Борьба с паразитными емкостями на печатной плате

Одной из важнейших задач при проектировании высокочастотных и высокоскоростных цифровых схем является борьба с паразитными ёмкостями на печатной плате.

Паразитная ёмкость на печатной плате — это непреднамеренная ёмкость, которая возникает между проводящими частями печатной платы,

разделёнными изолирующим материалом. Это может относиться к ёмкости между дорожками, выводами, компонентами или между дорожкой и плоскостью заземления. Паразитная емкость

препятствует работе схемы, может вызывать перекрёстные наводки, задержки сигналов, искажения фронтов и даже нестабильность работы схемы.

Основные места образования паразитных ёмкостей.

1. Образование между соседними проводниками. Чем ближе дорожки и чем больше их длина, тем выше ёмкостная связь.

2. Образование между слоями печатной платы. Это особенно критично для многослойных печатных плат, где сигнальные слои могут быть расположены близко к плоскостям питания/земли.

3. Образование в компонентах. Выводы микросхем, корпуса, SMD-элементы имеют собственную ёмкость.

4. Образование в разъёмах и переходных отверстиях (via). Особенно частые случаи на высоких частотах.

Методы уменьшения паразитных ёмкостей.

1. Оптимизация трассировки:

– Увеличение расстояния между проводниками. Ёмкость обратно пропорциональна расстоянию.

– Уменьшение длины параллельных участков. Особенно для критичных сигналов (тактовых, аналоговых, дифференциальных пар).

– Использовать защитные дорожки (guard traces) – заземлённые дорожки между чувствительными сигналами снижают ёмкостную связь.

2. Правила расположение слоёв:

– В многослойных печатных платах сигнальные слои должны быть рядом с земляными плоскостями, а не с питанием (если нет экранирования).

– Нужно избегать длинных участков, где сигнальная линия проходит над разрывом в земляной плоскости.

– Используйте микрополосковые (microstrip) и полосковые (stripline) линии для управления импедансом.

3. Выбор материалов печатной платы.

– Выбирайте материалы с низкой диэлектрической проницаемостью (ε) (например, Rogers, Taconic, ФАФ). Они уменьшают паразитную ёмкость.

– Несмотря на то, что тонкие диэлектрические слои между проводниками и плоскостями увеличивают ёмкость, они же снижают индуктивность.

Для определения оптимальной толщины слоя рекомендуется использовать средства

моделирования. При трассировке печатной платы необходимо учесть,

что оказывает большее влияние на сигнал в данном конкретном схемо-техническом решении паразитная емкость или индуктивность.

В расчётах конкретной схемы исходят из того, какая максимальная паразитная емкости допустима, и стараются её уменьшить, но при этом необходимо не

забывать, что возрастает индуктивность. Поэтому важно соблюсти

баланс, чтобы она также не превысила предельного значения.

4. Уменьшение ёмкости компонентов и разъёмов.

– Использовать компоненты с малыми паразитными параметрами (например, чип-резисторы 0402 вместо 0805).

– Для высокочастотных сигналов минимизировать длину выводов и применять корпуса с малыми ёмкостями (например, QFN вместо DIP).

5. Экранирование

– Заземлённые экраны над критичными участками схемы (например, медные "hatch" области на верхнем слое).

– Ферритовые поглотители и shielded кабели для подавления ВЧ-наводок.

6. Моделирование и расчёты

– Использовать SI-анализ (Signal Integrity) в САПР (Altium, Cadence, HyperLynx) для оценки паразитных ёмкостей.

– Рассчитывать ёмкость между проводниками по формуле:

C≈εrA/d

где:

- A – площадь перекрытия проводников,

- d – расстояние между ними,

- εr – диэлектрическая проницаемость материала.

Таким образом, паразитные ёмкости невозможно устранить полностью, но их влияние можно минимизировать грамотной разводкой, выбором материалов

и моделированием. Особенно важно учитывать их в схемах с частотами выше 10 МГц и быстрыми цифровыми сигналами (например, USB, HDMI, DDR).