Numerosi casi d’applicazione di prudutti di radiofrequenza industriale, scientifica è medica (ISM-RF) mostranu chì u tavulatu di circuitu stampatu a dispusizione di sti prudutti hè propensa à parechji difetti.A ghjente trova spessu chì u listessu IC installatu nantu à duie schede di circuitu differenti, l’indicatori di prestazione seranu significativamente diversi. 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 questu documentu, fr-4 dielettricu, 0.0625in di spessore à doppiu stratu PCB per esempiu, u circuitu di messa à terra. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Direzzione di induttanza

Quandu dui induttori (o ancu duie linee PCB) sò vicini unu di l’altru, l’induttanza mutuale accadrà. 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:

Induve, YB hè a tensione di errore injettata in u circuitu B, IA hè u currente 1 chì agisce nantu à u circuitu A. LM hè assai sensibile à a spaziatura di u circuitu, a zona di u cicculu d’induttanza (vale à dì, u flussu magneticu), è a direzzione di u ciclu. 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. Per questu scopu, u più perpendiculare pussibule l’unu cun l’altru, per piacè riferitevi à u schema di u circuitu di a bassa putenza FSK superheterodyne Receiver Evaluation Board (EV) (MAX7042EVKIT) (Figura 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.

Figura 2. Sò presentati dui schemi PCB diffarenti, unu di i quali hà l’elementi disposti in direzzione sbagliata (L1 è L3), mentre l’altru hè più adattu.

Per riassume, i seguenti principii devenu esse seguitati:

A spaziatura d’induttanza deve esse u più pussibule.

L’induttori sò disposti à angulu rettu per minimizà a crosstalk trà induttori.

Cunduce l’accoppiamento

Cum’è l’orientazione di l’induttori affetta l’accoppiamento magneticu, cusì accoppia l’accoppiamento se i conduttori sò troppu vicini l’uni à l’altri. Stu tipu di prublema di dispusizione produce ancu ciò chì si chjama sensazione mutuale. Unu di i prublemi più cuncernati di u circuitu RF hè u cablu di e parti sensibili di u sistema, cume a rete di corrispondenza d’entrata, u canale risonante di u ricevitore, a rete di corrispondenza di l’antenna di u trasmettitore, ecc.

U percorsu di ritornu attuale deve esse u più vicinu à u percorsu di currente principale pussibule per minimizà u campu magneticu di radiazione. This arrangement helps to reduce the current loop area. U percorsu ideale di bassa resistenza per u currente di ritornu hè di solitu a regione di terra sottu à u piombu – limitendu in modu efficace a zona di u ciclu à una regione induve u spessore di u dielettricu hè multiplicatu per a lunghezza di u piombu. Tuttavia, se a regione di terra hè divisa, l’area di u ciclu aumenta (Figura 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.

Figura 3. A messa à terra larga cumpleta aiuta à migliurà e prestazioni di u sistema

Per un induttore propiu, a direzzione di piombu hà ancu un effettu significativu annantu à l’accoppiamentu di campu magneticu. Se i cavi di un circuitu sensibile devenu esse vicini l’uni à l’altri, hè megliu allinà i cavi verticalmente per riduce l’accoppiamento (Figura 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Per a cuncezzione di u filu di prutezzione, per piacè riferitevi à a sezione di trattamentu di messa à terra è di riempimentu sottu.

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

U prublema principale cù a dispusizione di u circuitu RF hè di solitu l’impedenza caratteristica subottima di u circuitu, cumprese i cumpunenti di u circuitu è ​​e so interconnessioni. U piombu cù un sottile rivestimentu di rame hè equivalente à u filu di induttanza è forma una capacità distribuita cù altri conduttori in vicinanza. U piombu mostra ancu pruprietà d’induttanza è capacitanza mentre passa per u foru.

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. L’effettu di a capacità parassita hè generalmente chjucu è di solitu provoca solu variazioni di punta in i signali numerichi à grande velocità (chì ùn hè micca discusso in stu documentu).

U più grande effettu di u foru attraversu hè l’induttanza parassita causata da u modu d’interconnessione currispundente. 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 hè u diametru di u foru attraversu, in pollici 2.

Cume per evità diversi difetti in u layout di PCB di tavule stampate

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. Condensatori di bypass ideali furniscenu circuiti corti à alta frequenza trà a zona di fornitura è a furmazione, ma i fori attraversu micca ideali ponu influenzà u percorsu di bassa sensibilità trà a furmazione è a zona di fornitura. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Vista a frequenza operativa specifica di u pruduttu ISM-RF, i fori attraversanti ponu influenzà negativamente circuiti sensibili cum’è circuiti di canali risonanti, filtri è reti di corrispondenza.

Altri prublemi si presentanu se i circuiti sensibili spartenu fori, cume i dui bracci di una rete di tippu π. Per esempiu, piazzendu un foru ideale equivalente à l’induttanza cumulata, u schema equivalente hè abbastanza differente da u cuncepimentu di u circuitu originale (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

Figura 6. Ideale versus architetture micca ideali, ci sò “camini di signale” potenziali in u circuitu.

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.

A lunghezza di u piombu

I dati di u produttu Maxim ISM-RF raccomandanu spessu di aduprà l’ingressu è a uscita à alta frequenza più brevi pussibili per minimizà perdite è radiazioni. D’altra parte, tali perdite sò generalmente causate da parametri parassiti non ideali, allora sia l’induttanza parassita sia a capacità influenzanu u schema di u circuitu, è aduprà u piombu u più cortu pussibule aiuta à riduce i parametri parassiti. 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. Per un circuitu LAN / mixer cun un induttore 20nH è un condensatore 3pF, u valore di a cumpunente efficace serà assai influenzatu quandu u circuitu è ​​u schema di cumpunenti sò assai cumpatti.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Stu documentu hè statu rimpiazzatu in u 2003 da IPC-2251 5, chì furnisce un metudu di calculu più precisu per vari fili di 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:

In a formula, εr hè a costante dielettrica di u dielettricu, h hè l’altezza di u piombu da u stratu, W hè a larghezza di u piombu, è T hè u spessore di u piombu (FIG. 7). Quandu w / h hè trà 0.1 è 2.0 è εr hè trà 1 è 15, i risultati di calculu di sta formula sò abbastanza accurati.

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 questu esempiu, discurremu capacità è induttanza stray. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Similmente, l’induttanza caratteristica pò esse calculata da l’equazione aduprendu l’equazione sopra:

Per esempiu, assumemu un spessore di PCB di 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 oncia di piombo rivestito di rame (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil), è una tavula FR-4. Innota chì u ε R di FR-4 hè tipicamente 4.35 farad / m (F / m), ma pò varià da 4.0F / m à 4.7F / m. I valori propii calculati in questu esempiu sò Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / in.

Per un cuncepimentu ISM-RF, una lunghezza di layout 12.7mm (0.5in) di i cavi nantu à u bordu pò pruduce parametri parassiti di circa 0.5pF è 9.3nH (Figura 8). L’effettu di i parametri parassiti à questu livellu nantu à u canali risonante di u ricevitore (variazione di u produttu LC) pò risultà in 315MHz ± 2% o 433.92mhz ± 3.5% variazione. A causa di a capacità è di l’induttanza addiziunali causate da l’effettu parasiticu di u piombu, u piccu di a frequenza di oscillazione 315 MHz raggiunge i 312.17 mhz, è u piccu di a frequenza di oscillazione 433.92 mhz raggiunge i 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. Calculate a frequenza d’oscillazione di u circuitu risonante aduprendu l’equazione:

A valutazione di u circuitu risonante di a piastra deve includere l’effetti parassiti di u pacchettu è di u layout, è i parametri parassiti sò 7.3PF è 7.5PF rispettivamente quandu si calcula a frequenza risonante 315MHz. Nutate bè chì u pruduttu LC riprisenta una capacità cumulata.

Per riassume, i seguenti principii devenu esse seguitati:

Mantene u piombu u più cortu pussibule.

Pone i circuiti chjave u più vicinu pussibule à u dispusitivu.

I cumpunenti chjave sò cumpensati secondu u parasitismu di schema propiu.

Trattamentu di messa à terra è di riempimentu

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Equalizà tutti i campi elettrichi in questu modu produce un bonu meccanismu di schermatura.

U currente continuu tende sempre à flussu longu à un percorsu di bassa resistenza. In u listessu modu, u currente à alta frequenza scorre preferenzialmente per u percorsu cù a resistenza più bassa. 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).

Cume per evità diversi difetti in u layout di PCB di tavule stampate

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. Ùn mischjà u filu di guardia cù u piombu cuncepitu per furnisce un percorsu di ritornu di corrente. Questa disposizione pò introduce crosstalk.

Cume per evità diversi difetti in u layout di PCB di tavule stampate

FIG. 10. A cuncezzione di u sistema RF deve evità fili rivestiti di rame flottanti, soprattuttu s’ellu hè necessariu un rivestimentu di rame.

L’area rivestita di rame ùn hè micca messa à terra (flottante) o messa à terra solu à una estremità, ciò chì limita a so efficacia. 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. In breve, se un pezzu di rivestimentu di rame (cablaggio di segnale senza circuitu) hè messu nantu à u circuitu per assicurà un spessore di placcatura consistente. E zone rivestite di rame devenu esse evitate in quantu affettanu a cuncezzione di u circuitu.

Infine, assicuratevi di cunsiderà l’effetti di qualsiasi area di terra vicinu à l’antenna. Ogni antenna monopole avrà a regione di terra, u cablu è i fori cum’è parte di l’equilibriu di u sistema, è u cablaggio di equilibriu non ideale influenzerà l’efficienza di radiazione è a direzzione di l’antenna (mudellu di radiazione). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Per riassume, i seguenti principii devenu esse seguitati:

Fornite zone di messa à terra cuntinue è à bassa resistenza u più pussibule.

E duie estremità di a linea di riempimentu sò messe à terra, è una matrice attraversu hè usata u più pussibule.

Ùn flutterate micca u filu rivestitu di rame vicinu à u circuitu RF, ùn mette micca u rame intornu à u circuitu RF.

Se u circuitu cuntene più strati, hè megliu mette un terrenu attraversu un foru quandu u cavu di signale passa da una parte à l’altra.

Capacità cristallina eccessiva

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Dunque, alcune linee guida generali devenu esse seguitate per riduce a capacità perduta di i perni di cristalli, pads, fili, o cunnessioni à dispositivi RF.

I seguenti principii devenu esse seguitati:

A cunnessione tra u cristallu è u dispositivu RF deve esse u più breve pussibule.

Mantene u cablu da l’altru u più pussibule.

Se a capacità parassita shunt hè troppu grande, rimuovere a regione di messa à terra sottu à u cristallu.

Induttanza di cablaggio planare

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. Dunque, a maggior parte di l’induttori Q cuntrullati è alti sò di tippu ferita. Dopu, pudete sceglie un induttore ceramicu multistratu, i produttori di condensatori di chip multistrato furniscenu ancu questu pruduttu. Tuttavia, alcuni cuncettori scelenu induttori spirali quandu anu da fà. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Induve, a hè u raghju mediu di a bobina, in pollici; N hè u numeru di giri; C hè a larghezza di u core di a bobina (router-rinner), in pollici. Quandu a bobina c “0.2a 11, a precisione di u metudu di calculu hè in 5%.

Pò esse aduprati induttori spirali à un stratu di forma quadrata, esagonale o altre. Assai boni apprussimazioni ponu esse truvati per mudellà l’induttanza pianu nantu à i wafer di circuitu integratu. Per uttene questu scopu, a formula standard di Wheeler hè modificata per uttene un metudu di stima di induttanza aereo adatta per dimensioni chjuche è quadrate 12.

Induve, ρ hè u rapportu di riempimentu :; N hè u numeru di giri, è dAVG hè u diametru mediu:. Per elici quadrati, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Ci sò parechje ragioni per evità di aduprà stu tippu di induttore, chì di solitu risultanu in valori di induttanza ridotti per via di limitazioni di spaziu. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Inoltre, i valori d’induttanza attuali sò difficiuli à cuntrullà durante a produzzione di PCB, è l’induttanza tende ancu à accuppià u rumu à altre parte di u circuitu.