Многобройни случаи на приложение на промишлени, научни и медицински радиочестотни продукти (ISM-RF) показват, че печатна платка оформлението на тези продукти е предразположено към различни дефекти.Хората често откриват, че една и съща интегрална схема, инсталирана на две различни платки, показателите за производителност ще бъдат значително различни. 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. В тази статия, диелектрик fr-4, двуслойна печатна платка с дебелина 0.0625 ин, като пример, заземяване на платката. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Посока на индуктивност

Когато два индуктора (или дори две линии на печатни платки) са близо един до друг, ще възникне взаимна индуктивност. 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:

Където YB е напрежението на грешката, инжектирано във верига B, IA е токът 1, действащ върху верига А. 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. За тази цел, възможно най -перпендикулярно, моля, вижте схемата на схемата на платката за оценка на суперхетеродинния приемник (EV) с ниска мощност (EV) (MAX7042EVKIT) (Фигура 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.

Фигура 2. Показани са два различни оформления на печатни платки, единият от които има елементите, подредени в грешна посока (L1 и L3), докато другият е по -подходящ.

To sum up, the following principles should be followed:

Разстоянието между индуктивността трябва да бъде възможно най -много.

Индукторите са подредени под прав ъгъл, за да се сведе до минимум напрежението между индукторите.

Водете съединителя

Както ориентацията на индукторите влияе върху магнитното свързване, така и свързването, ако проводниците са твърде близо един до друг. Този вид проблем с оформлението също произвежда това, което се нарича взаимно усещане. Един от най -тревожните проблеми на радиочестотната верига е окабеляването на чувствителни части на системата, като мрежа за съвпадение на входа, резонансен канал на приемника, мрежа за съвпадение на антената на предавателя и др.

The return current path should be as close to the main current path as possible to minimize the radiation magnetic field. This arrangement helps to reduce the current loop area. Идеалният път с ниско съпротивление за обратния ток обикновено е заземената област под проводника – ефективно ограничаване на зоната на контура до област, където дебелината на диелектрика се умножава по дължината на проводника. Ако обаче земната област е разделена, зоната на контура се увеличава (Фигура 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.

Фигура 3. Пълното заземяване на голяма площ помага за подобряване на производителността на системата

За действителен индуктор, посоката на водене също има значителен ефект върху свързването на магнитното поле. Ако проводниците на чувствителна верига трябва да са близо един до друг, най -добре е да подравните проводниците вертикално, за да намалите свързването (Фигура 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

Основният проблем с разположението на RF веригата обикновено е неоптималният характерен импеданс на веригата, включително компонентите на веригата и техните взаимовръзки. Електропроводът с тънко медно покритие е еквивалентен на индуктивния проводник и образува разпределен капацитет с други проводници в близост. Оловото също проявява свойства на индуктивност и капацитет, докато преминава през отвора.

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. Ефектът на паразитния капацитет като цяло е малък и обикновено причинява само вариации на ръбовете при високоскоростни цифрови сигнали (което не е обсъдено в тази статия).

Най-големият ефект на проходния отвор е паразитната индуктивност, причинена от съответния режим на свързване. 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 е диаметърът на проходния отвор, в инчове 2.

How to avoid various defects in PCB layout of printed boards

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. Идеалните байпасни кондензатори осигуряват високочестотни къси съединения между захранващата зона и пласта, но неидеалните проходни отвори могат да повлияят на пътя с ниска чувствителност между образуването и захранващата зона. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Given the specific operating frequency of the ISM-RF product, the through-holes can adversely affect sensitive circuits such as resonant channel circuits, filters, and matching networks.

Други проблеми възникват, ако чувствителните вериги споделят дупки, като например двете рамена на мрежа от тип π. Например, чрез поставяне на идеален отвор, еквивалентен на индуцираност в съчетание, еквивалентната схема е доста различна от оригиналната схема на схемата (фигура 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

Фигура 6. Идеални срещу неидеални архитектури, във веригата има потенциални „сигнални пътища“.

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.

Дължината на оловото

Данните за продуктите на Maxim ISM-RF често препоръчват използването на възможно най-кратките високочестотни входни и изходни кабели за минимизиране на загубите и радиацията. От друга страна, такива загуби обикновено се причиняват от неидеални паразитни параметри, така че паразитната индуктивност и капацитетът влияят върху разположението на веригата, а използването на възможно най-краткия проводник помага за намаляване на паразитните параметри. 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. За LAN/ смесителна верига с 20nH индуктор и 3pF кондензатор, ефективната стойност на компонента ще бъде силно засегната, когато схемата и компонентната схема са много компактни.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Този документ е заменен през 2003 г. с IPC-2251 5, който предоставя по-точен метод за изчисление за различни проводници на печатни платки. 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:

Във формулата εr е диелектричната константа на диелектрика, h е височината на оловото от слоя, W е ширината на проводника и T е дебелината на проводника (фигура 7). Когато w/h е между 0.1 и 2.0 и εr е между 1 и 15, резултатите от изчисленията на тази формула са доста точни.

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. В този пример обсъждаме разсеяния капацитет и индуктивността. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

По същия начин характеристичната индуктивност може да бъде изчислена от уравнението, като се използва горното уравнение:

Например, приемете, че дебелината на печатни платки е 0.0625 инча. (h = 62.5 mil), 1 унция медно покрито олово (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil) и дъска FR-4. Обърнете внимание, че ε R на FR-4 обикновено е 4.35 фарад/м (F/m), но може да варира от 4.0 F/m до 4.7 F/m. Собствените стойности, изчислени в този пример, са Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

За дизайн с ISM-RF, дължината на проводниците от 12.7 мм (0.5 инча) на платката може да произведе паразитни параметри от приблизително 0.5 pF и 9.3 nH (Фигура 8). Ефектът от паразитни параметри на това ниво върху резонансния канал на приемника (вариация на LC продукта) може да доведе до 315MHz ± 2% или 433.92mhz ± 3.5% промяна. Поради допълнителния капацитет и индуктивност, причинени от паразитния ефект на оловото, пикът на честотата на трептене 315MHz достига 312.17mhz, а пикът на честотата на трептене 433.92mhz достига 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. Изчислете честотата на трептене на резонансната верига, като използвате уравнението:

Оценката на резонансната верига на плочата трябва да включва паразитните ефекти на опаковката и оформлението, а паразитните параметри са съответно 7.3PF и 7.5PF при изчисляване на резонансната честота 315MHz. Обърнете внимание, че продуктът LC представлява увеличен капацитет.

За да обобщим, трябва да се следват следните принципи:

Дръжте оловото възможно най -кратко.

Поставете ключовите вериги възможно най -близо до устройството.

Key components are compensated according to actual layout parasitism.

Обработка на заземяване и пълнене

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Изравняването на всички електрически полета по този начин произвежда добър защитен механизъм.

Постоянният ток винаги има тенденция да тече по пътя на ниско съпротивление. По същия начин високочестотният ток преференциално протича през пътя с най-ниско съпротивление. 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).

How to avoid various defects in PCB layout of printed boards

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. Не смесвайте защитния проводник с проводника, предназначен да осигури път на обратния ток. Тази подредба може да въведе кръстосани разговори.

How to avoid various defects in PCB layout of printed boards

Фиг. 10. Конструкцията на RF системата трябва да избягва плаващи медни проводници, особено ако е необходима медна обвивка.

The copper-clad area is not grounded (floating) or grounded only at one end, which restricts its effectiveness. 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. Накратко, ако върху платката е положено парче медна облицовка (сигнално окабеляване без верига), за да се осигури постоянна дебелина на покритието. Облачените с мед зони трябва да се избягват, тъй като те засягат дизайна на веригата.

И накрая, не забравяйте да вземете предвид ефектите на всяка земна площ в близост до антената. Всяка монополна антена ще има заземен участък, окабеляване и дупки като част от равновесието на системата, а неидеалното равновесно окабеляване ще повлияе на ефективността на излъчване и посоката на антената (радиационен шаблон). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Осигурете, доколкото е възможно, непрекъснати заземяващи зони с ниско съпротивление.

И двата края на линията за пълнене са заземени и се използва проходен масив, доколкото е възможно.

Не плувайте меден облечен проводник близо до RF верига, не поставяйте мед около RF верига.

Ако платката съдържа няколко слоя, най -добре е да поставите заземяване през отвор, когато сигналният кабел преминава от едната страна на другата.

Прекомерен капацитет на кристалите

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Ето защо трябва да се спазват някои общи насоки за намаляване на разсеяния капацитет на кристални щифтове, подложки, проводници или връзки към RF устройства.

Следва да се следват следните принципи:

Връзката между кристала и RF устройството трябва да бъде възможно най -кратка.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Ако паразитният капацитет на шунта е твърде голям, премахнете заземителната област под кристала.

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. Therefore, most controlled and high Q inductors are wound type. Второ, можете да изберете многослойна керамична индукция, производителите на многослойни чип кондензатори също предоставят този продукт. Nevertheless, some designers choose spiral inductors when they have to. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Където, a е средният радиус на бобината, в инчове; N е броят на завоите; C is the width of the coil core (router-rinner), in inches. When the coil c “0.2a 11, the accuracy of the calculation method is within 5%.

Могат да се използват еднослойни спирални индуктори с квадратна, шестоъгълна или друга форма. Very good approximations can be found to model planar inductance on integrated circuit wafers. In order to achieve this goal, the standard Wheeler formula is modified to obtain a plane inductance estimation method suitable for small size and square size 12.

Където, ρ е коефициентът на пълнене :; N е броят на завоите, а dAVG е средният диаметър :. За квадратни спирали, К1 = 2.36, К2 = 2.75.

Има много причини да се избягва използването на този тип индуктор, което обикновено води до намаляване на стойностите на индуктивността поради ограничения в пространството. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. В допълнение, действителните стойности на индуктивността са трудни за контролиране по време на производството на печатни платки, а индуктивността също има тенденция да свързва шума към други части на веригата.