Как снизить паразитные емкости в сборках печатных плат

Паразитная емкость или конструктивная емкость являются результатом появления виртуального конденсатора между двумя дорожками, разделенными диэлектриком (рис 1). Этот эффект возникает из-за разности потенциалов, которая образуется в случае, когда токоведущие дорожки проходят в непосредственной близости друг от друга.

Следует учитывать, что такая ситуация наблюдается даже при наличии у проводников соответствующей изоляции. Избежать образования паразитной емкости почти невозможно, поскольку ни одна электрическая цепь не является идеальной, но можно уменьшить ее величину.

Паразитная емкость является собственным свойством проводников. Ее величина вычисляется по формуле:

где С — емкость, Ф; v — напряжение, В; q — заряд, Кл (рис. 2).

В случае постоянного электрического сигнала, который не меняется во времени, dv/dt = 0, что означает отсутствие изменения потенциала; следовательно, i = 0. Если в контуре имеется конденсатор, dv/dt стремится к фиксированному значению, то есть к изменению потенциала, что приводит к протеканию тока. Следовательно, i ≠ 0.

Расчет емкости проводящих дорожек

Емкость плоского конденсатора С в единицах пФ определяется выражением:

где е_г — относительная диэлектрическая проницаемость материала платы; S — площадь пластины, см²; d — расстояние между пластинами.

Эффект паразитной емкости

При работе на низких частотах паразитными элементами можно пренебречь, так как они не влияют на функциональность системы. Однако для высокочастотных печатных плат образование паразитной емкости является большой проблемой. Каждая контактная площадка на печатной плате имеет свою паразитную емкость, каждая дорожка — паразитную индуктивность (рис. 3).
 

Контактные площадки также добавляют свое паразитное сопротивление, которое становится причиной возникновения потерь на сопротивление. Этот паразитный ффект может возникать между проводниками и на пустых несмонтированных платах, и в сборках плат, и даже внутри корпусов компонентов, особенно в компонентах для поверхностного монтажа (SMD).

Поскольку собственные пластины конденсатора имеют разность потенциалов, существует вероятность протекания через них тока. Неважно, накапливаются ли заряды между обкладками конденсатора; ток не потечет, пока не появится разность потенциалов. При ее увеличении соответственно уменьшается поток электронов по заданному тракту прохождения сигнала к нагрузке. Это отрицательно влияет на его целостность.

Различие между конструктивной и паразитной емкостями

Термин «конструктивная емкость» (stray capacitance) часто используется как синоним паразитной емкости (parasitic capacitance). Однако термин «паразитная емкость» обозначает то, что ее наличие препятствует работе схемы, тогда как словосочетание «конструктивная емкость» объясняет, как именно вводится нежелательная емкость.

Конструктивная емкость

Конструктивная емкость не всегда возникает из-за виртуальнойемкости, образованной между двумя проводниками печатной платы. На ее появление влияет также окружающая среда и конструкция платы.

Паразитное сопротивление в печатной плате

Паразитное сопротивление представляет собой последовательное сопротивление проводников тракта или параллельное сопротивление (шунт) между проводящими элементами.

Паразитная индуктивность в печатной плате

Паразитная индуктивность также возникает по длине проводящей дорожки; при этом электрическая энергия может накапливаться и рассеиваться, как в дросселе. Все проводники имеют собственную индуктивность, но на высоких частотах следует учитывать индуктивность даже относительно коротких отрезков провода или дорожек печатной платы.

где R — радиус провода, a L — его длина.

Индуктивность дорожки печатной платы

Индуктивность дорожки (трассы) растет с увеличением ее длины в отсутствие слоя заземления:
 

где W — ширина дорожки; L — ее длина; Н — толщина. Например, паразитная индуктивность дорожки длиной 2,54 см на неинвертирующем входе высокоскоростного операционного усилителя равна 29 нГн.И этого достаточно, чтобы инициировать низкоуровневые колебания (рис. 4).

Паразитную индуктивность можно уменьшить с помощью заземляющего слоя.

Причина образования паразитной емкости

На высоких частотах на протекание тока в печатной плате влияет паразитная емкость, так как работа конденсаторов с ростом частоты становится похожей на поведение проводника:

Конденсатор функционирует как резистор с очень малым номиналом (близким к короткому замыканию), что приводит к увеличению протекаютнего по линии тока. На высоких частотах паразитная емкость может вызвать большие проблемы, поскольку на бесконечной частоте конденсатор работает как провод. Следовательно, он может случайно соединить опорную плоскость любой печатной платы с корпусом. Из-за паразитной емкости могут возникать перекрестные помехи и шумы, нежелательная обратная связь с выхода и формироваться резонансные контуры. Необходимо учитывать общую конструкцию печатной платы и ее топологию. Хорошая компоновка требует особой осторожности при размещении проводящих элементов рядом друг с другом.

К паразитным элементам относятся индуктивности, образованные выводами корпуса, длинными дорожками, контактными площадками, а также взаимодействием контактных площадок с конденсаторами контактной площадки, переходными отверстиями и т. д. Паразитные элементы следует считать угрозой для функциональной работы схемы. Они нежелательны, неизбежны, но контролируемы. В качестве примера рассмотрим типичную схему неинвертирующего операционного усилителя (рис. 5а). На рис. 5б показана паразитная емкость на его инвертирующем входе.

В высокоскоростных схемах достаточно нескольких десятых пФ, чтобы повлиять на характеристики и функциональность схемы. Например, паразитная емкость величиной в 1 пФ на инвертирующем входе может вызвать в частотной области 2-дБ пики. Если же паразитная емкость превышает 1 пФ, то это может вызвать нестабильность и колебания сигнала.
Переходные отверстия также имеют свойство работать как паразитные элементы, становясь причиной возникновения паразитной емкости или паразитной индуктивности (рис. 6).

Паразитная индуктивность переходного отверстия в нГн определяется выражением:

где Т — толщина диэлектрика; d — диаметр отверстия, см. Паразитная емкость переходного отверстия в пФ определяется выражением:
 

где е_г — относительная проницаемость материала платы; Т — ее толщина; D, — диаметр площадки, окружающей переходное отверстие; D₂ — диаметр зазора в заземляющей плоскости.

Заметим, что индуктивность переходных отверстий в сочетании с паразитной емкостью может образовать резонансные цепи. Собственная индуктивность переходного отверстия настолько мала, то эти резонансы находятся в гигагерцевом диапазоне. Однако индуктивность растет из-за последовательного подключения одного переходного отверстия к другому, что снижает резонансную частоту всего контура. Следовательно, нельзя размещать несколько переходных отверстий на критической трассе высокоскоростной цепи.

Другая проблема в том, что переходные отверстия являются физическими отверстиями в заземляющих плоскостях, и их некорректное расположение может привести к образованию контуров заземления. Во избежание этого в случае аналоговой разводки рекомендуется прокладывать все сигнальные дорожки на верхнем слое платы.

Уменьшение паразитной емкости в трассировке

В электронных схемах конденсаторы блокируют низкочастотные сигналы и сигналы постоянного тока, но пропускают высокочастотные сигналы. Это свойство конденсаторов является причиной возникновения паразитной емкости в высокоскоростных цепях. Кроме того, паразитная емкость может вызвать электромагнитные помехи или шум, которые распространяются по проводам и кабелям или передаются на соседние дорожки. Как правило, устранить такую паразитную емкость невозможно. Тем не менее существуют эффективные способы уменьшить ее на этапе разводки печатной платы.

Рекомендуется следующее:

• Избегать параллельной маршрутизации. Поскольку между двумя проводниками при параллельной разводке величина площади максимальна, между ними появляется максимальная емкость.
• Обеспечить изоляцию канавками (путем удаления заземляющих слоев). Плоскости питания, считающиеся заземлением переменного тока, ведут себя в точности, как земля. Следовательно, слои питания так же необходимо удалить, как и слои заземления вблизи проводника. Эта техника называется изоляцией канавками (moating).
• Использовать экран Фарадея или защитное кольцо. Экран Фарадея действует как экранирующая пластина, которая помещается между двумя дорожками для минимизации емкостных эффектов.
• Увеличить расстояния между соседними дорожками. Емкость уменьшается с расстоянием между проводниками. Зазор должен в 2-3 раза превышать ширину проводника.
• Избегать чрезмерного использования переходных отверстий. Слишком большое количество переходных отверстий может увеличить емкость. Чтобы сократить влияние металлизированных отверстий, следует уменьшить контактные ободки вокруг переходных отверстий на слоях, где нет связей. Таким образом минимизируется количество переходных отверстий, например, от BGAкомпонентов.
• Тщательно разделять компоненты. Тщ ательное разделение компонентов и проводов, предохранительных колец, плоскостей питания, плоскостей заземления, экранирования между выходом и входом, а также правильное согласование линий передач позволяют уменьшить паразитную емкость.
• Использовать диэлектрический материал с низкой диэлектрической проницаемостью. При неизменных значениях остальных параметров более высокая диэлектрическая проницаемость материала увеличивает паразитную емкость.
• Располагать сигнальный слой между двумя заземляющими плоскостями или между заземляющей плоскостью и плоскостью питания. Например, на 4-слойной плате можно разместить слой питания внизу и проложить отдельные критичные дорожки между слоями питания и заземления. Это предотвратит проникновение электромагнитных помех от сигналов в одном слое в другой сигнальный слой.
• Определять оптимальную толщину слоя. Более тонкие слои уменьшают площадь контура и паразитную индуктивность, но увеличивают паразитную емкость. Для  определения оптимальной толщины слоя рекомендуется использовать средства моделирования.
• Согласовывать импеданс. В высокоскоростных цифровых печатных платах передача данных осуществляется через несколько линий со скоростью в десятки Гбит/с, что приводит к рассогласованию импедансов из-за паразитной емкости и индуктивности. Любое рассогласование, вызванное паразитными помехами, влечет за собой возникновение отражений в линии. В конечном итоге возрастают временной джиттер и коэффициент ошибок в битах. Импеданс должен быть согласован по всем сигнальным линиям, по которым передаются высокоскоростные данные.

Измерение паразитной емкости методом TDR

Какой смысл использовать рефлектометр временной области (TDR) для оценки индуктивности или емкости, если можно воспользоваться измерителями индуктивности, емкости и сопротивления (LCR-метрами) с отличным разрешением? Дело в том, что TDR-рефлектометр осуществляет измерения параметров не отдельных, а физически включенных в схему устройств и линий передачи, позволяя учесть влияние на них окружения. Давайте посмотрим на конкретном примере, как TDR-рефлектометр измеряет величины, которые трудно оценить с помощью LCR-метра (рис. 7).