Četné případy použití průmyslových, vědeckých a lékařských radiofrekvenčních produktů (ISM-RF) ukazují, že plošných spojů rozložení těchto produktů je náchylné k různým vadám.Lidé často zjišťují, že stejný integrovaný obvod instalovaný na dvou různých deskách s obvody se bude výrazně lišit. Změny v provozních podmínkách, harmonické záření, schopnost rušení a doba spuštění mohou vysvětlit důležitost uspořádání obvodové desky v úspěšném návrhu.

Tento článek uvádí různá vynechání návrhu, pojednává o příčinách každé poruchy a poskytuje návrhy, jak se těmto vadám návrhu vyhnout. V tomto příspěvku je dielektrikum fr-4, dvouvrstvá PCB o tloušťce 0.0625 palce, jako uzemnění obvodové desky. Pracuje v různých frekvenčních pásmech mezi 315 MHz a 915 MHz, výkon Tx a Rx mezi -120 dB a +13 dBm.

Směr indukčnosti

Když jsou dva induktory (nebo dokonce dvě linky PCB) blízko sebe, dojde k vzájemné indukčnosti. Magnetické pole generované proudem v prvním obvodu budí proud v druhém obvodu (obrázek 1). Tento proces je podobný interakci mezi primární a sekundární cívkou transformátoru. Když dva proudy interagují magnetickým polem, generované napětí je určeno vzájemnou indukčností LM:

Kde YB je chybové napětí vstřikované do obvodu B, IA je proud 1 působící na obvod A. LM je velmi citlivý na rozteč obvodů, oblast indukční smyčky (tj. Magnetický tok) a směr smyčky. Nejlepší rovnováha mezi uspořádáním kompaktních obvodů a redukovanou vazbou je proto správné zarovnání všech induktorů ve směru.

OBR. 1. Z čar magnetického pole je vidět, že vzájemná indukčnost souvisí se směrem zarovnání indukčnosti

Směr obvodu B je upraven tak, aby jeho proudová smyčka byla rovnoběžná s linií magnetického pole obvodu A. Za tímto účelem se podívejte na uspořádání obvodů desky FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) (MAX7042EVKIT) s nízkým výkonem (MAX2EVKIT) (obrázek XNUMX). Tři induktory na desce (L3, L1 a L2) jsou velmi blízko sebe a jejich orientace v 0 °, 45 ° a 90 ° pomáhá snížit vzájemnou indukčnost.

Obrázek 2. Jsou ukázána dvě různá rozvržení DPS, z nichž jedno má prvky uspořádané ve špatném směru (L1 a L3), zatímco druhé je vhodnější.

Abychom to shrnuli, měli bychom dodržovat následující zásady:

Rozteč indukčnosti by měla být co nejdále.

Induktory jsou uspořádány v pravých úhlech, aby se minimalizovalo přeslechy mezi induktory.

Veďte spojku

Stejně jako orientace induktorů ovlivňuje magnetickou vazbu, ovlivňuje ji i spojka, pokud jsou vodiče příliš blízko sebe. Tento druh problému s rozložením také produkuje to, čemu se říká vzájemný pocit. Jedním z nejvíce znepokojených problémů vysokofrekvenčního obvodu je zapojení citlivých částí systému, jako je síť pro přizpůsobení vstupu, rezonanční kanál přijímače, síť pro přizpůsobení antény vysílače atd.

Cesta zpětného proudu by měla být co nejblíže hlavní proudové cestě, aby se minimalizovalo radiační magnetické pole. Toto uspořádání pomáhá zmenšit oblast aktuální smyčky. Ideální cesta s nízkým odporem pro zpětný proud je obvykle zemní oblast pod svodem – účinně omezuje oblast smyčky na oblast, kde je tloušťka dielektrika vynásobena délkou vývodu. Pokud je však pozemní oblast rozdělena, oblast smyčky se zvětší (obrázek 3). U vodičů procházejících rozdělenou oblastí bude zpětný proud protlačen cestou vysokého odporu, což výrazně zvýší oblast proudové smyčky. Toto uspořádání také činí vodiče obvodu náchylnější k vzájemné indukčnosti.

Obrázek 3. Kompletní uzemnění na velké ploše pomáhá zlepšit výkon systému

U skutečného induktoru má směr vedení také významný vliv na vazbu magnetického pole. Pokud musí být vodiče citlivého obvodu blízko sebe, je nejlepší vodiče svisle zarovnat, aby se snížila vazba (obrázek 4). Pokud vertikální zarovnání není možné, zvažte použití ochranné linie. Informace o konstrukci ochranného vodiče naleznete v níže uvedené části o uzemnění a plnění.

Obrázek 4. Podobně jako na obrázku 1 ukazuje možné spojení magnetických siločar.

Abychom to shrnuli, při distribuci desky je třeba dodržovat následující zásady:

Pod vodičem by mělo být zajištěno úplné uzemnění.

Citlivé přívody by měly být uspořádány svisle.

Pokud musí být vodiče uspořádány paralelně, zajistěte dostatečné vzdálenosti nebo použijte ochranné vodiče.

Uzemnění přes

Hlavním problémem uspořádání RF obvodu je obvykle neoptimální charakteristická impedance obvodu, včetně obvodových komponent a jejich propojení. Svod s tenkým měděným povlakem je ekvivalentní indukčnímu drátu a tvoří distribuovanou kapacitu s ostatními svody v okolí. Při průchodu otvorem svod také vykazuje indukční a kapacitní vlastnosti.

Kapacitní odpor průchozích otvorů pochází především z kapacity vytvořené mezi měděným pláštěm na straně podložky průchozího otvoru a měděným pláštěm na zemi, odděleným poměrně malým prstencem. Další vliv pochází z válce samotné kovové perforace. Účinek parazitní kapacity je obecně malý a obvykle způsobuje pouze kolísání okrajů ve vysokorychlostních digitálních signálech (což není v tomto článku pojednáno).

Největší účinek průchozí díry je parazitní indukčnost způsobená odpovídajícím propojovacím režimem. Protože většina kovových perforací v konstrukcích RF PCB má stejnou velikost jako hrudkovité součásti, lze účinek elektrických perforací odhadnout pomocí jednoduchého vzorce (OBR. 5):

Kde LVIA je soustředěná indukčnost skrz otvor; H je výška průchozí díry v palcích; D je průměr průchozí díry v palcích 2.

Jak se vyhnout různým vadám v rozvržení plošných spojů tištěných desek

OBR. 5. Průřez desky plošných spojů používaný k odhadu parazitních účinků na struktury průchozích otvorů

Parazitická indukčnost má často velký vliv na připojení obtokových kondenzátorů. Ideální obtokové kondenzátory poskytují vysokofrekvenční zkraty mezi napájecí zónou a formací, ale neideální průchozí otvory mohou ovlivnit dráhu nízké citlivosti mezi formací a napájecí zónou. Typický průchozí otvor PCB (d = 10 mil, h = 62.5 mil) je přibližně ekvivalentní induktoru 1.34 nH. Vzhledem ke specifické pracovní frekvenci produktu ISM-RF mohou průchozí otvory nepříznivě ovlivnit citlivé obvody, jako jsou obvody rezonančních kanálů, filtry a odpovídající sítě.

Další problémy nastávají, pokud citlivé obvody sdílejí otvory, jako například dvě ramena sítě typu π. Například umístěním ideálního otvoru ekvivalentního soustředěné indukčnosti je ekvivalentní schéma zcela odlišné od původního návrhu obvodu (obr. 6). Stejně jako u přeslechu společné proudové cesty 3, což má za následek zvýšenou vzájemnou indukčnost, zvýšený přeslech a průchod.

Jak se vyhnout problémům s návrhem DPS

Obrázek 6. Ideální vs. neideální architektury, v obvodu jsou potenciální „signálové cesty“.

Abychom to shrnuli, rozvržení obvodu by mělo dodržovat následující zásady:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Filtr nebo odpovídající síť používá nezávislé průchozí otvory.

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

Délka vedení

Data produktu Maxim ISM-RF často doporučují používat co nejkratší vysokofrekvenční vstupní a výstupní vodiče, aby se minimalizovaly ztráty a záření. Na druhou stranu jsou takové ztráty obvykle způsobeny neideálními parazitními parametry, takže jak parazitní indukčnost, tak kapacita ovlivňují rozložení obvodu a použití co nejkratšího vedení pomáhá parazitické parametry redukovat. Typicky, 10 mil široký PCB kabel se vzdáleností 0.0625 palce… Z desky FR4 produkuje indukčnost přibližně 19 nH/in a distribuovanou kapacitu přibližně 1 pF/in. U obvodu LAN/ směšovače s induktorem 20nH a kondenzátorem 3pF bude efektivní hodnota součásti výrazně ovlivněna, pokud je uspořádání obvodu a součásti velmi kompaktní.

Ipc-d-317a4 v ‘Institute for Printed Circuits’ poskytuje průmyslovou standardní rovnici pro odhad různých impedančních parametrů mikropáskových desek plošných spojů. Tento dokument byl v roce 2003 nahrazen IPC-2251 5, který poskytuje přesnější metodu výpočtu pro různé svody PCB. Online kalkulačky jsou k dispozici z různých zdrojů, z nichž většina vychází z rovnic poskytnutých IPC-2251. Laboratoř elektromagnetické kompatibility na technologickém institutu v Missouri poskytuje velmi praktickou metodu pro výpočet impedance elektrody PCB 6.

Přijatá kritéria pro výpočet impedance mikropáskových linek jsou:

Ve vzorci je εr dielektrická konstanta dielektrika, h je výška svodu od vrstvy, W je šířka svodu a T je tloušťka svodu (obr. 7). Když je w/h mezi 0.1 a 2.0 a εr je mezi 1 a 15, jsou výsledky výpočtu tohoto vzorce docela přesné.

Obrázek 7. Tento obrázek je průřez DPS (podobný obrázku 5) a představuje strukturu použitou pro výpočet impedance mikropáskové linky.

Aby bylo možné vyhodnotit účinek délky svodu, je praktičtější určit rozladicí účinek ideálního obvodu pomocí parazitních parametrů svodu. V tomto případě diskutujeme rozptylovou kapacitu a indukčnost. Standardní rovnice charakteristické kapacity pro mikropásková vedení je:

Podobně lze z rovnice vypočítat charakteristickou indukčnost pomocí výše uvedené rovnice:

Předpokládejme například tloušťku DPS 0.0625 palce. (h = 62.5 mil), 1 unce měděného povlaku olova (t = 1.35 mil), 0.01 palce (w = 10 mil) a deska FR-4. Všimněte si, že ε R FR-4 je typicky 4.35 farad/m (F/m), ale může se pohybovat od 4.0 F/m do 4.7 F/m. Vlastní čísla vypočtená v tomto příkladu jsou Z0 = 134 ω, C0 = 1.04 pF/in, L0 = 18.7 nH/in.

U provedení AN ISM-RF může délka vedení na desce 12.7 mm (0.5 palce) produkovat parazitní parametry přibližně 0.5 pF a 9.3 nH (obrázek 8). Účinek parazitických parametrů na této úrovni na rezonanční kanál přijímače (variace LC produktu) může mít za následek variaci 315 MHz ± 2% nebo 433.92 MHz ± 3.5%. Vzhledem k dodatečné kapacitě a indukčnosti způsobené parazitním účinkem svodu dosahuje vrchol oscilační frekvence 315 MHz 312.17 MHz a vrchol oscilační frekvence 433.92 MHz dosahuje 426.6 MHz.

Dalším příkladem je rezonanční kanál Maximova superheterodynového přijímače (MAX7042). Doporučené komponenty jsou 1.2 pF a 30 nH při 315 MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Vypočítejte frekvenci oscilací rezonančního obvodu pomocí rovnice:

Vyhodnocení rezonančního obvodu desky by mělo zahrnovat parazitní efekty obalu a rozložení a při výpočtu rezonanční frekvence 7.3 MHz jsou parazitní parametry 7.5 PF respektive 315 PF. Všimněte si, že produkt LC představuje soustředěnou kapacitu.

Abych to shrnul, je třeba dodržovat následující zásady:

Udržujte vedení co nejkratší.

Umístěte klíčové obvody co nejblíže zařízení.

Klíčové komponenty jsou kompenzovány podle skutečného parazitismu rozvržení.

Uzemnění a ošetření výplně

Uzemňovací nebo napájecí vrstva definuje společné referenční napětí, které dodává energii všem částem systému cestou nízkého odporu. Vyrovnávání všech elektrických polí tímto způsobem vytváří dobrý stínící mechanismus.

Stejnosměrný proud má vždy tendenci proudit po dráze s nízkým odporem. Stejně tak vysokofrekvenční proud přednostně protéká cestou s nejnižším odporem. Takže pro standardní mikropáskovou linku PCB nad formací se zpětný proud pokouší proudit do oblasti země přímo pod vývodem. Jak je popsáno výše v části spojky olova, řezaná zemní oblast přináší různé zvuky, které zvyšují přeslechy buď spojením magnetického pole nebo konvergujícími proudy (obrázek 9).

Jak se vyhnout různým vadám v rozvržení plošných spojů tištěných desek

OBR. 9. Udržujte formaci neporušenou co nejvíce, jinak zpětný proud způsobí přeslechy.

Vyplněná zem, známá také jako ochranné vedení, se běžně používá v obvodech, kde je obtížné položit souvislé uzemnění nebo kde je vyžadováno stínění citlivých obvodů (obr. 10). Efekt stínění lze zvýšit umístěním uzemňovacích otvorů (tj. Děrových polí) na oba konce elektrody nebo podél elektrody. 8. Nemíchejte ochranný vodič s vodičem navrženým tak, aby poskytoval cestu zpětného proudu. Toto uspořádání může zavést přeslechy.

Jak se vyhnout různým vadám v rozvržení plošných spojů tištěných desek

OBR. 10. Návrh systému RF by se měl vyvarovat plovoucích měděných plátovaných drátů, zvláště pokud je vyžadováno měděné opláštění.

Oblast pokrytá mědí není uzemněna (plovoucí) ani uzemněna pouze na jednom konci, což omezuje její účinnost. V některých případech může způsobit nežádoucí efekty vytvořením parazitní kapacity, která změní impedanci okolního vedení nebo vytvoří „latentní“ cestu mezi obvody. Stručně řečeno, pokud je na desce s obvody položen kus měděného pláště (nekruhové signální vedení), aby byla zajištěna konzistentní tloušťka pokovení. Je třeba se vyhnout oblastem pokrytým mědí, protože ovlivňují konstrukci obvodu.

Nakonec nezapomeňte vzít v úvahu účinky jakékoli pozemní oblasti poblíž antény. Jakákoli monopólová anténa bude mít zemní oblast, kabeláž a otvory jako součást systémové rovnováhy a neideální rovnovážné zapojení ovlivní účinnost záření a směr antény (šablona záření). Pozemní oblast by proto neměla být umístěna přímo pod monopólovou olověnou anténou PCB.

Abychom to shrnuli, měli bychom dodržovat následující zásady:

Zajistěte pokud možno nepřetržité uzemňovací zóny s nízkým odporem.

Oba konce plnící linky jsou uzemněny a pokud je to možné, používá se pole s průchozími otvory.

Nenechávejte plavat měděný plášť v blízkosti RF obvodu, nepokládejte měď kolem RF obvodu.

Pokud obvodová deska obsahuje více vrstev, je nejlepší položit uzemňovací otvor, když signální kabel prochází z jedné strany na druhou.

Nadměrná krystalová kapacita

Parazitická kapacita způsobí, že se krystalová frekvence odchýlí od cílové hodnoty 9. Proto je třeba dodržovat několik obecných pokynů, aby se snížila zbloudilá kapacita krystalových kolíků, podložek, vodičů nebo připojení k RF zařízením.

Je třeba dodržovat následující zásady:

Spojení mezi krystalem a RF zařízením by mělo být co nejkratší.

Udržujte vedení od sebe co nejdále.

Pokud je bočníková parazitní kapacita příliš velká, odstraňte uzemňovací oblast pod krystalem.

Indukčnost planárního zapojení

Nedoporučuje se planární zapojení nebo spirálové tlumivky PCB. Typické výrobní postupy desek plošných spojů mají určité nepřesnosti, jako jsou tolerance šířky a prostoru, které výrazně ovlivňují přesnost hodnot součástí. Většina kontrolovaných a vysoce Q induktorů je proto vinutá. Za druhé, můžete si vybrat vícevrstvý keramický induktor, výrobci vícevrstvých čipových kondenzátorů také poskytují tento produkt. Přesto někteří návrháři volí spirálové tlumivky, když musí. Standardní vzorec pro výpočet planární spirálové indukčnosti je obvykle Wheelerův vzorec 10:

Kde a je průměrný poloměr cívky v palcích; N je počet otáček; C je šířka jádra cívky (router-rinner) v palcích. Když cívka c “0.2a 11, přesnost metody výpočtu je do 5%.

Lze použít jednovrstvé spirálové induktory čtvercových, šestihranných nebo jiných tvarů. Velmi dobré aproximace lze nalézt pro modelování planární indukčnosti na destičkách integrovaných obvodů. Aby bylo dosaženo tohoto cíle, je standardní Wheelerův vzorec upraven tak, aby byla získána metoda odhadu rovinné indukčnosti vhodná pro malé velikosti a čtvercové velikosti 12.

Kde ρ je poměr plnění :; N je počet závitů a dAVG je průměrný průměr :. Pro čtvercové šroubovice K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Existuje mnoho důvodů, proč se vyhnout použití tohoto typu induktoru, což obvykle vede ke snížení hodnot indukčnosti kvůli prostorovým omezením. Hlavními důvody, proč se vyhnout planárním induktorům, je omezená geometrie a špatná kontrola kritických rozměrů, což znemožňuje předpovídat hodnoty induktorů. Skutečné hodnoty indukčnosti jsou navíc při výrobě desek plošných spojů obtížně kontrolovatelné a indukčnost má také tendenci spojovat šum s jinými částmi obvodu.