (8 Гц), который можно «превращать» в одновибратор. Напряжение питания пробника —

3..                     .18 В, потребляемый ток — 3…20 мА, входное сопротивление численно равно сопротивлению резисторов R4—R11.

В схеме используются микросхемы К561ЛН2шесть инверторов в одном корпусе, их расположение показано на рис. 3.12, а. Так как для управления светодиодами от каждой микросхемы желательно задействовать одинаковое число элементов (ведь светодиоды потребляют значительный для КМОП-ИМС ток, и, если задействовать для управления ими все 6 элементов, нагрев кристалла микросхемы увеличится), то микросхемы на плате лучше всего располагать горизонтально, ведь плата все равно будет широкой из-за значительных размеров светодиодов. А светодиоды проще всего располагать в ряд по два: в верхнем ряду — красные, а в нижнем — зеленые.

То есть внешний вид нашей платы будет походить на то, что изображено на рис. 3.12, б. Только при таком расположении деталей плата будет иметь минимальные размеры, а это, учитывая дороговизну текстолита и раствора для травления, немаловажно. Диаметр кругов на плате — наибольший диаметр используемых светодиодов; его лучше всего определять с помощью специальной линей-

Рис. 3.11. Схема универсального цифрового пробника ки, на поверхности которой проделано множество кружков разного диаметра (такими линейками захламлены все «ученические» магазины и киоски). Берете линейку, берете светодиод и «ищете» светодиодом такое отверстие, в которое он свободно «пролазит». После этого остается только обвести это отверстие ручкой на схеме нужное число раз. В целях экономии места на плате (ширины) кружки нужно рисовать практически «впритык», но так, чтобы они не «наползали» друг на друга — «сжать» реальную деталь невозможно.

Теперь можно приступать к рисованию собственно печатной платы, заменив кружочки с прямоугольниками точками — выводами деталей. Но для начала нужно узнать расстояние между выводами этих самых деталей — с помощью линейки или «клеточек» бумаги. У светодиодов расстояние между выводами равно 3 мм, у микросхем — 2,5 мм и 7,5 мм между рядами выводов, у резисторов, если располагать их горизонтально, — 8…10 мм (МЛТ — 0,125, МЛТ — 0,25), у конденсаторов — 3…5 мм. Транзисторы изготовлены в корпусе ТО-92 с проволочными выводами, и расстояние между ними может быть любым.

Рис. 3.12. Этапы создания платы логического пробника

Так как между двумя микросхемами должны быть связи (шины питания), то со светодиодами нужно соединить выходы «верхних» инверторов и по одному «нижнему» инвертору — тому, который ближе к краю платы. Токоограничивающие резисторы R12…R19 имеет смысл расположить под светодиодами — места для них там предостаточно, правда, в собранном пробнике поменять резистор без предварительной выпайки обоих светодиодов будет невозможно, но это и не надо. Внешние элементы генераторов расположим в непосредственной близости от соответствующих выводов, причем постараемся, чтобы они занимали как можно меньшую площадь — впоследствии, если такие «жертвы» окажутся ненужными, их легко будет «растянуть», а вот «сжать» будет сложновато.

Получающийся рисунок платы изображен на рис. 3.12, в. К сожалению, книга одноцветная, поэтому дорожки, которые я обычно рисую красным цветом (а детали, отверстия для их выводов и контуры этих деталей — черным), на рисунках нарисованы более толстыми черными линиями. Так же рекомендую рисовать платы со стороны монтажа (т. е. с обратной стороны — не с той, с которой устанавливаются детали) — так гораздо удобнее хотя бы потому, что накернять отверстия для их последующего высверливания лучше всего со стороны фольги (фольга мягкая, поэтому вмятина от керна (гвоздя) получается глубже; при высверливании отверстий ручной «сверлилкой», а не станком сверло очень часто отклоняется от вертикали, и если расстояние между отверстиями на той стороне платы, с которой вы начинаете сверлить, равно, например, 2,5 мм, это еще не значит, что и с обратной стороны оно будет таким же, и если «обратной» стороной является «сторона дорожек», нарисовать контактные площадки — кружки для выводов деталей будет очень сложно), а также потому, что в противном случае для того, чтобы нарисовать дорожки, придется все равно перерисовывать рисунок платы в зеркальном виде — со стороны дорожек.

На «рабочих» рисунках плат должно быть как можно меньше «графических излишеств»! Не нужно нумеровать детали (Cl, VT2, R10) в соответствии со схемой, а также наносить их номиналы — это несложно определить и потом, на стадии впаивания деталей, зато в том месте рисунка, в котором «должна была стоять» такая надпись, вполне можно будет нарисовать какую-нибудь другую деталь, сэкономив тем самым на размерах платы. А вот условные графические обозначения отдельных элементов (резисторов, конденсаторов, катушек, лампочек и диодов), а также контуры корпуса крупногабаритных элементов рисовать нужно обязательно, но при этом нужно стремиться, чтобы они не были больше самой детали. Так вы, во-первых, будете легче ориентироваться в рисунке (не спутаете резистор с диодом), а во-вторых, не нарисуете другую деталь в том месте, которое занимает слишком большой корпус первой. Для того чтобы знать, какие детали вы уже нарисовали (имеется в виду номер детали), а какие — нет. нарисуйте на бумаге таблицу, аналогичную изображенной на рис. 3.13, или наделайте ксерокопий «книжной» таблицы. Пользоваться ею очень легко: сверху, над любым столбиком помечается класс элементов (например, «резисторы»), а цифры в этом столбике обозначают номер ненарисованного резистора. Нарисовали резистор R3 — в столбике «резисторы» зачеркиваете клеточку, в которой стоит цифра «3». И так далее. У микросхем на схемах нужно помечать только первый вывод — обычно это делают с помощью маленькой косой палочки. выходящей из кружка вывода 1 под углом 45°. Но удобнее всего помечать его маленькой цифрой «1».

Как видно из рис. 3.12, в, у нас между микросхемами получается слишком много свободного места. Поэтому логично разместить там эмиттерный повторитель на транзисторах, а правую микросхему «сдвинуть» влево и в освободившееся место «пристроить» кнопку. Это и сделано на рис. 3.12, г\ токоограничительные резисторы удобнее всего подключить между выходами микросхемы и свето-

Рис. 3.13 диодами, а не так, как показано на рис. 3.11, что и сделано, ведь при последовательном соединении «от смены мест слагаемых сумма не меняется*. Это же относится и к тому, что для низкочастотного генератора задействованы «другие* элементы, а не те, что указаны (номера выводов) на схеме, — все элементы абсолютно одинаковы, и для схемы все равно, где и какой элемент будет использоваться. Но это относится только к тем микросхемам, элементы которых ничем друг от друга не отличаются.

Но все равно, даже на рис. 3.12, г между микросхемами есть «лишнее* место. Поэтому попробуем «вставить* туда переключатель (рис. 3.12, д). Видно, что в таком случае на кнопку места не остается — «впихнуть* ее в правый нижний угол никак не получится, а увеличивать ширину платы только ради кнопки как-то неинтересно… Поэтому отбрасываем этот вариант.

Попытаемся усовершенствовать рисунок 3.12, г. Расстояние между микросхемами сократим до минимума, но так, чтобы транзисторы можно было «всунуть* без проблем, переключатель с резистором (R3) сдвинем правее, а также попытаемся нарисовать «входные* резисторы (R4—R11). То, что в итоге может получиться, показано на рис. 3.12, е. Три левых «входных* резистора располагаются над микросхемой.

Смотрим, что можно изменить. Левую микросхему можно сдвинуть на 2.5 мм вниз и 2,5 мм влево. Расстояние между светодиодами и микросхемами увеличиваем на 2,5 мм — тогда в этом промежутке можно будет разместить все «входные* резисторы. Кнопку перемещаем вверх, а правую микросхему сдвигаем вправо, тогда пространство между микросхемами увеличивается, и в него можно «всунуть* электролитический конденсатор значительной емкости (более 100 мкФ). Хотя он на схеме и не показан, вреда от него не будет — только польза: ведь любой генератор на логических элементах, из-за периодически возникающих сквозных токов на выходах элементов, создает на проводах питания пульсации напряжения (фон), который может нарушить работу другой (этой — все «до лампочки*), проверяемой, схемы. А «электролит* попросту не допустит возникновения фона. Поэтому во многих цифровых схемах фильтрующие конденсаторы обязательны, но на принципиальных схемах (типа рис. 3.11) не рисуются. Объясняется это нежеланием авторов загромождать свои схемы «ненужными* деталями, которые любой более-менее знающий радиолюбитель поставит сам, и не в единственном количестве.

Окончательный вариант рисунка платы приведен на рис. 3.12. ж. Пунктирными линиями на подобных рисунках обычно помечаются перемычки из проволоки или проводов в изоляции, когда сделать соединение между деталями дорожкой не получается. Всегда нужно стремиться, чтобы перемычек было как можно меньше — возни с ними гораздо больше, чем с дорожками.

К сожалению, один из «входных* резисторов пришлось расположить над двумя другими, иначе пришлось бы увеличить, только ради него, ширину платы на 2,5 мм. Вообще, расположение элементов «в два этажа* в электронике считается дурным тоном, тогда менять детали становится гораздо елгжней, но в исключительных случаях это допускается. Тем более что под светодиодами резисторов все равно не видно.

Провода к схеме (XI—XII и провода питания) припаиваются непосредственно к соответствующим выводам микросхем и конденсатора (со стороны дорожек, разумеется), после чего через отверстия в нижнем углу платы «вытягиваются» наружу. Такой способ крепления проводов очень удобен по двум причинам: во-первых, провод никогда не обломается, как это часто бывает, если его припаять как вывод какой-нибудь детали, а во-вторых, экономится площадь платы — не нужно предусматривать контактные площадки специально для проводов.

Несмотря на то что весь процесс создания платы в книге описан очень бодро, у меня он занял примерно двое суток (с перерывами). Поспешишь — людей насмешишь, поэтому быстро создать какую-нибудь не очень простую плату, тем более минимальных размеров, невозможно. Ускорить работу можно, используя компьютер, но, во-первых, он есть не у всех, а те, у кого он есть, увлекаются не электроникой, а играми, а во-вторых, мощные программы с простым интерфейсом большинству радиолюбителей пока недоступны. Другие, более удобные, способы создания платы мне неизвестны.

Теперь попробуем создать плату какого-нибудь аналогового устройства, например, мощного УМЗЧ, по схеме на рис. 3.14. Так как усилитель работает с аналоговым сигналом и включает в себя чувствительный предварительный усилитель на ОУ DA1, нам нужно будет учитывать сопротивление и индуктивность всех дорожек.

Рис. 3.14. Схема мощного УМ 34

Из рисунка видно, что эту схему можно разбить на два блока: предварительный усилитель (DAI, R1—R5, С1—С4, VD1, VD2) и оконечный усилитель (все остальные детали). Поэтому и на плате, для того чтобы исключить влияние (по цепям питания) мощного усилителя на чувствительный маломощный, «нарисуем» их отдельно.

Немного теории. Как уже говорилось выше, любая дорожка обладает некоторым, хоть и ничтожно малым, сопротивлением, поэтому каждый провод на схемах можно изображать как резистор небольшого сопротивления. Очень часто столь малое сопротивление можно не учитывать, как, например, можно не учитывать сопротивление дорожек между резистором R4 и выводами питания микросхем в схеме на рис. 3.14 (ведь сопротивление резистора гораздо больше). Но в тех случаях, когда через дорожку течет значительный ток, на ней создается некоторое падение напряжения (в соответствии с законом Ома), т. е. ее сопротивление придется учитывать.

Рис. 3.15. «Неправильная» (а) и «правильная» (в) печатная плата одного и того же УМЗЧ. б — иллюстрация «закона рычага»

Допустим, усилитель собран по схеме, аналогичной изображенной на рис. 3.15, а (здесь и далее Rd — сопротивление дорожки, 0,05…1,0 Ом). Чтобы не загромождать рисунок, цепи ООС не показаны. Кажется, все правильно — все напряжения на обе микросхемы поданы, все дорожки нарисованы, случайных коротких замыканий нет. Но если вы включите такой усилитель, то не услышите ничего, кроме искажений. В чем дело?

А дело как раз таки в неправильной разводке дорожек. Смотрите: напряжение питания для чувствительного предварительного усилителя снимается с выводов мощных выходных транзисторов, и даже электролитические конденсаторы ничего с пульсациями сделать не могут, они расположены слишком далеко, и длина дорожки от коллектора транзистора до точки, к которой подключен вывод питания предварительного усилителя, гораздо меньше, чем от этой точки и до конденсатора. Получился классический делитель напряжения, который подчиняется закону рычага (рис. 3.15, б): если конденсатор, подключенный в точке «а», жестко зафиксирует положение рычага и его перемещение не превышает 1 мм (на рисунке), то изменение положения рычага в точке «б» составит уже около 10 мм — при неизменной амплитуде колебаний в точке «а». Поэтому, если вы хотите, чтобы пульсации напряжения на выводах питания микросхемы предварительного усилителя были минимальными, эти выводы нужно подключить «своими» дорожками непосредственно к выводам конденсаторов. А на сопротивление этих дорожек, если микросхема потребляет небольшой ток, можно не обращать внимания.

То же самое относится и к выводам питания микросхемы оконечного усилителя. Напряжение с проводов питания идет в конденсаторы через выводы транзистора и микросхемы, при этом создается все тот же делитель напряжения (т. к. транзистор — «генератор» помех и искажений). Правильной будет следующая конфигурация: напряжение с проводов питания идет непосредственно к конденсаторам, а от них отходит 3 дорожки: две — к микросхемам и одна потолще — к транзистору.

Но все это ерунда — современные микросхемы практически нечувствительны к пульсациям напряжения питания (вспомните о коэффициенте подавления пульсаций напряжения питания, о нем говорилось в начале книги, и у современных ОУ он достигает десятков тысяч). В современных усилителях стабильным должно быть только образцовое напряжение — в нашем случае 0 В. Ведь принцип действия усилителя на ОУ заключается в постоянном сравнении входного напряжения с образцовым и выдаче сигнала разбаланса. на выход. А если образцовое напряжение весьма далеко от образцового, например, пульсирует с частотой сетевого напряжения? Хороший усилитель усилит эти пульсации, и в динамиках будет слышен характерный фон переменного тока. То есть сигнал будет искажен. А если к тому же напряжение на этой шине изменяется в такт с сигналом (влияет мощная низкоомная нагрузка), самовозбуждение усилителя неизбежно. При этом ни о каком усилении не может быть и речи. Именно поэтому малоопытные радиолюбители очень часто бракуют вполне работоспособные схемы, автор которых не догадался дать чертежи печатных плат, и поэтому один и тот же усилитель, но собранный по разным чертежам плат, «звучит» по-разному.

Смотрим, как обстоит дело с «землями» на рис. 3.15, а. «Нулевой» провод подключен непосредственно к электролитическим конденсаторам, что, в принципе, правильно. Далее он идет на «холодный» вывод динамика — нагрузки, и с него, через резистор — на вход усилителя DA1. В этом и заключается ошибка, из-за которой усилитель самовозбудится (загудит, запищит и т. д.): при изменении напряжения на выводах нагрузки напряжение в точке «вых. JL» также будет очень незначительно, не более чем на 0,1…1,0 В, изменяться, следовательно, на те же 0,1…1,0 В будет изменяться, относительно точки «О В», напряжение и на выводе 3 — входе чувствительного предварительного усилителя. А для него, вообще-то. максимально допустимая амплитуда входного сигнала равна, например. 50 мВ — т. е. 0,05 В. То есть из-за этой маленькой, но неправильно нарисованной дорожки усилитель будет самовозбуждаться — его выходные транзисторы будут периодически и с высокой частотой открываться до насыщения под влиянием малейших дестабилизирующих факторов (фон переменного тока, индуктивные всплески в цепях питания при переключении выходных транзисторов, внешние воздействия на усилитель, попадание частоты сигнала в резонанс и т. д.). Правильнее будет сигнал «0 В» для DA1 снять непосредственно с точки соединения выводов конденсаторов: там пульсации этого напряжения минимальны. Но при этом и для DA2 этот же сигнал должен быть взят из той же точки: разность напряжений «0 В» для DA1 и для DA2 должна быть как можно меньше.

Правильная ьо всех смыслах печатная плата такого усилителя нарисована на рис. 3.15, в. Дорожек на этой плате гораздо больше, чем на плате рис. 3.15, а, зато звук гораздо лучше и нет возбуждения. Шины «+U» и «-U» подключены к каждой микросхеме и транзистору индивидуальной («своей») дорожкой, причем все дорожки выходят из одной точки, в которую впаян вывод конденсатора. Как известно из школьного учебника физики, сумма всех токов (и втекающих, и вытекающих) в точке соединения любого котичества проводников, равна нулю, в противном случае нарушится закон сохранения энергии. Поэтому влияние отдельных элементов схемы друг на друга минимально только тогда, когда все проводники (по которым течет значительный ток) «выходят» из одной точки. И как бы ни было заманчиво объединить проводники, подходящие ко входам питания микросхемы DA2, с проводниками, идущими на коллекторные выводы транзисторов (ведь они проходят параллельно друг другу и рядом), делать этого нельзя — образуется уже упомянутый выше резисторный делитель напряжения, в котором вместо резисторов — дорожки, и влияние транзисторов на микросхему DA2 по цепям питания резко усилится.

А вот с «землями» (общий провод) на этом рисунке сложновато. Ведь «электролита» два, и оба равноценно важны для улучшения качества усиливаемого звука. Поэтому приходится идти на компромисс: посередине дорожки, соединяющей выводы конденсаторов, нарисовать точку минимального диаметра и уже от этой точки рисовать дорожки к микросхемам и нагрузке. Тогда дорожки от выводов конденсаторов к точке можно представить просто как «удлиненные» выводы конденсаторов. Кстати, в центре этой точки можно просверлить отверстие и впаять в него провод от нагрузки (динамика).

Ни в коем случае нельзя вести «земляные» дорожки к одной части схемы от места пайки, например верхнего конденсатора, а к другой — от нижнего! В таком случае на дорожке, соединяющей выводы конденсаторов, возникнет банальный «перепихон» токов, и тогда в динамиках вы услышите не только фон переменного тока (а его в «правильных» усилителях никогда не бывает), но еще и специфические помехи и искажения, которые столь же малоприятны на слух. Впрочем, от столь короткой, как на рисунке, дорожки, заметных искажений в таком случае не будет, но в том-то все и дело, что мне и моим знакомым мастерам довольно часто приносили «посмотреть» промышленные образцы бытовой техники (в основном отечественной), которые плохо работали именно по этой причине — «перепихон» токов. После перепайки дорожек, по которым течет образцовое напряжение, в виде звезды с лучами, в центре которой припаян вывод фильтрующего конденсатора, качество работы устройства заметно улучшалось. По аналогичным причинам на Руси и возникло поверье — для улучшения качества какой-нибудь вещи ее сразу же после приобретения нужно «показать» мастеру или хотя бы освятить в церкви, а также поговорка «дело мастера боится».

Сигнал ООС для DA2 с выхода усилителя нужно снимать так, как показано на рис. 3.15, в, — непосредственно с той точки, к которой припаян провод от нагрузки, а не к эмиттеру нижнего транзистора, как удобней, ведь нам нужно с помощью ООС корректировать сигнал на нагрузке, а не на выводе транзистора. А вот правило «звезды» в выходных цепях, охваченных обратной связью, можно не соблюдать, что и сделано на рисунке. Это же относится и к тем дорожкам, падение напряжения на которых, под воздействием протекающего через них тока, слишком мало для того, чтобы его нужно было учитывать. На рис. 3.15, в таковой является дорожка, соединяющая выход DA2 с базами транзисторов. Но, тем не менее, даже такие дорожки лучше рисовать по правилам.

Во всех подобных схемах единственный «враг» помех и пульсаций — конденсатор. Для борьбы с низкочастотным фоном емкость конденсатора должна быть побольше (из расчета 2000 мкФ на каждый 1 А тока) — емкостное сопротивление такого конденсатора очень невелико, и он успешно сглаживает пульсации, возникшие как из-за падения напряжения на дорожках, так и в результате их ЭДС самоиндукции. Но емкостное сопротивление «электролитов» даже на высоких частотах редко бывает ниже долей…единиц Ом — для исправления ситуации параллельно им можно подключить пленочные или керамические конденсаторы максимально возможной (в разумных пределах) емкости. Емкостное сопротивление таких конденсаторов на высоких частотах гораздо меньше сопротивления дорожек.

Длина дорожек, отходящих от конденсаторов к другим элементам, должна быть поменьше, ведь их сопротивление и индуктивность ничем не компенсируется. «Дополнительные» фильтрующие конденсаторы, для компенсации слишком большой длины дорожек или проводов, нужно подключать с большой осторожностью, иначе можно только все испортить. Подробней об этом будет говориться чуть дальше. Минимальная ширина дорожек («стандартный» стеклотекстолит, дорожки покрыты слоем припоя) — 0,6…0,8 мм на каждый 1 А протекающего через них тока, т. е. при токе 3 А дорожки должны быть шире 0,7 мм х 3 А = 2,1 мм. При меньшей ширине падение напряжения на дорожке будет слишком большим, следовательно, на ней будет выделяться слишком большая мощность (Р = U ■ I), т. е. она может попросту «перегореть», как проволочка внутри плавкого предохранителя.

Пример печатной платы усилителя по рис. 3.14 изображен на рис. 3.16. Как видно из схемы, «ось вращения» — конденсаторы С8 и С9: качество усилителя зависит практически только от «правильности» разводки дорожек от этих конденсаторов. Конденсаторы С2 и СЗ в схеме не обязательны: ОУ DA1 нечувствителен к пульсациям напряжения питания, а «земля» общая для обеих микросхем. Кстати, такое (рис. 3.14) подключение мощных транзисторов к ОУ DA2 возможно по этой же причине: он нечувствителен к изменению напряжения пи-

Рис. 3.16. Этапы создания печатной платы усилителя звука тания. Но, так как стабилитроны довольно сильно шумят (а без них не обойтись — напряжение питания усилителя гораздо больше максимально допустимого напряжения для DA1), то для «закорачивания» шумов на общий провод можно поставить конденсаторы. Впрочем, хорошие ОУ (а плохие в этой книге не рассматриваются) отлично работают и без них.

Сопротивления резисторов R4 и R5 выбираются такие (R4 = R5), при которых, при номинальном напряжении питания, через стабилитроны протекает «лишний» ток 1…5 мА. Подобрать резисторы можно таким образом: вначале на основе резистора и стабилитрона собирается простейший стабилизатор напряжения, резистором выставляется ток в цепи, равный 1…5 мА, и измеряется напряжение на стабилитроне. После этого стабилитрон впаивается в схему и сопротивление резистора R4 (R5) уменьшается до тех пор, пока напряжение на стабилитроне не станет равным измеренному и перестанет увеличиваться. Одновременно нужно «настраивать» оба стабилитрона.

Емкость конденсаторов С2 и СЗ может быть в пределах 4,7…100 мкФ; емкость конденсаторов С1 и С4 должна быть такой, чтобы постоянная времени t = RxC (C1-R3, C4-R6; С — в мкФ, R — в МОм) была не менее 0,1. Эти конденсаторы (С 1, С4) должны быть пленочными или керамическими, но не электролитическими. Конденсаторы С5—С7 — стандартные цепи коррекции для К157УД1, и изменять их номиналы нежелательно. Про все остальные элементы уже говорилось выше. Коэффициент усиления по напряжению для DA2 не должен превышать 10…15, напряжение питания — ±25 В.

Несколько сложнее рисовать платы устройств с однополярным напряжением питания. В таких устройствах «образцовым» обычно считается напряжение на одной из шин питания: отрицательной (схема с общим минусом) или положительной (схема с общим плюсом). Все современные устройства собраны по схеме с общим минусом.

Так как большинство ОУ и усилителей на их основе не способны работать с напряжением, близким по величине к напряжению на шине питания, в подобных устройствах обычно формируют «искусственную среднюю точку» с помощью делителя напряжения на резисторах. Для стабилизации образцового напряжения один из резисторов шунтируют конденсатором значительной емкости (постоянная времени τ = 0,5…1,0), в устройствах с общим минусом один из выводов этого конденсатора соединяют с отрицательным выводом источника питания. Емкостное сопротивление такого конденсатора на звуковых и более высоких частотах ничтожно мало, поэтому можно считать, что на таких частотах образцовое напряжение практически неизменно относительного «общего» (минуса). Этот конденсатор необходим из-за того, что через цепи обратной связи микросхем в источник образцового напряжения течет довольно большой переменный ток, постоянная составляющая которого равна нулю; под воздействием этого тока образцовое напряжение «проседать» не должно — для этого и ставят конденсатор.

Обычно многокаскадные усилители с однополярным напряжением питания строятся по схеме, аналогичной изображенной на рис. 3.17, а. Назначение обеих микросхем в этой схеме — то же, что и на рис. 3.15. На элементах Rl, R2, С1 собран источник образцового напряжения — на платах его нужно «рисовать» как можно ближе к самой чувствительной микросхеме.

С выхода микросхемы DA1 сигнал через регулятор громкости поступает на вход микросхемы DA2. И вот тут начинаются проблемы. Дело в том, что при правильной разводке общего провода, в условиях помех на шинах питания (устройство питается от сети переменного тока, и напряжение питания пульсирующее, или к тому же источнику питания подключена другая мощная нагрузка, работающая в импульсном режиме, например, автомобильная система зажигания), амплитуда пульсаций на общем проводе (минусе) первой микросхемы может не совпадать с амплитудой пульсаций (а также и с фазой) на общем проводе второй. К тому же, если вторая микросхема потребляет значительный ток (усилитель мощности), на дорожках, которыми она подключена к источнику питания, может создаваться довольно большое падение напряжения. Поэтому в такой (рис. 3.17, а) схеме усилителя конденсатор С2 ставить ни в коем случае нельзя, а выводы резистора R4 нужно закоротить!

Допустим, что напряжение на общем проводе DA1 относительно шины «+U» пульсирующее, а на общем проводе DA2, относительно той же точки, строго постоянно (обычно бывает наоборот, но так легче объяснять). Тогда и образцовое напряжение из-за влияния конденсатора С1 станет пульсирующим и будет строго повторять форму напряжения на общем проводе DA1, к которому и подключен конденсатор. Напряжение на выходе DA1 также будет пульсирующее относительно общего провода DA1, но будет постоянным (при отсутствии сигнала на входе) относительно образцового напряжения! А принцип действия DA2, как и. любого ОУ — сравнение напряжений на входах; на синхронное из-

Рис. 3.17. Разные схемы монтажа одного и того же усилителя с однополярным питанием менение напряжений на входах он не реагирует. То есть если амплитуда и фаза сигнала на входе DA2 будет совпадать с таковыми у образцового напряжения для этой микросхемы, разность этих напряжений в любой момент времени будет одинаковой, т. е. для DA2 это «постоянный ток». Если же мы поставим конденсатор С2, образцовое напряжение у DA2 станет постоянным (как и напряжение на ее общем проводе) и пульсирующее напряжение на выходе DA1 относительно постоянного образцового будет воспринято DA2 как «переменный ток»; он будет усилен микросхемой, и пульсации напряжения питания DA1 будут слышны в динамиках в виде рокота или гула.

Поэтому конденсатор, фильтрующий образцовое напряжение (С1 на рис. 3.17, а) должен быть единственным на всю схему. Все дорожки должны отходить от точки, в которую впаян положительный вывод этого конденсатора (схемы с общим минусом); «общие» выводы обоих резисторов, включенных на входах ОУ, можно соединить вместе и «провести» к конденсатору одной дорожкой.

Нагрузку микросхемы DA2, если на ней выделяется значительная мощность, нужно включать между ее выходом и той точкой, в которую впаян отрицательный вывод конденсатора С1. Если вы внимательно прочитали два предыдущих абзаца, то сможете сами догадаться, почему только в таком случае амплитуда помех и фона в нагрузке будет минимальной и почему ее нельзя подключать к отрицательному выводу микросхемы DA2. Выход «О В» источника питания нужно подключить непосредственно к конденсатору С1 и уже от него толстой дорожкой — к DA2 и тонкой — к DA1. Провод «+U» можно подключить в любой точке схемы. Если в источнике питания «стоит» только диодный мостик, но нет «электролитов» или если суммарная длина проводов (обоих) между ним и схемой превышает 50 см, электролитический конденсатор значительной емкости (1000 мкФ и более) можно включить на плате так, чтобы его выводы дорожками как можно меньшей длины, но максимальной ширины соединялись с отрицательным выводом конденсатора С1 и той точкой, к которой подключен провод «+U»; а лучше этот провод («+U») подать на конденсатор отдельно и все остальные нагрузки (микросхемы) подключить к «точке» его вывода.

В некоторых случаях источник образцового напряжения целесообразно собрать возле оконечного усилителя (рис. 3.17, б), например, когда отрицательный вывод DA2 соединен непосредственно с корпусом устройства, а нагрузка подключается между его выходом и корпусом. Также такая схема незаменима в тех случаях, когда предварительный усилитель соединяется с оконечным по той либо иной причине очень длинным кабелем. Работает эта схема аналогично рассмотренной выше. Кстати, во многих современных мощных усилителях (DA2) есть внутренний делитель напряжения — «снаружи» подключается только конденсатор (к выходу REF). Этот источник образцового напряжения нужно использовать и для питания всех остальных предварительных усилителей.

Так как в этой схеме первый усилитель (DA1) потребляет небольшой ток, то падение напряжения на его шинах питания можно не учитывать. То есть возле него можно поставить еще один фильтрующий конденсатор, отрицательный вывод которого соединен с таким же выводом DA1. А вот конденсатор, фильтрующий напряжение питания устройства, как и в рассмотренном выше примере, должен быть единственным и подключенным возле DA2. Подключать такой же конденсатор еще и к выводам питания DA1 нельзя — уровень фона возрастет: из-за конденсатора помехи, пришедшие на DA1 по цепям «+U» и «общий», будут суммироваться и влияние этого на выходной сигнал DA1 предсказать будет очень сложно. Вообще, в схемах на ОУ постоянным должно быть только образцовое напряжение — относительно общего провода; а напряжение питания может быть даже очень сильно пульсирующим — на это ОУ «не обращают внимания».

Сложнее всего согласовать отдельные устройства, которые находятся на значительном удалении друг от друга. В таком случае провода сигнала (выход-вход и общий) должны быть отдельны от проводов питания! Особенно это касается устройств с однополярным питанием, в которых в качестве «общего» провода используется шина питания. Не экономьте на проводах — проведите отдельно «общий» сигнала и «общий» питания, несмотря на то что они подключены практически в одно и то же место, только в таком случае на общем проводе сигнала «приемника» (мощного УМЗЧ или любой другой схемы) не будет помех от его же выходных каскадов, которые распространяются по шинам питания.

Примеры согласования отдельных устройств показаны на рис. 3.18: в пункте «а» рассмотрено устройство с общим на обе схемы источником питания, в пункте «б» — источник питания у каждого устройства свой. Источник сигнала на рисунке — ОУ, включенный по однополярной схеме, приемник сигнала — мощный и высококачественный УМЗЧ на микросхеме TDA1519 (или TDA1517).

Рис. 3.18. Согласование отдельных устройств

Выход ОУ через разделительный конденсатор СВШ! подключен непосредственно на вход УМЗЧ. С этим все понятно. Теперь осталось только подключить специальный вход УМЗЧ в ту точку, относительно потенциала которой изменяется напряжение на конденсаторе Свых.

Очевидно, что сигнал на выходе ОУ изменяется относительно той точки, к которой подключены элементы делителя напряжения и цепи ООС (рис. 3.18, а). На этом рисунке дорожки разведены не совсем правильно, поэтому подключать УМЗЧ непосредственно к фильтрующему конденсатору источника сигнала нельзя! Если у вас есть возможность, «нарисуйте» дорожки правильно (провод «вход»; провод от Сд + Ид; провод от Сшс должны подходить «звездой» к отрицательному выводу фильтрующего конденсатора), тогда уровень помех немножко уменьшится, а вход УМЗЧ нужно будет подключить к Сф. Здесь специально допущена эта «ошибка» для того, чтобы показать, как можно «выкрутиться» в таком случае.

У УМЗЧ и прочих приемников сигнала с двухполярным питанием в качестве «общего» используется «нулевой» провод, по которому ток питания не течет. Поэтому проблем с согласованием подобных «приемников» не возникает даже у начинающих радиолюбителей. А вот согласовать однополярные приемники сигнала гораздо сложнее. Конечно, можно сделать это по правилу «звезды», но даже в таком случае идеального согласования добиться очень сложно.

Поэтому у всех современных мощных аналоговых микросхем с однополярным питанием есть специальный рход — «сигнальная земля», или, сокращенно и по-английски, SGND. Входы подобных микросхем собираются по дифференциальной схеме (как у ОУ), один из «входов» — собственно вход микросхемы, а второй вход SGND. Вход SGND должен быть соединен в любом месте схемы с общим проводом (GND), а сама микросхема работает как ОУ — сравнивает отношение сигналов (амплитуд сигналов) на «входе» и на SGND, а результат сравнения «выдает» на выходы. На помехи, присутствующие на входе GND, микросхема не реагирует, а разность потенциалов (эти самые помехи) на входах GND и SGND у некоторых микросхем в рабочем режиме может достигать единиц вольт (но не более 10% от напряжения питания).

Подключение микросхем по входам SGND к источнику сигнала даже проще, чем микросхем с двухполярным напряжением питания. Вход SGND подключается в ту точку, относительно которой изменяется напряжение сигнала, а входы питания «приемника» Ucc и GND можно подключать в любое место; между ними можно поставить фильтрующий конденсатор (т. е. не «можно», а «нужно» — без него микросхема УМЗЧ будет искажать сигнал и даже может самовозбудиться). Для того чтобы уменьшить влияние УМЗЧ на источник сигнала, выводы питания УМЗЧ нужно подключить непосредственно к выводам фильтрующего конденсатора источника сигнала.

Примечания к рис. 3.18, а:

•На рисунке показаны два последовательно соединенных конденсатора СВЬ1Х и Свх. Такие конденсаторы всегда ставят на выходе источника сигнала (чтобы он не перегружал своей постоянной составляющей нагрузку) и на входе приемника сигнала (чтобы он не перегружался постоянной составляющей источника). Один из конденсаторов (лучше Свых) можно убрать.

•Некоторые микросхемы лучше работают, когда конденсатор Cref подключен ко входу SGND, а некоторые — когда ко входу GND. Это связано с особенностями их внутреннего строения, и определить место подключения «земляного» вывода конденсатора можно только экспериментально.

•Стабилизатор образцового напряжения микросхемы УМЗЧ можно использовать и для подпитки ОУ. Но в таком случае провода от конденсатора Cref должны «расходиться» звездой, что не всегда удобно. Кроме того, у многих микросхем напряжение REF слишком маленькое — так, у TDA1519 оно не превышает 3…4 В. Для ОУ этого маловато.

•Емкость конденсаторов Сф должна быть не менее 1000 мкФ. Так как у УМЗЧ есть «свой» фильтрующий конденсатор (он должен располагаться в непосредственной близости от микросхемы — суммарная длина проводов + выводов должна быть менее 5 см), помехи с его шин питания на источник сигнала не проходят.

•Если вы не знаете, какой из входов имеющейся у вас микросхемы — GND, а какой — SGND, отличить их можно следующим образом: во-первых, SGND расположен «внутри» микросхемы ближе ко входам (у TDA1519 — выводы 2 и 1), a GND — ближе к выходам (вывод 5 и выводы 4, 6); во-вторых, падение напряжения (измеряется цифровым мультиметром в режиме проверки р-п-переходов) между выводами Ucc и GND меньше, чем между Ucc и SGND. Подробнее об этом методе говорится в I томе книги.

Согласовать устройства с отдельными источниками питания (рис. 3.18,6) гораздо проще. Если вы внимательно прочитали все вышесказанное, этот рисунок не должен вызвать у вас каких-либо затруднений. Резистор RCND можно убрать, но делать это нежелательно: он нужен для того, чтобы при отключенном источнике сигнала на входе SGND поддерживался уровень со входа GND. Вход SGND у большинства микросхем высокоомный, и если его никуда не подключить, микросхема возбудится, ток потребления резко возрастет (как и у КМОП-цифровых микросхем), и она может перегреться. Это же относится и к схеме на рис. 3.18, а\ сопротивление резистора R^p — 100 Ом (10…200 Ом).

На принципиальных схемах устройств, публикующихся в книгах и журналах, соединения между отдельными элементами показываются те по правилам, а так, как легче нарисовать и как читателю будет проще разобраться в принципе действия всего устройства. Если принципиальные схемы рисовать по монтажным правилам, то на таких схемах линии-дорожек будет гораздо больше, чем деталей, и разобраться в таком «лабиринте» не сможет даже опытный радиолюбитель. Сравните, к примеру, предусилитель на ОУ на рис. 3.14 (не по правилам) с предусилителем на рис. 3.18. Если знать, что означает знак «±», понять рис. 3.14 гораздо проще, а если на рис. 3.18 нарисовать еще пару стабилитронов, то в нем запутался бы и сам автор.

Все вышесказанное нужно учитывать как при создании платы по чужой схеме, так и при рисовании «собственной» принципиальной схемы — своего устройства. Принципиальная схема любого устройства должна быть как можно проще — электроника и так слишком сложна.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 2. Аналоговые устройства. — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. 288 с. — (Серия «СОЛОН — РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ» выпуск 24)

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты