Предполагаемое время чтения: 10 минут
“Клиппер” — это базовая схема в электронике, часто реализуемая на печатных платах (PCB). Для тех, кто задается вопросом “Что такое печатная плата?“Это основа современной электроники, служащая платформой для монтажа и соединения электронных компонентов. Название клиппера описывает его основную функцию: он “обрезает” или “ограничивает” электрический сигнал. Представьте себе волновую форму, нарисованную на бумаге. Эта волна имеет пики (высокие части) и впадины (низкие части). Теперь представьте, что вы используете ножницы, чтобы разрезать эту волну по горизонтали в верхней части. Все части волны, которые находились выше разреза, теперь удалены. Верхняя часть волны теперь плоская. Это и есть точная функция схемы ограничителя на печатной плате. Она удаляет часть сигнала, которая находится выше определенного напряжения.
Клипперная схема, разработанная и интегрированная в макет печатной платы с помощью программного обеспечения для проектирования печатных плат, такого как Altium Designer, также может удалять нижнюю часть сигнала. Вы можете обрезать нижнюю часть бумажной волны, сделав ее плоской. Клиппер делает это для сигналов, которые опускаются ниже определенного напряжения. Таким образом, клиппер — это электронная схема, которая часто встречается в индивидуальные проекты печатных плат. Он удаляет или ограничивает части входного сигнала. При этом он не искажает оставшуюся часть сигнала. Мы можем использовать клипперы для удаления положительной части сигнала, а также для удаления отрицательной части сигнала. Мы также можем использовать клипперы для удаления как положительной, так и отрицательной частей.
Мы рассмотрим, как они устроены, какие компоненты в них используются и почему они так важны в электронике.
Цель схем Clipper
Сначала мы должны спросить почему мы хотели бы удалить части сигнала в проекте печатной платы. Это действие кажется разрушительным. Но эта функция имеет решающее значение для двух основных целей в проектировании печатных плат.
Защита цепи является основной и наиболее важной функцией. Цепи ограничителей используются для защиты чувствительных электронных компонентов на печатной плате. Многие детали, такие как транзисторы и микропроцессоры, имеют максимальное номинальное напряжение. Они будут разрушены или непоправимо повреждены, если напряжение, подаваемое на них, превысит это номинальное значение. В реальном мире производства печатных плат сигналы не всегда безупречны. В цепи может произойти резкое повышение напряжения. Это называется “переходным процессом” или “скачком напряжения”. Причиной такого скачка может быть включение или выключение большого двигателя или удар молнии поблизости.
На печатной плате может возникнуть этот скачок напряжения. Если он попадет на чувствительный компонент, то разрушит его. Эта деликатная деталь расположена перед схемой ограничителя на макете платы. Она служит в качестве защиты. Максимальное безопасное напряжение, или “уровень ограничения”, является настройкой, на которую установлен ограничитель. Схема ограничителя не выполняет никаких действий, и сигнал проходит без изменений, когда сигнал нормальный (ниже безопасного напряжения).
Однако схема ограничителя срабатывает при возникновении значительного скачка напряжения (выше безопасного напряжения). Скачок “ограничивается” ею. Все, что превышает безопасный уровень, отсекается путем ограничения напряжения. Теперь сигнал имеет “плоскую вершину”, когда достигает чувствительного компонента. Компонент защищен, поскольку никогда не превышает безопасное напряжение. Чтобы сохранить оборудование, схема ограничителя отказывается от части сигнала. В основах печатных плат мы называем это “защитой от перенапряжения”.
Формирование формы сигнала является второй целью при проектировании печатных плат. Это делается с целью намеренного изменения формы сигнала, а не для защиты. Так мы создаем новые сигналы на печатной плате. “Синусоидальная волна”, представляющая собой непрерывную, скругленную, плавную волну, является наиболее распространенным типом электрического сигнала. Однако синусоидальные волны не используются в цифровой электронике, такой как компьютеры и их печатные платы. Мы используем “прямоугольные волны”. Верхняя и нижняя части прямоугольной волны являются плоскими. “Высокий” уровень (например, 5 вольт) и “низкий” уровень (например, 0 вольт) резко переключаются. В цифровой логике на печатной плате это означает “1” и “0”.”
В оптимальной конструкции печатной платы для получения прямоугольного сигнала можно использовать схему ограничителя. Начнем с большой синусоидальной волны. Верхняя часть становится плоской после того, как мы отрезаем положительный пик с помощью ограничителя. Нижняя часть становится плоской после того, как мы удаляем отрицательный минимум с помощью второго ограничителя. На этом этапе синусоидальная волна “сдавливается”. По внешнему виду она напоминает прямоугольную волну. Другие области применения этой техники в сборке печатных плат включают педали “дисторшн” для электрогитар. Пики сигнала гитары обрезаются схемой клиппера в этих педалях. “Размытый” или “тяжелый” звук рок-музыки создается за счет “сглаживания” волны, которое добавляет новые частоты.
Математическая формула для самой формы волны (синус / квадрат)
Математическое выражение для генерации прямоугольного сигнала путем ограничения
Формула синусоидальной волны
Стандартная синусоидальная волна:
x(t) = A · sin(2πft + φ)Квадратная волна (ряд Фурье)
Квадратная волна представлена нечетными гармониками:
квадрат(t) = (4/π) Σ (1/n) · sin(2πnft), n = 1,3,5…Схема клиппера (симметричное ограничение)
Ограничение ограничивает форму волны на уровне ±Vc:
y(t) = { +Vc, x(t) > +Vc x(t), -Vc ≤ x(t) ≤ +Vc -Vc, x(t) < -Vc }
Как работают клипперы: основные компоненты
Диод и резистор — это единственные две детали, используемые в самых простых и широко распространенных схемах клиппера на прототипе печатной платы. Одна из пассивных деталей — резистор. Его назначение — ограничивать ток. В сочетании с диодом он генерирует соответствующее выходное напряжение.
Ключевым элементом в конструкции печатной платы является диод. Именно он выполняет функцию "ограничения". Одним из типов полупроводниковых устройств является диод. Его наиболее важной характеристикой является способность функционировать как односторонний электрический клапан. "Легкое" направление — это единственное направление, в котором ток может проходить через диод. Однако диод препятствует прохождению тока в "трудном" направлении.
Мы используем это одностороннее поведение в компоновке печатных плат. "Переменный ток" (AC) — это входной сигнал, например синусоидальная волна. Это означает, что напряжение меняется от положительного к отрицательному и обратно к положительному. После движения в одном направлении ток поворачивает и движется в противоположном направлении. Одно направление потока будет "разрешено" диодом схемы, а другое направление будет "блокировано". Диод устраняет часть волны, блокируя ее. Это и есть действие клиппирования.
Чтобы понять, как работают клипперы в дизайне печатных плат, сначала нужно разобраться с понятиями "идеальный" и "реальный" диод. Идеальный диод — это совершенный переключатель. Когда сигнал проходит "легким" путем, диод включается и действует как идеальный провод ("замкнутый переключатель"). На нем нет напряжения. Когда сигнал проходит "сложным" путем, диод отключается и действует как обрыв проводника ("открытый переключатель"), останавливая любой ток.
Настоящий диод, как 1N4001, не идеален. Для его включения требуется небольшой "толчок". Этот толчок представляет собой небольшое напряжение, называемое "прямым падением напряжения". Для кремниевого диода (наиболее распространенного типа) это напряжение составляет около 0,7 вольта. Реальный кремниевый диод включается только тогда, когда напряжение "легкого" пути превышает 0,7 вольта. Когда он включен, на нем наблюдается падение напряжения 0,7 вольта. Это означает, что он ограничивает напряжение на уровне 0,7 вольта, а не 0 вольт. Это небольшая, но важная деталь. В остальной части этой статьи мы будем в основном обсуждать идеальные ограничители, чтобы упростить логику, но отметим, как реальные диоды меняют результат.
Классификация схем Clipper
Мы можем создавать множество различных клиперов в макете печатной платы. Мы классифицируем их по двум основным критериям. Первый — это конфигурация компонентов, что является как диод размещается в цепи (либо в серия с выходом или в шунт / параллельно с выходом). Второй — действие обрезки, что является какая часть сигнала удаляется (a положительный клипер, а отрицательный клипер или предвзятый клипер).
Мы можем объединить эти названия, чтобы получить четыре основных "беспристрастных" типа клипперов в дизайне печатных плат.
Серия Clippers
В серийном клипере диод размещается на основном пути схемы печатной платы. Сигнал должен проходит через диод, чтобы попасть на выход.
A клиппер положительной серии предназначен для удалить положительная половина сигнала. Он создается путем последовательного соединения диода, но с символом "стрелки", указывающим в сторону назад к источнику сигнала на печатной плате. Во время положительной половины волны сигнал пытается проталкивать ток против стрелка диода. Это "жесткое" направление (обратное смещение), поэтому идеальный диод действует как открытый переключатель. Ток не может протекать, а выходное напряжение равно нулю. Положительная половина "обрезается". Затем, во время отрицательной половины волны, сигнал тянет ток. с стрелка диода. Это "легкое" направление (прямое смещение). Идеальный диод действует как замкнутый переключатель, и сигнал проходит непосредственно на выход. В результате удаляется вся положительная половина, и остается только отрицательная половина.
A клиппер отрицательной серии делает противоположное в дизайне печатных плат. Его цель состоит в том, чтобы удалить отрицательную половину сигнала. Это достигается путем последовательного соединения диода, но с "стрелкой", направленной прочь из источника и в сторону выход. Во время положительной половины сигнал проталкивает ток с стрелка (прямое смещение). Идеальный диод действует как замкнутый переключатель, и сигнал проходит на выход. Затем, во время отрицательной половины, сигнал пытается вытянуть ток против стрелка (обратное смещение). Диод действует как открытый переключатель, ток не протекает, а выходное напряжение равно нулю. В результате отрицательная половина удаляется, и остается только положительная половина. Эта конкретная схема также называется "полуволновым выпрямителем" в процессе производства печатных плат.
Разработчики печатных плат часто используют файлы Gerber для передачи макета печатной платы производителям печатных плат. Эти файлы Gerber содержат информацию о медных дорожках, паяльной маске и других важных элементах конструкции печатной платы. При создании схемы клиппера очень важно убедиться, что формат файла Gerber точно отражает расположение компонентов, особенно диодов и резисторов, составляющих схему клиппера.
В процессе изготовления печатных плат размещение этих компонентов имеет решающее значение. Медные дорожки, соединяющие диод и резистор, должны быть точно размещены, чтобы обеспечить работу клипера в соответствии с назначением. Слой паяльной маски в файлах Gerber помогает защитить эти чувствительные электрические соединения от воздействия факторов окружающей среды и возможных коротких замыканий в процессе сборки.
Для прототипов печатных плат разработчики могут использовать различные программные инструменты для создания и моделирования этих схем клиппера перед переходом к производству. Это позволяет тестировать и дорабатывать конструкцию, гарантируя, что схема клиппера эффективно выполняет свою функцию в более крупном электронном устройстве.
Продолжая исследовать тонкости схем ограничителей в проектировании печатных плат, важно помнить, что эти фундаментальные компоненты играют решающую роль во многих электронных устройствах, которые мы используем ежедневно. От защиты чувствительных компонентов до формирования форм волн для цифровых сигналов, схемы ограничителей являются неотъемлемой частью современного проектирования печатных плат и электронной инженерии.
При проектировании высокоскоростных печатных плат или RF печатные платы, схемы клиппера могут играть решающую роль в обеспечении целостности и защиты сигнала. Ширина дорожек и материалы печатных плат, используемые в этих конструкциях, являются критическими факторами, влияющими на производительность схем клиппера. Производители печатных плат часто используют передовые технологии, такие как микроперемычки и погруженные перемычки, для оптимизации компоновки этих высокопроизводительных плат.
В процессе сборки печатных плат размещение компонентов со сквозными отверстиями и устройств для поверхностного монтажа имеет решающее значение для правильного функционирования схем клипера. Для точного позиционирования этих электронных компонентов на печатной плате используются машины для подбора и размещения. Затем наносится паяльная паста, и плата проходит процесс переплавки для создания надежных электрических соединений.
Контроль качества является неотъемлемой частью производства печатных плат. Визуальный осмотр и электрические испытания проводятся для обеспечения правильной работы схем клиппера и других компонентов. На этапе проектирования печатных плат также проводятся проверки правил проектирования (DRC) для предотвращения потенциальных проблем при производстве.
Заключение
Схемы клиппера являются фундаментальным аспектом проектирования печатных плат, играя важную роль в формировании сигнала и защите схемы. По мере развития технологии печатных плат важность понимания и эффективного внедрения этих схем будет только расти. Независимо от того, работаете ли вы над простым прототипом печатной платы или сложной многослойной печатной платой, освоение использования схем клиппера является необходимым условием для успешного проектирования электроники.
