Indice

Circuiti stampati (PCB) e progettazione di circuiti elettronici

Note generiche sulla progettazione di circuiti elettronici

Passaggi nella realizzazione di un circuito stampato:

Circuito stampato:

Tecnologie per realizzare il circuito stampato:

Quando disegniamo lo schema e posizioniamo i componenti dobbiamo associare ad ogni componente un footprint (impronta) che descrive fisicamente l'oggetto (contatti, dimensione). La stessa tipologia di componente può avere forme diverse e quindi footprint diversi.

Passaggi:

Nella fase di layout la scheda viene mostrata come un rettangolo con tutti i componenti disposti all'esterno su un lato; occorre posizionarli. La disposizione, che rispecchierà la forma effettiva del circuito stampato, è fondamentale; è importante considerare l'ingombro, la possibilità di collegare facilmente i componenti e di testare la scheda.

Fattori che incidono sul costo:

Definizioni:

Multisim e Ultiboard

Multisim

Nasce come software di simulazione ma noi lo useremo principalmente per disegnare lo schematico di un circuito e generare una netlist che passeremo a Ultiboard per la realizzazione del circuito stampato (layout e sbroglio).

Definizioni fondamentali

Componenti e footprint

Multisim contiene un catalogo (database) vastissimo di componenti. Quando si inserisce un componente nello schematico bisogna tenere conto che:

Il footprint può essere associato quando si seleziona il componente dal database per inserirlo nello schematico (in basso a destra nella finestra) o successivamente. Nel primo caso può capitare che il footprint che serve non sia disponibile; in questo caso si piazza il componente e si cambia il footprint successivamente. Per cambiare il footprint di un componente si seleziona Edit footprint dalla scheda Value nelle Proprietà del componente. Per trovare velocemente un footprint tra i tantissimi a disposizione conviene ordinarli alfabeticamente2) o usare i filtri per restringere il campo dei possibili valori3).

Le net e la netlist

In Multisim i collegamenti tra i vari componenti sono dette net (di fatto corrispondono a quelli che solitamente chiamiamo “punti elettrici”). Ogni collegamento ha un nome ed è possibile visualizzarlo selezionando Net Names|Show All nella scheda Circuit delle proprietà dello schematico4) o dalle proprietà del collegamento. Il nome delle net è un numero progressivo assegnato automaticamente; se si vuole utilizzare un nome diverso e più significativo (ad esempio GND o 5V) occorre indicarlo nel campo Preferred net name delle Proprietà del collegamento.

La netlist è una lista che elenca il nome delle connessioni e dei morsetti dei componenti ad esse collegati.

Passaggio della netlist a Ultiboard

Prima di procedere è bene controllare le connessioni con lo strumento Electrical Rules Check dal menu Tools e correggere eventuali errori segnalati nella finestra in basso. Poi si può esportare la netlist dal menu Transfer:

Correzioni

Molto spesso capita di dover fare delle modifiche alla netlist quando si è già passati alla creazione del layout con Ultiboard. In questo caso bisogna:

Questa procedura si chiama forward annotation5).

Quando questo non è possibile o non funziona si può corregge la netlist in Ultiboard con lo strumento Netlist Editor.

Ultiboard

Generalità

Ultiboard è il software che useremo per creare la rappresentazione grafica planimetrica di una scheda elettronica, cioè il suo layout. Il procedimento comprende:

Il prodotto finale sarà un file (o uno stampato, il master) che servirà per la realizzazione fisica della scheda. Il circuito, cioè il tracciato con le piste e le piazzole (pads) per saldare i componenti, sarà ricavato con un processo fotochimico7) asportando il rame che inizialmente ricopre completamente la scheda.

Dimensioni, tecnologia e unità di misura

Prima di procedere è bene impostare le dimensioni e la forma della scheda (indicate nel colore giallo del layer board outline) e la tecnologia utilizzata, cioè se si realizzerà una scheda:

Queste scelte si possono fare:

La dimensione e forma della scheda può essere modificata:

Nelle varie fasi della creazione del layout le dimensioni (di tracce, componenti, ecc.) possono essere espresse in diverse unità di misura. Le più comuni sono:

I mil sono un'unità di misura imperiale/anglosassone molto utilizzata in elettronica; ad esempio le bradboard e moltissimi componenti hanno un passo10) (pitch) di 100 mil. In Ultiboard useremo entrambe (è sempre possibile passare da una unità all'altra con dei menu a tendina).

Elementi dell'interfaccia grafica

L'interfaccia grafica di Ultiboard comprende molti elementi. I più utili sono:

Nella barra degli strumenti troviamo:

E' molto importante anche lo strumento Netlist Editor richiamabile dal menu Tools. Qui è possibile:

Questo strumento permette di correggere errori - e modificare la netlist - senza passare da Multisim, anche se non è il metodo raccomandato.

Piazzare componenti

Quando si importa una netlist o si passa dallo schematico di Multisim direttamente a Ultiboard viene mostrata una finestra che elenca le net, i piedini associati ed eventuali errori; una volta confermata la netlist si troveranno tutti i componenti disposti lungo il bordo della scheda. A questo punto bisogna piazzare i componenti nella scheda ma prima conviene fare qualche verifica nella finestra Properties dei vari componenti (doppio click o pulsante destro):

Se è tutto corretto si procede a piazzare componenti (spostandoli e ruotandoli) in modo da:

Piste

A questo punto bisogna collegare le piazzole dove saranno saldati i piedini/reofori dei componenti con delle piste (tracks). Le piazzole (pads) hanno una forma circolare o quadrata12) e un foro al centro dove la scheda sarà forata col trapano per permettere l'inserimento di piedini e reofori dei componenti a foro passante. Le piste si disegnano utilizzando lo strumento Place Line cliccando sulle piazzole (o in un punto qualsiasi per cambiare direzione) e premendo Esc per terminare la traccia. Le piazzole da collegare sono indicate dalle guide di colore giallo dette ratsnest.

Prima di disegnare una linea bisogna selezionare un layer (livello) e una larghezza (width) per la traccia. I layer permettono di scegliere dove sarà disposto un elemento del layout. Sono particolarmente importanti:

Nei progetti più semplici, posizionando opportunamente i componenti ed evitando incroci tra tracce, si può ottenere uno sbroglio che permetta la realizzazione di un PC a singolo strato. Quando questo non è possibile si ricorre alle vie (vias), fori metallizzati che collegano lo strato superiore e quello inferiore. Ultiboard prevede sempre che la scheda sia a due facce ma si può impedire di usare uno dei due layer dalle opzioni del PCB (Options|PCB properties) disabilitando il routing su uno dei due layer (scheda Copper layers|Allow routing|Properties e togliendo la spunta)13). Questa impostazione è utile (ma non indispensabile) quando si realizza una scheda a singolo strato per evitare che il programma passi da un layer ad un altro ad esempio quando si riposiziona un componente già collegato a una pista.

La larghezza delle tracce può essere impostata in vari modi: da un menu a tendina, scegliendo una larghezza predefinita per la net, oppure allargandola o restringendola (proprietà width) dopo averla tracciata. Il sistema più rapido per impostare la stessa larghezza per tutte le tracce è impostare il valore Trace Width nella scheda Nets della finestra Spreadsheet View in basso dopo aver selezionato tutte le net.

Nel disegnare le tracce tenere conto che:

Fasi finali

Per terminare il layout:

Il piano di massa si chiama così perché nelle schede multistrato si usano interi strati solo per GND e alimentazione e può essere creato anche in maniera automatica14). E' presente in quasi tutti i circuiti stampati e serve a:

Considerazioni pratiche per i circuiti stampati realizzati a scuola

Collaudo PCB

Il collaudo del PCB si fa con una prima ispezione visiva per individuare eventuali piste interrotte o cortocircuiti dovuti alla mancata asportazione di rame. Poi si procede col un test di continuità tra tra le piazzole, con particolare riguardo per quelle di alimentazione.

A questo punto si può procedere all'assemblaggio facendo particolare attenzione al corretto posizionamento dei vari componenti (nelle schede prodotte a scuola non c'è il silkscreen che indica il nome del componente) facendo particolare attenzione alla polarità (diodi, LED, condensatori elettrolitici, integrati, ecc.). Conviene sempre montare prima i componenti bassi e poi quelli più alti. Batterie e integrati si inseriranno solo ad assemblaggio terminato.

Torna all'indice.

1)
vedi questo questo video che mostra come vengono realizzati i circuiti stampati a scuola
2)
cliccare sulla voce corrispondente nell'intestazione della tabella
3)
per definire i criteri del filtro aggiungere delle righe (row) con le regole desiderate
4)
nella stessa scheda si può scegliere se visualizzare le RefDes, le label e molto altro
5)
esiste anche una backward annotation che riporta le modifiche fatte in Ultiboard sul file di Multisim
6)
si può creare la netlist utilizzando solo Ultiboard ma di solito è preferibile partire da uno schematico
7)
fotoimpressione della maschera del circuito con un bromografo seguita da uno sviluppo in acido
8)
se si passa direttamente da Multisim a Ultiboard non è possibile utilizzare questo metodo
9)
è l'ultimo a destra tra quelli a forma di imbuto nella barra degli strumenti
10)
distanza tra due terminali
11)
normalmente questa assegnazione va fatta a livello di schematico in Multisim
12)
quando è importante identificare il verso di un componente o il primo dei piedini
13)
La stessa operazione si può fare dalla spreadsheet view nella scheda Copper layers
14)
con lo strumento Place|Power Plane e aggiustando la clearance nelle sue proprietà
15)
non sul silkscreen perché non verrà stampato nella realizzazione delle schede a scuola