Talle toepassingsgevalle van industriële, wetenskaplike en mediese radiofrekwensie (ISM-RF) produkte toon dat die printplaat Die uitleg van hierdie produkte is vatbaar vir verskillende gebreke.Mense vind dikwels dat dieselfde IC op twee verskillende stroombane, prestasie -aanwysers aansienlik sal verskil. Variations in operating conditions, harmonic radiation, anti-interference ability, and start-up time can explain the importance of circuit board layout in a successful design.

This article lists the various design omissions, discusses the causes of each failure, and provides suggestions on how to avoid these design defects. In hierdie vraestel, fr-4 diëlektriese, 0.0625in dikte dubbellaag PCB as ‘n voorbeeld, die printplaat aarding. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Induktansierigting

As twee induktors (of selfs twee PCB -lyne) na aan mekaar is, vind wedersydse induktansie plaas. The magnetic field generated by the current in the first circuit excites the current in the second circuit (Figure 1). This process is similar to the interaction between the primary and secondary coils of a transformer. When two currents interact through a magnetic field, the voltage generated is determined by mutual inductance LM:

Waar, YB die foutspanning is wat in stroombaan B ingespuit word, is IA die stroom 1 wat op stroombaan A werk. LM is baie sensitief vir stroombaanafstand, induktanslusgebied (dws magnetiese vloed) en lusrigting. Therefore, the best balance between compact circuit layout and reduced coupling is the correct alignment of all inductors in the direction.

FIG. 1. It can be seen from magnetic field lines that mutual inductance is related to inductance alignment direction

The direction of circuit B is adjusted so that its current loop is parallel to the magnetic field line of circuit A. Vir hierdie doel, so loodreg as moontlik teenoor mekaar, verwys u na die stroombaanuitleg van die FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) kaart (MAX7042EVKIT) (Figuur 2). The three inductors on the board (L3, L1 and L2) are very close to each other, and their orientation at 0°, 45° and 90° helps to reduce mutual inductance.

Figuur 2. Twee verskillende PCB -uitlegte word getoon, waarvan die elemente in die verkeerde rigting (L1 en L3) gerangskik is, terwyl die ander meer geskik is.

Om op te som, moet die volgende beginsels gevolg word:

Die induktansafstand moet so ver as moontlik wees.

Spoele is reghoekig gerangskik om kruisspraak tussen induktors te verminder.

Lei die koppeling

Net soos die oriëntasie van induktors die magnetiese koppeling beïnvloed, so ook die koppeling as die leidings te na aan mekaar is. Hierdie soort uitlegprobleem produseer ook wat wedersydse sensasie genoem word. Een van die mees besorgde probleme met die RF -kring is die bedrading van sensitiewe dele van die stelsel, soos die ingangspasnetwerk, resonante kanaal van die ontvanger, antenna -pasnetwerk van die sender, ens.

Die terugstroombaan moet so na as moontlik aan die hoofstroombaan wees om die magnetiese veld van straling te verminder. This arrangement helps to reduce the current loop area. Die ideale lae weerstandspad vir die retourstroom is gewoonlik die grondgebied onder die lood – wat die lusarea effektief beperk tot ‘n gebied waar die dikte van die diëlektriese vermenigvuldig word met die lengte van die lood. As die grondgebied egter verdeel word, neem die lusarea toe (Figuur 3). For leads passing through the split region, the return current will be forced through the high resistance path, greatly increasing the current loop area. This arrangement also makes circuit leads more susceptible to mutual inductance.

Figuur 3. Volledige aarding op groot gebied help om die stelselprestasie te verbeter

Vir ‘n werklike induktor het loodrigting ook ‘n beduidende uitwerking op die koppeling van magnetiese veld. As die leidings van ‘n sensitiewe stroombaan naby aan mekaar moet wees, is dit die beste om die leidings vertikaal in lyn te bring om die koppeling te verminder (Figuur 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Raadpleeg die afdeling vir aardings- en vulbehandeling hieronder vir die ontwerp van beskermingsdraad.

Figure 4. Similar to Figure 1, shows the possible coupling of magnetic field lines.

To sum up, the following principles should be followed when the plate is distributed:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Sensitive leads should be arranged vertically.

If the leads must be arranged in parallel, ensure adequate spacing or use guard wires.

Grounding via

Die grootste probleem met die uitleg van die RF -stroombaan is gewoonlik die suboptimale kenmerkende impedansie van die stroombaan, insluitend die stroombaankomponente en hul onderlinge verbindings. Die lood met ‘n dun koperlaag is gelykstaande aan die induktansiedraad en vorm ‘n verspreide kapasitansie met ander leidings in die omgewing. Die lood vertoon ook induktansie- en kapasitansie -eienskappe terwyl dit deur die gat gaan.

The through-hole capacitance mainly comes from the capacitance formed between the copper cladding on the side of the through-hole pad and the copper cladding on the ground, separated by a fairly small ring. Another influence comes from the cylinder of the metal perforation itself. Die effek van parasitiese kapasitansie is oor die algemeen klein en veroorsaak gewoonlik slegs randvariasie in hoëspoed digitale seine (wat nie in hierdie artikel bespreek word nie).

Die grootste effek van die deurgat is die parasitiese induktansie wat veroorsaak word deur die ooreenstemmende verbindingsmodus. Because most metal perforations in RF PCB designs are the same size as lumped components, the effect of electrical perforations can be estimated using a simple formula (FIG. 5) :

Where, LVIA is lumped inductance through hole; H is the height of the throughhole, in inches; D is die deursnee van die deurgat, in duim 2.

Hoe om verskillende gebreke in die uitleg van printplate van gedrukte borde te vermy

FIG. 5. PCB cross section used to estimate parasitic effects on through-hole structures

The parasitic inductance often has a great influence on the connection of bypass capacitors. Ideale omleidingskondenseerders bied hoëfrekwensie kortsluitings tussen die toevoersone en die formasie, maar nie-ideale deurgate kan die lae sensitiwiteitspad tussen die formasie en die toevoersone beïnvloed. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Gegewe die spesifieke werkfrekwensie van die ISM-RF-produk, kan die deurgate gevoelige stroombane, soos resonante kanaalbane, filters en bypassende netwerke, nadelig beïnvloed.

Ander probleme ontstaan ​​as sensitiewe stroombane gate deel, soos die twee arms van ‘n π -tipe netwerk. Byvoorbeeld, deur ‘n ideale gat wat gelykstaande is aan ingedrukte induktansie te plaas, verskil die ekwivalente skema heelwat van die oorspronklike stroombaanontwerp (FIG. 6). As with crosstalk of common current path 3, resulting in increased mutual inductance, increased crosstalk and feed-through.

How to avoid PCB design problems

Figuur 6. Ideale teenoor nie-ideale argitekture; daar is potensiële ‘seinpaaie’ in die kring.

To sum up, circuit layout should follow the following principles:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

The filter or matching network uses independent through-holes.

Note that a thinner PCB copper-clad will reduce the effect of parasitic inductance through the hole.

Die lengte van die lood

Maxim ISM-RF-produkdata beveel dikwels aan dat die kortste moontlike hoëfrekwensie-invoer en -uitset lei om verliese en straling te verminder. Aan die ander kant word sulke verliese gewoonlik veroorsaak deur nie-ideale parasitiese parameters, sodat beide parasitiese induktansie en kapasitansie die stroombaanuitleg beïnvloed, en die gebruik van die kortste moontlike lood help om die parasitiese parameters te verminder. Typically, a 10 mil wide PCB lead with a distance of 0.0625in… From a FR4 board produces an inductance of approximately 19nH/in and a distributed capacitance of approximately 1pF/in. Vir ‘n LAN/ menger stroombaan met ‘n 20nH induktor en ‘n 3pF kapasitor, sal die effektiewe komponentwaarde baie beïnvloed word as die kring en komponent uitleg baie kompak is.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Hierdie dokument is in 2003 vervang deur IPC-2251 5, wat ‘n meer akkurate berekeningsmetode vir verskillende printplate bied. Online calculators are available from a variety of sources, most of which are based on equations provided by IPC-2251. The Electromagnetic Compatibility Lab at Missouri Institute of Technology provides a very practical method for calculating PCB lead impedance 6.

The accepted criteria for calculating the impedance of microstrip lines are:

In die formule is εr die diëlektriese konstante van die diëlektriese, h is die hoogte van die lood vanaf die stratum, W is die loodwydte en T is die looddikte (FIG. 7). As w/h tussen 0.1 en 2.0 is en εr tussen 1 en 15 is, is die berekeningresultate van hierdie formule redelik akkuraat.

Figure 7. This figure is a PCB cross section (similar to Figure 5) and represents the structure used to calculate the impedance of a microstrip line.

In order to evaluate the effect of lead length, it is more practical to determine the detuning effect of ideal circuit by lead parasitical parameters. In hierdie voorbeeld bespreek ons ​​verdwaalde kapasitansie en induktansie. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Net so kan die kenmerkende induktansie uit die vergelyking bereken word deur die bostaande vergelyking te gebruik:

Veronderstel byvoorbeeld ‘n PCB -dikte van 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 ons koperbedekte lood (t = 1.35 mil), 0.01 in. (w = 10 mil) en ‘n FR-4-bord. Let daarop dat die ε R van FR-4 tipies 4.35 farad/m (F/m) is, maar kan wissel van 4.0F/m tot 4.7F/m. Die eiewaardes wat in hierdie voorbeeld bereken word, is Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Vir ‘n ISM-RF-ontwerp kan ‘n uitleglengte van 12.7 mm (0.5 inch) leidings op die bord parasitiese parameters van ongeveer 0.5pF en 9.3nH lewer (figuur 8). Die effek van parasitiese parameters op hierdie vlak op die resonante kanaal van die ontvanger (variasie van LC -produk) kan 315MHz ± 2% of 433.92mhz ± 3.5% variasie tot gevolg hê. As gevolg van die ekstra kapasitansie en induktansie wat veroorsaak word deur die parasitiese effek van die lood, bereik die piek van die 315MHz ossillasie frekwensie 312.17mhz, en die hoogtepunt van die 433.92mhz ossillasie frekwensie bereik 426.6mhz.

Another example is the resonant channel of Maxim’s superheterodyne receiver (MAX7042). The recommended components are 1.2pF and 30nH at 315MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Bereken die ossillasie frekwensie van resonante stroombaan deur die vergelyking te gebruik:

Die evaluering van die resonante kring van die plaat moet die parasitiese effekte van die pakket en die uitleg insluit, en die parasitiese parameters is onderskeidelik 7.3PF en 7.5PF by die berekening van die 315MHz resonante frekwensie. Let daarop dat die LC -produk kapacitansie bevat.

Om op te som, moet die volgende beginsels gevolg word:

Hou die voorblad so kort as moontlik.

Plaas sleutelstroombane so na as moontlik aan die toestel.

Sleutelkomponente word vergoed volgens die werklike uitlegparasitisme.

Aardings- en vulbehandeling

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Deur alle elektriese velde op hierdie manier gelyk te maak, is ‘n goeie afskermingsmeganisme moontlik.

Gelykstroom vloei altyd langs ‘n lae weerstandspad. Op dieselfde manier vloei hoëfrekwensiestroom by voorkeur deur die pad met die laagste weerstand. So, for a standard PCB microstrip line above the formation, the return current tries to flow into the ground region directly below the lead. As described in the lead coupling section above, the cut ground area introduces various noises that increase crosstalk either through magnetic field coupling or by converging currents (Figure 9).

Hoe om verskillende gebreke in die uitleg van printplate van gedrukte borde te vermy

FIG. 9. Keep the formation intact as much as possible, otherwise the return current will cause crosstalk.

Filled ground, also known as guard lines, is commonly used in circuits where continuous grounding is difficult to lay or where shielding sensitive circuits is required (FIG. 10). The shielding effect can be increased by placing grounding holes (i.e. hole arrays) at both ends of the lead or along the lead. 8. Moenie die beskermingsdraad meng met die kabel wat ontwerp is om ‘n retourstroombaan te bied nie. Hierdie reëling kan oorspraak bekendstel.

Hoe om verskillende gebreke in die uitleg van printplate van gedrukte borde te vermy

FIG. 10. Die ontwerp van die RF -stelsel moet drywende koperbeklede drade vermy, veral as koperomhulsel nodig is.

Die koperbedekte gebied word nie aan die een kant gegrond (dryf) of gegrond nie, wat die doeltreffendheid daarvan beperk. In some cases, it can cause unwanted effects by forming parasitic capacitance that changes the impedance of the surrounding wiring or creates a “latent” path between circuits. Kortom, as ‘n stuk koperbekleding (seine bedrading sonder kringloop) op die printplaat gelê word om ‘n konsekwente laagdikte te verseker. Koperbedekte gebiede moet vermy word aangesien dit die stroombaanontwerp beïnvloed.

Let ten slotte op die gevolge van enige grondoppervlakte naby die antenna. Enige monopool-antenna sal die grondgebied, bedrading en gate as deel van die ewewig van die stelsel hê, en nie-ideale ewewigskabels sal die stralingsdoeltreffendheid en rigting van die antenna beïnvloed (stralingsjabloon). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Om op te som, moet die volgende beginsels gevolg word:

Voorsien sover moontlik deurlopende en lae weerstandsaarde.

Albei kante van die vullyn is gegrond, en ‘n deur-gat-skikking word sover moontlik gebruik.

Moenie koperdraad naby die RF -kring dryf nie; moenie koper om die RF -kring lê nie.

As die printplaat verskeie lae bevat, is dit die beste om ‘n grond deur die gat te lê wanneer die seinkabel van die een kant na die ander gaan.

Oormatige kristalkapasiteit

Parasitiese kapasitansie sal veroorsaak dat die kristalfrekwensie van die doelwaarde 9 afwyk. Daarom moet ‘n paar algemene riglyne gevolg word om die verdwaalde kapasiteit van kristalpenne, pads, drade of verbindings met RF -toestelle te verminder.

Die volgende beginsels moet gevolg word:

Die verbinding tussen die kristal en die RF -toestel moet so kort as moontlik wees.

Hou die bedrading so ver moontlik van mekaar af.

As die shunt parasitiese kapasitansie te groot is, verwyder die aardingsgebied onder die kristal.

Vlak bedrading induktansie

Planar wiring or PCB spiral inductors are not recommended. Typical PCB manufacturing processes have certain inaccuracies, such as width and space tolerances, which greatly affect the accuracy of component values. Daarom is die meeste beheerde en hoë Q -induktors die tipe wond. Tweedens kan u ‘n keramiekinduktor met meer lae kies, en vervaardigers van meerlaags chip -kondensators bied ook hierdie produk. Sommige ontwerpers kies egter spiraalinduktors wanneer dit moet. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Waar, a is die gemiddelde radius van die spoel, in duim; N is die aantal draaie; C is die breedte van die spoelkern (router-rinner), in duim. As die spoel c “0.2a 11 is, is die akkuraatheid van die berekeningsmetode binne 5%.

Enkellaagse spiraalinduktors van vierkantige, seskantige of ander vorms kan gebruik word. Daar kan baie goeie benaderings gevind word om die vlak induktansie op wafels met geïntegreerde stroombane te modelleer. Om hierdie doel te bereik, word die standaard Wheeler -formule gewysig om ‘n vlak induktansie -skattingsmetode te kry wat geskik is vir klein grootte en vierkante grootte 12.

Waar, ρ die vulverhouding is :; N is die aantal draaie, en dAVG is die gemiddelde deursnee :. Vir vierkantige helices is K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Daar is baie redes om die gebruik van hierdie tipe induktor te vermy, wat gewoonlik lei tot verminderde induktanswaardes as gevolg van ruimtebeperkings. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Boonop is die werklike induktanswaardes moeilik om te beheer tydens die produksie van PCB’s, en induktansie is ook geneig om geraas aan ander dele van die stroombaan te koppel.