Шумные сигналы с двухслойной печатной платой. Что не так с моей конструкцией?

Назначение выводов транзистора 2SA105 неправильное :

• Квадратная контактная площадка печатной платы, контакт 1, является основанием на печатной плате и схеме, когда база является контактом 3 на транзисторе.
• Центральная (и, неправильно, смещенная) контактная площадка печатной платы, контакт 2, является эмиттером на печатной плате и схеме, когда эмиттер является контактом 1 на транзисторе.
• Другая контактная площадка печатной платы, контакт 3, является коллектором на печатной плате и схематически, когда коллектор является контактом 2 (в центре) на транзисторе.
  

Следовательно, с этой печатной платой, предполагая, что транзистор установлен на той же стороне, что и 74HC04 (то есть, напротив TCD1304AD), необходимо

• немного сместите центральный вывод транзистора в сторону, противоположную плоскости;
• вставьте транзистор таким центральным контактом, который находится дальше всего от квадратного отверстия на печатной плате, и поверните его так, чтобы другие контакты подходили не слишком неестественно;
• перепроверьте перед пайкой.

Я, конечно, не могу сказать, как обстоят дела на прототипе. Но если бы транзистор был установлен неправильно, буфер эмиттерного повторителя на выходе ПЗС-матрицы не работал бы должным образом, и (в зависимости от того, каким из 5 неправильных способов монтажа транзистора) это могло бы помешать работе или ужасно размыть результат.

Как отмечают другие: существующие развязывающие конденсаторы C2 C3 C4 плохо разведены. А маршрутизация Vcc излишне длинная, что способствует плохой развязке. Это моя далекая вторая гипотеза в причине наблюдаемой проблемы.

Нагло игнорируется золотое правило развязывающих конденсаторов: площадь контура, длина и (в меньшей степени, за исключением мощных приложений) сопротивление контура, образованного развязываемой ими ИС, должны быть минимизированы .

Кроме того, было бы немного сложно установить их все на одной стороне: 10 мкФ находится в тесноте.

С этой печатной платой следует установить развязывающие конденсаторы непосредственно напротив того, что они развязывают , особенно конденсатор емкостью 10 мкФ между контактами 1 и 2 (+) и 22 (-) TCD1304AD (со стороны пайки, которая также является стороной компонентов, по крайней мере, 74HC04); и 0,1 мкФ на контактах 7 и 14 микросхемы 74HC04. Можно (возможно, лучше) не удалять существующие развязывающие конденсаторы, если они уже припаяны.

Я бы добавил конденсатор на нерегулируемый вход питания 5В , возможно, 1 мкФ танталовый. Такой конденсатор показан на схеме применения регулятора со ссылкой на техническое описание LT1761 :

На этом выводе требуется обходной конденсатор, если устройство находится на расстоянии более шести дюймов от конденсатора основного входного фильтра. Как правило, выходное сопротивление батареи увеличивается с частотой, поэтому в цепи с батарейным питанием рекомендуется включать шунтирующий конденсатор.

Распиновка LT1761-BYP мне кажется нормальной (она находится на стороне, противоположной виду, как и 74HC04, и некоторые желтые пиксели прерывают зеленые дорожки). Целевое напряжение Vcc 4 В является разумным и может быть достигнуто при напряжении +5 В с допуском -10%.

Как отмечают другие: относительное расположение ПЗС, буферного транзистора и разъема не идеально. Если позволяют механические ограничения, было бы лучше поместить транзистор (и соответствующие резисторы) между ними, как на логической схеме. Впрочем, речь здесь не идет об очень высоких частотах, и дела обстоят не катастрофично.

Назначение контактов разъема различается на схеме и на печатной плате.

Земля - ​​контакт 5 печатной платы, контакт 1 на схеме. Распиновка печатной платы является лучшей, потому что она имеет тенденцию использовать землю в качестве экрана аналогового выхода от влияния цифровых сигналов.

Опыт (и, что удивительно, в основном личный или, по крайней мере, близкий) учит, что

• тщательная синхронизация схемы и печатной платы занимает считанные минуты, но экономит недели и огромные деньги;
• наличие схемы и дизайна печатной платы, проверенной другими перед тем, как приступить к работе; но не так хорошо, как после возникновения проблем.

Могу представить схему регулятора LT1761 в сборе с рекомендуемыми конденсаторами на входах и выходах: -

На вашей печатной плате я вижу только конденсатор на 10 нФ. Я также не вижу посадочного места устройства, соответствующего посадочному месту, показанному в таблице данных, но я могу ошибаться в этом. Глядя на схему, которую вы связали ....

Попробуйте и научитесь использовать переходные отверстия и избегайте трассировки на наземном слое. Подумайте об этом, например: -

Затопление грунта будет намного лучше, если немного подумать о проблеме. Сделайте ваши линии питания (оранжевые) намного толще И подумайте о том, как они прокладываются - посмотрите, как ваши бессмысленно разветвляются вокруг конденсатора 10 нФ!

Как уже упоминалось в комментариях, ваша развязка/распределение мощности отвратительна.

Переместите регулятор на верхнюю часть платы. Ближайшими компонентами к CCD Vcc должны быть развязывающие конденсаторы (по крайней мере, 10 мкФ, показанные на рисунке Andy aka, и 0,1 тоже не помешают). След питания должен быть намного шире — 0,1 дюйма было бы хорошей отправной точкой, а соединение от развязывающих колпачков до ПЗС должно быть настолько коротким, насколько это возможно.

Кроме того, хорошей практикой является еще 0,1 мкФ на Vcc инвертора.

На вашем месте я бы также повернул ваш разъем ввода-вывода на 90 градусов, с цифровым выводом слева и выходным контактом справа.

Для высоких частот и логических фронтов в этом контексте определенно учитывается худшее, что вы можете сделать, — это разместить колпачки далеко от точки использования. Индуктивность и сопротивление дорожки являются большими проблемами, и ответ на оба вопроса краток и широк.

Помимо развязывающего конденсатора, я бы попытался найти лучший маршрут для сигнала АЦП, он очень близок к высокочастотным линиям 4 МГц и 200 кГц, что может вызвать некоторый шум в вашем сигнале АЦП.

Я думаю, что ваша схема (то, что я удосужился ее расшифровать) в порядке, но развязывающие колпачки ОЧЕНЬ далеко от контакта CCD Vcc и изгибаются через соединения инвертора.

Прикрепите пару свинцовых колпачков MLCC 1 мкФ на нижнюю часть, соединяющую Vcc и GND инвертора и CCD (по одному на каждый), и посмотрите, работает ли он лучше.

И в следующий раз выкладывайте колпачки как можно ближе к выводам питания. Лучше всего сначала проложить силовые соединения, а затем сигнальные.

Я озадачен тем, что вы не нашли время, чтобы посмотреть на схему печатной платы в zip-файле, где вы нашли схему . Возможно, он не идеален, но многие из уже полученных вами предложений учтены в этом макете.

Как уже отмечал fgrieu, транзистор в корпусе TO-92 имеет другую цоколевку, чем на схеме (которая предназначена для SOT23-версии транзистора), и вы должны добавить конденсатор 1 мкФ между Vcc и GND перед LDO ( это добавлено в последнюю ревизию (C5 на изображении ниже), которая еще не опубликована, потому что я только вчера получил новые платы с завода):

Наконец, я должен упомянуть, что большая часть шума, который вы видите, связана с соединением между платой tcd1304 и платой stm32. Я связался с человеком в Швейцарии, который изготовил плату TCD1304 в качестве «экрана» для платы nucleo, и значительно уменьшенная длина провода значительно уменьшила шум.

ps Надеюсь, вы не забудете правильно указать источник схемы и/или прошивки для stm32 в своей диссертации.