Brojni slučajevi primjene industrijskih, naučnih i medicinskih radiofrekvencijskih proizvoda (ISM-RF) pokazuju da je štampana ploča Izgled ovih proizvoda je sklon raznim nedostacima.Ljudi često otkrivaju da će isti IC instaliran na dvije različite ploče, pokazatelji performansi biti značajno različiti. 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. U ovom radu, dielektrik fr-4, dvoslojna PCB debljine 0.0625 in, kao primjer, uzemljenje ploče. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Smjer induktivnosti

Kada su dva induktora (ili čak dvije linije PCB -a) jedna blizu druge, doći će do međusobne induktivnosti. 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:

Gdje je YB napon pogreške ubrizgan u krug B, IA je struja 1 koja djeluje na krug 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. U tu svrhu, što je moguće okomitije jedno prema drugome, pogledajte raspored kola ploče male snage FSK za procjenu superheterodinskih prijemnika (EV) (MAX7042EVKIT) (slika 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.

Slika 2. Prikazana su dva različita izgleda PCB -a, od kojih jedan ima elemente postavljene u pogrešnom smjeru (L1 i L3), dok je drugi prikladniji.

To sum up, the following principles should be followed:

Razmak induktiviteta treba biti što je više moguće.

Induktori su postavljeni pod pravim kutom kako bi se smanjili preslušavanja između induktora.

Vodite spojku

Kao što orijentacija prigušnica utječe na magnetsko spajanje, tako i na spojnicu ako su vodiči preblizu jedan drugom. Ova vrsta problema sa rasporedom takođe proizvodi ono što se naziva međusobna senzacija. Jedan od najzabrinutijih problema RF kola je ožičenje osjetljivih dijelova sistema, kao što je mreža za usklađivanje ulaza, rezonantni kanal prijemnika, mreža za usklađivanje antena predajnika itd.

Povratna struja treba biti što bliže glavnoj struji kako bi se smanjilo magnetsko polje zračenja. This arrangement helps to reduce the current loop area. Idealan put niskog otpora za povratnu struju obično je područje zemlje ispod elektrode – čime se učinkovito ograničava područje petlje na područje u kojem se debljina dielektrika množi s dužinom elektrode. Međutim, ako se područje tla podijeli, područje petlje se povećava (slika 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.

Slika 3. Potpuno uzemljenje velike površine pomaže u poboljšanju performansi sistema

Za stvarni induktor, smjer elektrode također ima značajan utjecaj na sprezanje magnetskog polja. Ako vodiči osjetljivog kruga moraju biti blizu jedan drugome, najbolje je vodove poravnati okomito kako bi se smanjila sprega (slika 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

Glavni problem u rasporedu RF kola obično je suboptimalna karakteristična impedansa kola, uključujući komponente kola i njihove međusobne veze. Elektroda s tankim bakrenim premazom ekvivalentna je induktivnoj žici i tvori raspodijeljeni kapacitet s ostalim elektrodama u blizini. Elektroda također pokazuje svojstva induktivnosti i kapacitivnosti dok prolazi kroz rupu.

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. Učinak parazitskog kapacitivnosti općenito je mali i obično uzrokuje samo promjenu rubova u brzim digitalnim signalima (o čemu se u ovom radu ne raspravlja).

Najveći učinak prolazne rupe je parazitska induktivnost uzrokovana odgovarajućim načinom međusobnog povezivanja. 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 je promjer provrta, u inčima 2.

Kako izbjeći različite nedostatke u rasporedu tiskanih ploča na PCB -u

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. Idealni zaobilazni kondenzatori osiguravaju visokofrekventne kratke spojeve između opskrbne zone i formacije, ali neidealni prolazni otvori mogu utjecati na put niske osjetljivosti između formacije i dovodne zone. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. S obzirom na specifičnu radnu frekvenciju ISM-RF proizvoda, prolazne rupe mogu negativno utjecati na osjetljiva kola poput krugova rezonantnih kanala, filtera i odgovarajućih mreža.

Drugi problemi nastaju ako osjetljiva kola dijele rupe, poput dva kraka mreže tipa π. Na primjer, postavljanjem idealne rupe ekvivalentne kumulativnoj induktivnosti, ekvivalentna shema se prilično razlikuje od originalnog dizajna kola (slika 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

Slika 6. Idealne naspram neidealnih arhitektura, u krugu postoje potencijalne “signalne staze”.

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.

Dužina olova

Maxim ISM-RF podaci o proizvodima često preporučuju korištenje najkraćih mogućih visokofrekventnih ulaznih i izlaznih kabela kako bi se smanjili gubici i zračenje. S druge strane, takvi gubici obično su uzrokovani neidealnim parazitskim parametrima, pa parazitska induktivnost i kapacitet utječu na raspored kola, a upotreba najkraćeg mogućeg vodiča pomaže u smanjenju parazitskih parametara. 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. Za LAN/ mješalni krug s indukcijom od 20 nH i kondenzatorom od 3 pF, efektivna vrijednost komponente bit će uvelike pogođena kada su krug i raspored komponenti vrlo kompaktni.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Ovaj je dokument 2003. zamijenjen IPC-2251 5, koji pruža precizniji način izračunavanja za različite PCB vodiče. 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:

U formuli, εr je dielektrična konstanta dielektrika, h je visina olova iz sloja, W je širina olova, a T je debljina olova (slika 7). Kada je w/h između 0.1 i 2.0, a εr između 1 i 15, rezultati proračuna ove formule su prilično tačni.

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. U ovom primjeru raspravljamo o zalutalom kapacitetu i induktivnosti. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Slično, karakteristična induktivnost se može izračunati iz jednadžbe pomoću gornje jednadžbe:

Na primjer, pretpostavimo da je debljina PCB -a 0.0625 inča. (h = 62.5 mil), olovo prevučeno bakrenom uncem (t = 1 mil), 1.35 inča (w = 0.01 mil) i ploču FR-10. Imajte na umu da je ε R FR-4 tipično 4.35 farad/m (F/m), ali se može kretati od 4.0F/m do 4.7F/m. Vlastite vrijednosti izračunate u ovom primjeru su Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Za AN ISM-RF dizajn, dužina kabela od 12.7 mm (0.5 inča) na ploči može proizvesti parazitske parametre od približno 0.5 pF i 9.3 nH (slika 8). Učinak parazitskih parametara na ovom nivou na rezonantni kanal prijemnika (varijacija LC proizvoda) može rezultirati varijacijom od 315MHz ± 2% ili 433.92mhz ± 3.5%. Zbog dodatnog kapaciteta i induktivnosti uzrokovanih parazitskim djelovanjem olova, vrhunac frekvencije oscilovanja na 315 MHz doseže 312.17 mhz, a vrhunac oscilacije na 433.92 mhz doseže 426.6 mhz.

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. Izračunajte frekvenciju oscilovanja rezonantnog kola koristeći jednačinu:

Procjena rezonantnog kruga ploče treba uključivati ​​parazitske učinke pakiranja i rasporeda, a parazitski parametri su 7.3PF odnosno 7.5PF pri izračunavanju rezonantne frekvencije 315MHz. Imajte na umu da LC proizvod predstavlja kumulativni kapacitet.

Ukratko, potrebno je slijediti sljedeće principe:

Neka vodstvo bude što kraće.

Krugove ključeva postavite što je moguće bliže uređaju.

Ključne komponente kompenziraju se prema stvarnom parazitizmu rasporeda.

Obrada uzemljenja i punjenja

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Izjednačavanje svih električnih polja na ovaj način proizvodi dobar zaštitni mehanizam.

Jednosmjerna struja uvijek teži duž puta sa malim otporom. Na isti način, visokofrekventna struja prvenstveno prolazi kroz putanju s najmanjim otporom. 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).

Kako izbjeći različite nedostatke u rasporedu tiskanih ploča na PCB -u

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. Nemojte miješati zaštitnu žicu s elektrodom koja je dizajnirana da osigura put povratne struje. Ovaj aranžman može uvesti preslušavanje.

Kako izbjeći različite nedostatke u rasporedu tiskanih ploča na PCB -u

Sl. 10. Dizajn RF sistema trebao bi izbjegavati plutajuće bakrene žice, posebno ako je potrebno bakreno platno.

Područje prekriveno bakrom nije uzemljeno (plutajuće) ili uzemljeno samo na jednom kraju, što ograničava njegovu učinkovitost. 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. Ukratko, ako je komad bakrene obloge (signalno ožičenje bez kruga) položen na ploču kako bi se osigurala konzistentna debljina oplate. Treba izbjegavati područja prekrivena bakrom jer utječu na dizajn kola.

Na kraju, svakako uzmite u obzir efekte bilo koje površine zemlje u blizini antene. Svaka monopolna antena će imati dio zemlje, ožičenje i rupe kao dio ravnoteže sistema, a neidealno ravnotežno ožičenje će utjecati na efikasnost zračenja i smjer antene (predložak zračenja). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Omogućite što je moguće duže zone uzemljenja s malim otporom.

Oba kraja linije za punjenje su uzemljena, a niz otvora se koristi koliko je god moguće.

Nemojte lebdjeti bakrenom žicom u blizini RF kruga, nemojte postavljati bakar oko RF kola.

Ako ploča sadrži više slojeva, najbolje je postaviti zemlju kroz otvor kada signalni kabel pređe s jedne strane na drugu.

Preveliki kapacitet kristala

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Stoga se trebaju slijediti neke opće smjernice za smanjenje zalutalog kapaciteta kristalnih pinova, podloga, žica ili veza s RF uređajima.

The following principles should be followed:

Veza između kristala i RF uređaja trebala bi biti što kraća.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Ako je parazitski kapacitet šanta prevelik, uklonite područje uzemljenja ispod kristala.

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. Drugo, možete odabrati višeslojni keramički induktor, proizvođači višeslojnih čipskih kondenzatora također pružaju ovaj proizvod. Ipak, neki dizajneri biraju spiralne induktore kad to moraju. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Gdje je, a prosječni polumjer zavojnice, u inčima; N je broj zavoja; C is the width of the coil core (router-rinner), in inches. Kada je zavojnica c “0.2a 11, tačnost proračunske metode je unutar 5%.

Mogu se koristiti jednoslojni spiralni induktori kvadratnog, šesterokutnog ili drugog oblika. Mogu se pronaći vrlo dobre aproksimacije za modeliranje planarne induktivnosti na pločicama integriranog kola. Kako bi se postigao ovaj cilj, standardna Wheelerova formula je modificirana kako bi se dobila metoda procjene ravne induktivnosti pogodna za male veličine i kvadratne veličine 12.

Gdje je, ρ omjer punjenja :; N je broj zavoja, a dAVG je prosječni promjer :. Za kvadratne spirale, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Postoji mnogo razloga da se izbjegne uporaba ove vrste induktora, koji obično rezultiraju smanjenjem vrijednosti induktivnosti zbog ograničenja prostora. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Osim toga, stvarne vrijednosti induktiviteta je teško kontrolirati tijekom proizvodnje PCB -a, a induktivnost također nastoji spojiti šum na druge dijelove kola.