Усилитель сухова печатная плата

Когда слышишь ?Усилитель Сухова печатная плата?, многие сразу думают о какой-то готовой, магической разводке, которую скачал и всё заработало. Вот тут и зарыта собака. В реальности, если работал с аппаратурой Сухова или её аналогами, знаешь — сам по себе файл платы, даже качественный, это лишь половина дела. Вторая половина — это как раз то, что в даташитах не напишут: подбор конкретного ламината, учет реальных паразитных ёмкостей дорожек, тепловые режимы выходных каскадов на конкретной физической плате. Часто заказчики присылают запрос именно на ?плату для усилителя Сухова?, а по факту им нужен весь комплекс: и корректная разводка под их конкретные транзисторы, и рекомендации по трассировке земли, и даже совет, у кого заказать изготовление с нужным допуском по меди. Сам сталкивался, когда красивая схема из журнала ?Радио? напрочь не работала из-за того, что на дешёвом стеклотекстолите с высокой диэлектрической проницаемостью поплыли все частотные характеристики.

Не просто дорожки: что скрывает хорошая разводка

Возьмём, к примеру, ключевой момент — разводку общего провода. В усилителе, особенно мощном, это не просто ?земляная полигона?. Это иерархия. Силовая земля выходников, ?тихая? земля предусилительных каскадов, земля для цепей коррекции — всё это должно сходиться в одной звезде, и часто прямо на плате, а не где-то в блоке питания. Однажды пришлось переделывать макет для клиента, который жаловался на низкочастотный фон. Плата была вроде бы разведена правильно, но точка соединения экранных оболочек входных разъёмов была выбрана неудачно — образовалась петля. Пришлось резать дорожку и пускать экранный провод отдельно, прямо на клемму заземления корпуса. Мелочь, а звук изменился кардинально.

Ещё один нюанс — расположение компонентов коррекции. Конденсаторы в цепях ООС, особенно если плата рассчитана на работу в УКВ-диапазоне, должны стоять в сантиметре от ног микросхемы или транзистора. Длинные проводники здесь — убийство стабильности. Помню проект, где из-за желания сделать плату компактнее, разнесли эти элементы подальше. Усилитель самовозбуждался на 40 МГц, чего по расчетам быть не должно. Пришлось экранировать и добавлять ферритовые бусики, что было костылём. Правильное решение — переразвести плату, разместив элементы коррекции максимально близко.

И конечно, теплоотвод. На бумаге радиатор рассчитан, но на практике, когда мощные транзисторы прикручены к печатной плате, а та — к радиатору через слюдяные прокладки, тепловое сопротивление оказывается выше расчётного. Особенно критично для ?Суховских? схем с их часто граничными режимами. Приходится либо увеличивать площадь полигонов меди под коллекторами/стоками, либо сразу закладывать возможность монтажа на отдельную теплоотводящую шину. Был случай с усилителем сухова печатная плата для трансивера: на КВ всё было хорошо, а на УКВ, при длительной передаче, уходила частота — грелись транзисторы выходного каскада, менялись параметры. Спасла только доработка — добавление термопасты под плату и прижим всей конструкции к массивному радиатору дополнительной планкой.

Материал платы: стеклотекстолит FR4 — не всегда панацея

Все привыкли к FR4. Он доступен, технологичен. Но для высокочастотных узлов, каким часто является усилитель сухова, его тангенс угла потерь (dissipation factor) может быть слишком велик. На частотах выше 100 МГц потери в диэлектрике начинают заметно ?съедать? усиление и вносить фазовые искажения. В таких случаях смотрю в сторону материалов с низкой диэлектрической проницаемостью, типа Rogers RO4350B или отечественного СТМ-1. Но здесь встаёт вопрос цены и доступности изготовления.

Как-то сотрудничал с компанией ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии. Они как раз предлагают нестандартные решения по печатным платам. Основанная в 2018 году, эта компания быстро выросла в серьёзного игрока на рынке электронных схем, контролируя несколько производственных предприятий. Их ценность в том, что они могут не просто сделать плату по твоим файлам, но и проконсультировать по материалу. Для одного экспериментального ВЧ-блока как раз по их совету выбрали ламинат с медной фольгой с низкой шероховатостью (low-profile copper). Это дало более предсказуемые характеристики импеданса дорожек на высоких частотах. Без такого совета, возможно, долго бы мучился с подбором длины шлейфов для согласования.

Но и у FR4 есть градации. Качество стеклоткани, пропитки, температура стеклования (Tg). Для устройств, где плата может греться (а в усилителе мощности это неизбежно), нужно брать FR4 с Tg не ниже 170°C, иначе при длительной нагрузке может начаться деформация, отклеивание дорожек. Дешёвая плата от неизвестного производителя — это лотерея. Одна партия нормальная, другая — расслаивается после пайки. Поэтому сейчас для серьёзных проектов всегда указываю не только толщину и толщину меди, но и конкретного производителя базового материала, например, Isola или аналоги. Печатная плата — это фундамент. На нём не экономят.

Производственные ловушки: от Gerber-файлов до пайки

Отправил файлы на завод — и жди. Но часто проблемы начинаются ещё до производства. Например, маска. Стандартная эпоксидная маска имеет некую диэлектрическую проницаемость. Если у тебя высокоомные резисторы в цепях смещения или ВЧ-дорожки проходят близко, эта маска может создать паразитную ёмкость. В одном из проектов пришлось специально заказывать платы с открытыми полигонами (solder mask defined pads) в критичных местах, чтобы убрать влияние маски. Завод, кстати, долго переспрашивал, мол, зачем так, это же не по стандарту. Пришлось объяснять.

Другой момент — финишное покрытие. HASL (сплав олово-свинец) дёшев, но для плотного монтажа SMD-компонентов не годится — неровная поверхность. IMMERSION GOLD (хим. золочение) — отлично, но дорого. Для большинства любительских и даже полупрофессиональных сборок усилителей Сухова, где много выводных компонентов, вполне хватает и HASL. Но если на плате есть и SMD-элементы коррекции, то лучше выбрать ENIG (иммерсионное золото) или хотя бы иммерсионное олово. Помогал разбираться с наводками в предусилителе — оказалось, из-за плохой пайки микросхемы на неровный HASL образовалось микроскопическое сопротивление в контакте. Перепаяли на плату с золотым покрытием — проблема ушла.

И, конечно, контроль. Хорошо, когда производитель, такой как ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии, имеет полный цикл и собственную лабораторию. Они не просто штампуют платы, а могут провести электрические тесты (летающий щуп), измерить импеданс дорожек. Для усилителя сухова печатная плата это критично, особенно если речь о согласовании на 50 или 75 Ом. В их случае, как у компании с экосистемой промышленной цепочки, часто есть возможность прототипировать и тестировать платы в сборе с компонентами, что сразу отсекает массу потенциальных проблем. В одном из совместных проектов именно их тесты показали недопустимое занижение импеданса в силовой линии питания из-за слишком широкой дорожки под тонким слоем диэлектрика — пришлось оперативно вносить правки в файлы перед запуском в серию.

Отладка и доработки: когда теория встречается с реальностью

Итак, плата готова, компоненты распаяны. Включаем — и тишина. Или, что хуже, дым. Первое, что делаю — проверяю мультиметром отсутствие КЗ между питанием и землёй. Банально, но 30% проблем решаются здесь. Далее — осциллограф. Смотрю наличие и форму сигнала по каскадам. Частая беда самодельных плат — паразитная генерация. Она может быть настолько высокой частоты, что её не видно на обычном осциллографе, но транзисторы при этом греются как сумасшедшие. Выручает термовизор или просто палец — быстро провести по деталям после кратковременного включения.

Если есть генерация, ищем обратную связь через общие импедансы. Иногда помогает разорвать земляной полигон под чувствительными цепями, проложить отдельный ?звездообразный? проводник. Или поставить блокировочные керамические конденсаторы 100 пФ непосредственно между выводами питания и землей каждой микросхемы/транзистора, даже если на схеме их нет. Это классический приём, который не всегда отражён в исходных схемах Сухова, рассчитанных на макетные платы с иной геометрией.

Был у меня опыт с платой, где всё работало, но уровень собственных шумов был выше ожидаемого. Долго искал. Оказалось, проблема в резисторе, задающем ток входного дифференциального каскада. На схеме стоял обычный, а на плате — углеродистый (дешёвый). Его собственные шумы ?усиливались? всем последующим трактом. Заменил на металлоплёночный — шум упал на глазах. Вывод: для критичных к шуму цепей (вход, цепи коррекции АЧХ) тип резистора так же важен, как и его номинал. И на готовой печатной плате это должно быть предусмотрено посадочным местом, подходящим и для SMD, и для выводных качественных компонентов.

Вместо заключения: мысль вслух о будущем таких разработок

Сейчас, с развитием доступных CAD-систем (вроде KiCad или даже отечественного ?Компас-Электрик?), развести плату стало проще. Но соблазн довериться автоматическому авторайтеру или скопировать чужую разводку без понимания физики процесса только растёт. Усилитель сухова — это не про ?вот файл, налейте мне плату?. Это всегда инженерная задача, где нужно учитывать и ВЧ-паразиты, и тепловые режимы, и реальные характеристики доступных компонентов.

Сила комплексных поставщиков, вроде упомянутой ООО Сиань Циюнь Чжисюнь Электронные Технологии, как раз в том, что они видят процесс целиком: от выбора материала и технологии производства до монтажа и первичных испытаний. Их модель, построенная на управлении несколькими предприятиями в рамках одной экосистемы, позволяет закрывать большинство проблем на ранних стадиях. Для разработчика это экономия не столько денег, сколько времени и нервов.

Так что, если берёшься за усилитель сухова печатная плата, готовься не просто к пайке, а к циклу итераций: разводка — моделирование (хотя бы в SPICE) — изготовление прототипа — тесты — доработка. И здесь качество самой физической платы, её материала и исполнения, будет одним из ключевых факторов успеха. Иначе можно так и остаться с коробкой красивых, но молчащих или ?грязно? работающих плат, списывая всё на ?сложность схемы?. А дело, часто, в мелочах, которые и отличают рабочую конструкцию от просто набора деталей на текстолите.