تظهر حالات تطبيق عديدة لمنتجات ترددات الراديو الصناعية والعلمية والطبية (ISM-RF) أن لوحة الدوائر المطبوعة تصميم هذه المنتجات عرضة لعيوب مختلفة.غالبًا ما يجد الناس أن نفس IC مثبتًا على لوحين مختلفين من الدوائر ، ستكون مؤشرات الأداء مختلفة بشكل كبير. 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. في هذا الورق ، عازل fr-4 ، سماكة 0.0625in طبقة مزدوجة ثنائي الفينيل متعدد الكلور كمثال ، تأريض لوحة الدائرة. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

اتجاه الحث

عندما يكون محاثان (أو حتى خطان ثنائي الفينيل متعدد الكلور) قريبين من بعضهما البعض ، سيحدث الحث المتبادل. 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:

حيث ، YB هو جهد الخطأ المحقون في الدائرة B ، IA هو التيار 1 الذي يعمل على الدائرة A. LM is very sensitive to circuit spacing, inductance loop area (i.e., magnetic flux), and loop direction. 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. لهذا الغرض ، بشكل عمودي قدر الإمكان مع بعضها البعض ، يرجى الرجوع إلى تخطيط الدائرة للوحة تقييم مستقبلات FSK فائقة التغاير منخفضة الطاقة (MAX7042EVKIT) (الشكل 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.

الشكل 2. يظهر تصميمان مختلفان لثنائي الفينيل متعدد الكلور ، أحدهما يحتوي على العناصر مرتبة في الاتجاه الخاطئ (L1 و L3) ، بينما الآخر أكثر ملاءمة.

To sum up, the following principles should be followed:

يجب أن يكون تباعد المحاثة قدر الإمكان.

يتم ترتيب المحاثات بزوايا قائمة لتقليل التداخل بين المحاثات.

قيادة أداة التوصيل

مثلما يؤثر اتجاه المحرِّضات على الاقتران المغناطيسي ، كذلك تؤثر أداة التوصيل إذا كانت الأسلاك قريبة جدًا من بعضها البعض. ينتج هذا النوع من مشاكل التخطيط أيضًا ما يسمى الإحساس المتبادل. واحدة من أكثر المشاكل إثارة للقلق في دائرة التردد اللاسلكي هي توصيل الأسلاك للأجزاء الحساسة من النظام ، مثل شبكة مطابقة الإدخال ، وقناة الرنين الخاصة بالمستقبل ، وشبكة مطابقة الهوائي لجهاز الإرسال ، وما إلى ذلك.

يجب أن يكون مسار تيار العودة أقرب ما يكون إلى المسار الحالي الرئيسي لتقليل المجال المغناطيسي للإشعاع. This arrangement helps to reduce the current loop area. عادةً ما يكون مسار المقاومة المنخفض المثالي لتيار العودة هو منطقة الأرض أسفل الرصاص – مما يحد بشكل فعال من منطقة الحلقة إلى منطقة يتم فيها ضرب سمك العازل بطول الرصاص. ومع ذلك ، إذا تم تقسيم منطقة الأرض ، تزداد منطقة الحلقة (الشكل 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.

الشكل 3. التأريض الكامل لمساحة كبيرة يساعد على تحسين أداء النظام

بالنسبة للمحث الفعلي ، يكون لاتجاه الرصاص أيضًا تأثير كبير على اقتران المجال المغناطيسي. إذا كان يجب أن تكون أطراف الدائرة الحساسة قريبة من بعضها البعض ، فمن الأفضل محاذاة الخيوط رأسياً لتقليل الاقتران (الشكل 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. For protection wire design, please refer to the grounding and filling treatment section below.

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

عادة ما تكون المشكلة الرئيسية في تخطيط دائرة التردد اللاسلكي هي الممانعة المميزة للدارة دون المستوى الأمثل ، بما في ذلك مكونات الدائرة وترابطها. الرصاص مع طلاء نحاسي رقيق يعادل سلك الحث ويشكل سعة موزعة مع خيوط أخرى في المنطقة المجاورة. يُظهر الرصاص أيضًا خصائص الحث والسعة أثناء مروره عبر الفتحة.

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. يكون تأثير السعة الطفيلية صغيرًا بشكل عام وعادة ما يتسبب فقط في اختلاف الحافة في الإشارات الرقمية عالية السرعة (وهو ما لم تتم مناقشته في هذه الورقة).

أكبر تأثير من خلال الفتحة هو الحث الطفيلي الناجم عن وضع التوصيل البيني المقابل. 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 هو قطر الفتحة ، بالبوصة 2.

كيفية تجنب العيوب المختلفة في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور للألواح المطبوعة

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. توفر المكثفات الالتفافية المثالية دوائر قصيرة عالية التردد بين منطقة الإمداد والتكوين ، لكن الثقوب غير المثالية يمكن أن تؤثر على مسار الحساسية المنخفضة بين التكوين ومنطقة الإمداد. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. نظرًا لتردد التشغيل المحدد لمنتج ISM-RF ، يمكن أن تؤثر الثقوب البينية سلبًا على الدوائر الحساسة مثل دوائر القنوات الرنانة والمرشحات والشبكات المطابقة.

تنشأ مشاكل أخرى إذا كانت الدوائر الحساسة تشترك في الثقوب ، مثل ذراعي شبكة من النوع. على سبيل المثال ، من خلال وضع ثقب مثالي مكافئ للمحاثة المجمعة ، فإن المخطط المكافئ يختلف تمامًا عن تصميم الدائرة الأصلي (الشكل 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

الشكل 6. الهندسة المثالية مقابل البنى غير المثالية ، هناك “مسارات إشارة” محتملة في الدائرة.

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.

طول الرصاص

غالبًا ما توصي بيانات منتج Maxim ISM-RF باستخدام أقصر قدر ممكن من المدخلات والمخرجات عالية التردد لتقليل الخسائر والإشعاع. من ناحية أخرى ، عادة ما تكون هذه الخسائر ناتجة عن معلمات طفيلية غير مثالية ، لذلك يؤثر كل من الحث الطفيلي والسعة على تخطيط الدائرة ، ويساعد استخدام أقصر قدر ممكن في تقليل المعلمات الطفيلية. 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. بالنسبة لدائرة LAN / Mixer مع مغو 20nH ومكثف 3pF ، ستتأثر قيمة المكون الفعال بشكل كبير عندما تكون الدائرة وتخطيط المكونات مضغوطين جدًا.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. تم استبدال هذا المستند في عام 2003 بـ IPC-2251 5 ، والذي يوفر طريقة حساب أكثر دقة للعديد من عملاء PCB. 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:

في الصيغة ، εr هو ثابت العزل للعزل الكهربائي ، h هو ارتفاع الرصاص من الطبقة ، W هو عرض الرصاص ، و T هو سمك الرصاص (الشكل 7). عندما يكون w / h بين 0.1 و 2.0 و εr بين 1 و 15 ، تكون نتائج الحساب لهذه الصيغة دقيقة تمامًا.

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. في هذا المثال ، نناقش السعة الشاردة والحث. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

وبالمثل ، يمكن حساب المحاثة المميزة من المعادلة باستخدام المعادلة أعلاه:

على سبيل المثال ، افترض أن سمك ثنائي الفينيل متعدد الكلور يبلغ 0.0625 بوصة. (ع = 62.5 مل) ، 1 أونصة من الرصاص المطلي بالنحاس (ر = 1.35 مل) ، 0.01 بوصة. (ث = 10 مل) ، ولوحة FR-4. لاحظ أن ε R لـ FR-4 عادة ما تكون 4.35 فاراد / م (F / م) ، ولكن يمكن أن تتراوح من 4.0F / م إلى 4.7F / م. القيم الذاتية المحسوبة في هذا المثال هي Z0 = 134 ω ، C0 = 1.04pF / in ، L0 = 18.7nH / in.

بالنسبة لتصميم ISM-RF ، يمكن أن ينتج عن تخطيط بطول 12.7 مم (0.5 بوصة) للخيوط على اللوحة معلمات طفيلية تبلغ حوالي 0.5pF و 9.3 نانومتر (الشكل 8). قد يؤدي تأثير المعلمات الطفيلية في هذا المستوى على القناة الطنينية للمستقبل (تباين منتج LC) إلى اختلاف 315 ميجاهرتز ± 2٪ أو 433.92 ميجاهرتز ± 3.5٪. بسبب السعة الإضافية والتحريض الناجم عن التأثير الطفيلي للرصاص ، تصل ذروة تردد التذبذب 315 ميجاهرتز إلى 312.17 ميجاهرتز ، وتصل ذروة تردد التذبذب 433.92 ميجاهرتز إلى 426.6 ميجاهرتز.

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. احسب تردد التذبذب لدائرة الطنين باستخدام المعادلة:

يجب أن يتضمن تقييم دارة الطنين للوحة التأثيرات الطفيلية للحزمة والتخطيط ، والمعلمات الطفيلية هي 7.3PF و 7.5PF على التوالي عند حساب تردد الطنين 315MHz. لاحظ أن منتج LC يمثل سعة مجمعة.

خلاصة القول ، يجب اتباع المبادئ التالية:

اجعل المقدمة قصيرة قدر الإمكان.

ضع الدوائر الرئيسية في أقرب مكان ممكن من الجهاز.

يتم تعويض المكونات الرئيسية وفقًا لتطفل التخطيط الفعلي.

معالجة التأريض والتعبئة

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. ينتج عن معادلة جميع المجالات الكهربائية بهذه الطريقة آلية حماية جيدة.

يميل التيار المباشر دائمًا إلى التدفق على طول مسار مقاومة منخفضة. بنفس الطريقة ، يتدفق التيار عالي التردد بشكل تفضيلي عبر المسار بأقل مقاومة. 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).

كيفية تجنب العيوب المختلفة في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور للألواح المطبوعة

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. لا تخلط سلك الحماية مع الرصاص المصمم لتوفير مسار عودة التيار. يمكن أن يؤدي هذا الترتيب إلى إدخال الحديث المتبادل.

كيفية تجنب العيوب المختلفة في تخطيط ثنائي الفينيل متعدد الكلور للألواح المطبوعة

تين. 10. يجب أن يتجنب تصميم نظام الترددات اللاسلكية الأسلاك النحاسية العائمة ، خاصةً إذا كان الغلاف النحاسي مطلوبًا.

المنطقة المكسوة بالنحاس ليست مؤرضة (عائمة) أو مؤرضة من طرف واحد فقط ، مما يحد من فعاليتها. 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. باختصار ، إذا تم وضع قطعة من الكسوة النحاسية (أسلاك إشارة غير دائرية) على لوحة الدائرة لضمان سماكة طلاء ثابتة. يجب تجنب المناطق المكسوة بالنحاس لأنها تؤثر على تصميم الدائرة.

أخيرًا ، تأكد من مراعاة تأثيرات أي منطقة أرضية بالقرب من الهوائي. سيحتوي أي هوائي أحادي القطب على منطقة الأرض والأسلاك والثقوب كجزء من توازن النظام ، وستؤثر أسلاك التوازن غير المثالية على كفاءة الإشعاع واتجاه الهوائي (قالب الإشعاع). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

قم بتوفير مناطق تأريض مستمرة ومنخفضة المقاومة قدر الإمكان.

يتم تأريض طرفي خط التعبئة ، ويتم استخدام مصفوفة من خلال الفتحة إلى أقصى حد ممكن.

لا تطفو الأسلاك النحاسية المكسوة بالقرب من دائرة التردد اللاسلكي ، ولا تضع النحاس حول دائرة التردد اللاسلكي.

إذا كانت لوحة الدائرة تحتوي على طبقات متعددة ، فمن الأفضل وضع أرضية من خلال ثقب عندما يمر كابل الإشارة من جانب إلى آخر.

السعة البلورية المفرطة

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. لذلك ، يجب اتباع بعض الإرشادات العامة لتقليل السعة الشاردة لدبابيس أو وسادات أو أسلاك أو توصيلات بلورية بأجهزة التردد اللاسلكي.

يجب اتباع المبادئ التالية:

يجب أن يكون الاتصال بين البلور وجهاز التردد اللاسلكي قصيرًا قدر الإمكان.

Keep the wiring from each other as far as possible.

إذا كانت سعة التحويلة الطفيلية كبيرة جدًا ، فقم بإزالة منطقة التأريض أسفل البلورة.

Planar wiring inductance

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. لذلك ، فإن معظم محاثات Q عالية التحكم هي من نوع الجرح. ثانيًا ، يمكنك اختيار محث سيراميك متعدد الطبقات ، كما توفر الشركات المصنعة لمكثفات الرقاقة متعددة الطبقات هذا المنتج. ومع ذلك ، يختار بعض المصممين المحاثات الحلزونية عندما يتعين عليهم ذلك. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

حيث ، a هو متوسط ​​نصف قطر الملف ، بالبوصة ؛ N هو عدد الأدوار ؛ C هو عرض قلب الملف (جهاز التوجيه-رينر) بالبوصة. عندما يكون الملف c “0.2a 11 ، تكون دقة طريقة الحساب في حدود 5٪.

يمكن استخدام المحاثات الحلزونية أحادية الطبقة ذات الأشكال المربعة أو السداسية أو الأخرى. يمكن العثور على تقديرات تقريبية جيدة جدًا لنمذجة الحث المستوي على رقائق الدائرة المتكاملة. من أجل تحقيق هذا الهدف ، تم تعديل صيغة ويلر القياسية للحصول على طريقة تقدير الحث المستوي المناسبة للحجم الصغير والحجم المربع 12.

حيث ، هي نسبة الملء: ؛ N هو عدد المنعطفات ، و dAVG هو متوسط ​​القطر:. بالنسبة إلى الحلزونات المربعة ، K1 = 2.36 ، K2 = 2.75.

هناك العديد من الأسباب لتجنب استخدام هذا النوع من المحرِّض ، والذي ينتج عنه عادةً قيم محاثة منخفضة بسبب قيود المساحة. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. بالإضافة إلى ذلك ، يصعب التحكم في قيم الحث الفعلي أثناء إنتاج ثنائي الفينيل متعدد الكلور ، ويميل الحث أيضًا إلى ربط الضوضاء بأجزاء أخرى من الدائرة.