Mae nifer o achosion cymhwysiad o gynhyrchion amledd radio diwydiannol, gwyddonol a meddygol (ISM-RF) yn dangos bod y bwrdd cylched printiedig mae cynllun y cynhyrchion hyn yn dueddol o ddiffygion amrywiol.Mae pobl yn aml yn canfod y bydd yr un IC wedi’i osod ar ddau fwrdd cylched gwahanol, dangosyddion perfformiad yn sylweddol wahanol. Gall amrywiadau mewn amodau gweithredu, ymbelydredd harmonig, gallu gwrth-ymyrraeth, ac amser cychwyn egluro pwysigrwydd cynllun bwrdd cylched mewn dyluniad llwyddiannus.

Mae’r erthygl hon yn rhestru’r hepgoriadau dylunio amrywiol, yn trafod achosion pob methiant, ac yn cynnig awgrymiadau ar sut i osgoi’r diffygion dylunio hyn. Yn y papur hwn, mae dielectric fr-4, PCB haen ddwbl trwch 0.0625in fel enghraifft, y bwrdd cylched yn sylfaen. Yn gweithredu mewn gwahanol fandiau amledd rhwng 315MHz a 915MHz, pŵer Tx a Rx rhwng -120dbm a + 13dBm.

Cyfeiriad sefydlu

Pan fydd dau anwythydd (neu hyd yn oed dwy linell PCB) yn agos at ei gilydd, bydd anwythiad cilyddol yn digwydd. Mae’r maes magnetig a gynhyrchir gan y cerrynt yn y gylched gyntaf yn cyffroi’r cerrynt yn yr ail gylched (Ffigur 1). Mae’r broses hon yn debyg i’r rhyngweithio rhwng coiliau cynradd ac eilaidd trawsnewidydd. When two currents interact through a magnetic field, the voltage generated is determined by mutual inductance LM:

Lle, YB yw’r foltedd gwall sydd wedi’i chwistrellu i gylched B, IA yw’r 1 cyfredol sy’n gweithredu ar gylched A. Mae LM yn sensitif iawn i fylchau cylched, ardal dolen inductance (hy, fflwcs magnetig), a chyfeiriad dolen. Felly, y cydbwysedd gorau rhwng cynllun cylched cryno a llai o gyplu yw aliniad cywir yr holl anwythyddion i’r cyfeiriad.

FIG. 1. Gellir gweld o linellau maes magnetig bod inductance cilyddol yn gysylltiedig â chyfeiriad aliniad inductance

Mae cyfeiriad cylched B yn cael ei addasu fel bod ei ddolen gyfredol yn gyfochrog â llinell maes magnetig cylched A. At y diben hwn, mor berpendicwlar â phosibl i’w gilydd, cyfeiriwch at gynllun cylched y bwrdd Gwerthuso Derbynnydd superheterodyne FSK pŵer isel (EV) (MAX7042EVKIT) (Ffigur 2). Mae’r tri anwythydd ar y bwrdd (L3, L1 a L2) yn agos iawn at ei gilydd, ac mae eu cyfeiriadedd ar 0 °, 45 ° a 90 ° yn helpu i leihau anwythiad cilyddol.

Ffigur 2. Dangosir dau gynllun PCB gwahanol, ac mae gan un ohonynt yr elfennau wedi’u trefnu i’r cyfeiriad anghywir (L1 a L3), tra bod y llall yn fwy addas.

I grynhoi, dylid dilyn yr egwyddorion canlynol:

Dylai’r bylchau anwythiad fod cyn belled ag y bo modd.

Trefnir anwythyddion ar ongl sgwâr i leihau crosstalk rhwng anwythyddion.

Arwain y cyplydd

Yn yr un modd ag y mae cyfeiriadedd anwythyddion yn effeithio ar gyplu magnetig, felly hefyd y cyplydd os yw’r gwifrau’n rhy agos at ei gilydd. Mae’r math hwn o broblem cynllun hefyd yn cynhyrchu’r hyn a elwir yn synhwyro cilyddol. Un o broblemau mwyaf pryderus cylched RF yw gwifrau rhannau sensitif o’r system, megis y rhwydwaith paru mewnbwn, sianel soniarus y derbynnydd, rhwydwaith paru antena’r trosglwyddydd, ac ati.

Dylai’r llwybr cerrynt dychwelyd fod mor agos at y prif lwybr cerrynt â phosibl er mwyn lleihau’r maes magnetig ymbelydredd. Mae’r trefniant hwn yn helpu i leihau’r ardal dolen gyfredol. Y llwybr gwrthiant isel delfrydol ar gyfer y cerrynt dychwelyd fel arfer yw’r rhanbarth daear o dan y plwm – gan gyfyngu arwynebedd y ddolen i ranbarth i bob pwrpas lle mae trwch y dielectric yn cael ei luosi â hyd y plwm. Fodd bynnag, os yw rhanbarth y ddaear wedi’i rannu, mae’r arwynebedd dolen yn cynyddu (Ffigur 3). Ar gyfer arweinyddion sy’n mynd trwy’r rhanbarth rhanedig, bydd y cerrynt dychwelyd yn cael ei orfodi trwy’r llwybr gwrthiant uchel, gan gynyddu’r ardal dolen gyfredol yn fawr. Mae’r trefniant hwn hefyd yn gwneud arweinyddion cylched yn fwy agored i anwythiad cilyddol.

Ffigur 3. Mae sylfaen arwynebedd mawr cyflawn yn helpu i wella perfformiad system

Ar gyfer inductor gwirioneddol, mae cyfeiriad plwm hefyd yn cael effaith sylweddol ar gyplu maes magnetig. Os oes rhaid i dennyn cylched sensitif fod yn agos at ei gilydd, mae’n well alinio’r gwifrau yn fertigol er mwyn lleihau cyplu (Ffigur 4). Os nad yw aliniad fertigol yn bosibl, ystyriwch ddefnyddio llinell warchod. Ar gyfer dyluniad gwifren amddiffyn, cyfeiriwch at yr adran triniaeth sylfaen a llenwi isod.

Mae Ffigur 4. Yn debyg i Ffigur 1, yn dangos cyplysu posibl llinellau maes magnetig.

I grynhoi, dylid dilyn yr egwyddorion canlynol wrth ddosbarthu’r plât:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Dylid trefnu gwifrau sensitif yn fertigol.

Os oes rhaid trefnu’r gwifrau yn gyfochrog, sicrhewch fylchau digonol neu defnyddiwch wifrau gwarchod.

Yn sail trwy

Y brif broblem gyda chynllun cylched RF fel arfer yw rhwystriant nodweddiadol is-optimaidd y gylched, gan gynnwys cydrannau’r gylched a’u rhyng-gysylltiadau. Mae’r plwm gyda gorchudd copr tenau yn gyfwerth â’r wifren anwythiad ac mae’n ffurfio cynhwysedd dosranedig gydag arweinyddion eraill yn y cyffiniau. Mae’r plwm hefyd yn arddangos priodweddau anwythiad a chynhwysedd wrth iddo fynd trwy’r twll.

Daw’r cynhwysedd trwy dwll yn bennaf o’r cynhwysedd a ffurfiwyd rhwng y cladin copr ar ochr y pad trwy dwll a’r cladin copr ar y ddaear, wedi’i wahanu gan gylch eithaf bach. Daw dylanwad arall o silindr y tylliad metel ei hun. Mae effaith cynhwysedd parasitig yn gyffredinol fach ac fel rheol dim ond yn achosi amrywiad ymyl mewn signalau digidol cyflym (na thrafodir yn y papur hwn).

Effaith fwyaf y twll drwodd yw’r inductance parasitig a achosir gan y modd rhyng-gysylltu cyfatebol. Oherwydd bod y rhan fwyaf o dylliadau metel mewn dyluniadau RF PCB yr un maint â chydrannau talpiog, gellir amcangyfrif effaith trydylliadau trydanol gan ddefnyddio fformiwla syml (FIG. 5):

Lle, mae LVIA yn cael ei lympio inductance trwy dwll; H yw uchder y twll trwodd, mewn modfeddi; D yw diamedr y twll trwodd, mewn modfeddi 2.

Sut i osgoi amryw ddiffygion yng nghynllun PCB byrddau printiedig

FIG. 5. Trawsdoriad PCB a ddefnyddir i amcangyfrif effeithiau parasitig ar strwythurau trwy dwll

Mae’r inductance parasitig yn aml yn cael dylanwad mawr ar gysylltiad cynwysyddion ffordd osgoi. Mae cynwysyddion ffordd osgoi delfrydol yn darparu cylchedau byr amledd uchel rhwng y parth cyflenwi a’r ffurfiad, ond gall tyllau drwodd nad ydynt yn ddelfrydol effeithio ar y llwybr sensitifrwydd isel rhwng y ffurfiad a’r parth cyflenwi. Mae twll nodweddiadol PCB trwy dwll (d = 10 mil, h = 62.5 mil) tua’r un faint ag inductor 1.34nH. O ystyried amlder gweithredu penodol y cynnyrch ISM-RF, gall y tyllau drwodd effeithio’n andwyol ar gylchedau sensitif fel cylchedau sianel soniarus, hidlwyr a rhwydweithiau paru.

Mae problemau eraill yn codi os yw cylchedau sensitif yn rhannu tyllau, fel dwy fraich rhwydwaith π. Er enghraifft, trwy osod twll delfrydol sy’n cyfateb i inductance talpiog, mae’r sgematig cyfatebol yn dra gwahanol i’r dyluniad cylched gwreiddiol (FIG. 6). Yn yr un modd â chrosstalk llwybr cyfredol cyffredin 3, gan arwain at fwy o anwythiad i’r ddwy ochr, mwy o grosstalk a bwydo drwodd.

How to avoid PCB design problems

Ffigur 6. Pensaernïaeth ddelfrydol yn erbyn pensaernïaeth nad yw’n ddelfrydol, mae yna “lwybrau signal” posib yn y gylched.

I grynhoi, dylai cynllun cylched ddilyn yr egwyddorion canlynol:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Mae’r rhwydwaith hidlo neu baru yn defnyddio tyllau drwodd annibynnol.

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

Hyd y plwm

Mae data cynnyrch Maxim ISM-RF yn aml yn argymell defnyddio’r mewnbwn ac allbwn amledd uchel byrraf posibl i arwain at leihau colledion ac ymbelydredd. Ar y llaw arall, mae colledion o’r fath fel arfer yn cael eu hachosi gan baramedrau parasitig nad ydynt yn ddelfrydol, felly mae anwythiad parasitig a chynhwysedd yn effeithio ar gynllun y gylched, ac mae defnyddio’r plwm byrraf posibl yn helpu i leihau’r paramedrau parasitig. Yn nodweddiadol, mae plwm PCB 10 mil o led gyda phellter o 0.0625in … O fwrdd FR4 yn cynhyrchu inductance o oddeutu 19nH / mewn a chynhwysedd dosbarthedig o oddeutu 1pF / mewn. Ar gyfer cylched LAN / cymysgydd ag anwythydd 20nH a chynhwysydd 3pF, bydd gwerth y gydran effeithiol yn cael ei effeithio’n fawr pan fydd cynllun y gylched a’r gydran yn gryno iawn.

Mae Ipc-d-317a4 yn ‘Institute for Printed Circuits’ yn darparu hafaliad safon diwydiant ar gyfer amcangyfrif paramedrau rhwystriant amrywiol PCB microstrip. Disodlwyd y ddogfen hon yn 2003 gan IPC-2251 5, sy’n darparu dull cyfrifo mwy cywir ar gyfer amryw o arweinwyr PCB. Mae cyfrifianellau ar-lein ar gael o amrywiaeth o ffynonellau, ac mae’r mwyafrif ohonynt yn seiliedig ar hafaliadau a ddarperir gan IPC-2251. Mae’r Labordy Cydnawsedd Electromagnetig yn Sefydliad Technoleg Missouri yn darparu dull ymarferol iawn ar gyfer cyfrif rhwystriant plwm PCB 6.

Y meini prawf a dderbynnir ar gyfer cyfrif rhwystriant llinellau microstrip yw:

Yn y fformiwla, εr yw cysonyn dielectrig y dielectric, h yw uchder y plwm o’r stratwm, W yw’r lled plwm, a T yw’r trwch plwm (FIG. 7). Pan fydd w / h rhwng 0.1 a 2.0 ac mae rhwng 1 a 15, mae canlyniadau cyfrifo’r fformiwla hon yn eithaf cywir.

Ffigur 7. Mae’r ffigur hwn yn groestoriad PCB (tebyg i Ffigur 5) ac mae’n cynrychioli’r strwythur a ddefnyddir i gyfrifo rhwystriant llinell microstrip.

Er mwyn gwerthuso effaith hyd plwm, mae’n fwy ymarferol pennu effaith detuning cylched ddelfrydol gan baramedrau parasitig plwm. Yn yr enghraifft hon, rydym yn trafod cynhwysedd crwydr ac anwythiad. Hafaliad safonol cynhwysedd nodweddiadol ar gyfer llinellau microstrip yw:

Yn yr un modd, gellir cyfrifo’r inductance nodweddiadol o’r hafaliad trwy ddefnyddio’r hafaliad uchod:

Er enghraifft, tybiwch drwch PCB o 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 owns plwm wedi’i orchuddio â chopr (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil), a bwrdd FR-4. Sylwch fod yr ε R o FR-4 fel arfer yn 4.35 farad / m (F / m), ond gall amrywio o 4.0F / m i 4.7F / m. Yr eigenvalues ​​a gyfrifir yn yr enghraifft hon yw Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / in.

Ar gyfer dyluniad AN ISM-RF, gall hyd cynllun 12.7mm (0.5in) o dennynau ar y bwrdd gynhyrchu paramedrau parasitig oddeutu 0.5pF a 9.3nH (Ffigur 8). Gall effaith paramedrau parasitig ar y lefel hon ar sianel soniarus y derbynnydd (amrywiad o gynnyrch LC) arwain at amrywiad 315MHz ± 2% neu 433.92mhz ± 3.5%. Oherwydd y cynhwysedd a’r inductance ychwanegol a achosir gan effaith parasitig y plwm, mae brig amledd osciliad 315MHz yn cyrraedd 312.17mhz, ac mae brig amledd osciliad 433.92mhz yn cyrraedd 426.6mhz.

Enghraifft arall yw sianel soniarus derbynnydd superheterodyne Maxim (MAX7042). Y cydrannau a argymhellir yw 1.2pF a 30nH ar 315MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Cyfrifwch amledd osciliad cylched soniarus trwy ddefnyddio’r hafaliad:

Dylai’r gwerthusiad o gylched soniarus y plât gynnwys effeithiau parasitig y pecyn a’r cynllun, a’r paramedrau parasitig yw 7.3PF a 7.5PF yn y drefn honno wrth gyfrifo amledd cyseiniol 315MHz. Sylwch fod y cynnyrch LC yn cynrychioli cynhwysedd talpiog.

I grynhoi, rhaid dilyn yr egwyddorion canlynol:

Cadwch y blaen mor fyr â phosib.

Rhowch gylchedau allweddol mor agos at y ddyfais â phosib.

Mae cydrannau allweddol yn cael eu digolledu yn ôl parasitiaeth y cynllun go iawn.

Triniaeth sylfaen a llenwi

Mae’r haen sylfaen neu bŵer yn diffinio foltedd cyfeirio cyffredin sy’n cyflenwi pŵer i bob rhan o’r system trwy lwybr gwrthiant isel. Mae cydraddoli pob maes trydan yn y modd hwn yn cynhyrchu mecanwaith cysgodi da.

Mae cerrynt uniongyrchol bob amser yn tueddu i lifo ar hyd llwybr gwrthiant isel. Yn yr un modd, yn ddelfrydol, mae cerrynt amledd uchel yn llifo trwy’r llwybr gyda’r gwrthiant isaf. 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).

Sut i osgoi amryw ddiffygion yng nghynllun PCB byrddau printiedig

FIG. 9. Cadwch y ffurfiant yn gyfan gymaint â phosibl, fel arall bydd y cerrynt dychwelyd yn achosi crosstalk.

Defnyddir tir wedi’i lenwi, a elwir hefyd yn linellau gwarchod, yn gyffredin mewn cylchedau lle mae’n anodd gosod sylfaen barhaus neu lle mae angen cysgodi cylchedau sensitif (FIG. 10). Gellir cynyddu’r effaith cysgodi trwy osod tyllau daear (hy araeau twll) ar ddau ben y plwm neu ar hyd y plwm. 8. Peidiwch â chymysgu’r wifren warchod gyda’r plwm sydd wedi’i gynllunio i ddarparu llwybr cerrynt dychwelyd. Gall y trefniant hwn gyflwyno crosstalk.

Sut i osgoi amryw ddiffygion yng nghynllun PCB byrddau printiedig

FIG. 10. Dylai dyluniad y system RF osgoi gwifrau clad copr fel y bo’r angen, yn enwedig os oes angen gorchuddio copr.

Nid yw’r ardal â gorchudd copr wedi’i seilio (fel y bo’r angen) na’i seilio ar un pen yn unig, sy’n cyfyngu ar ei heffeithiolrwydd. Mewn rhai achosion, gall achosi effeithiau diangen trwy ffurfio cynhwysedd parasitig sy’n newid rhwystriant y gwifrau cyfagos neu’n creu llwybr “cudd” rhwng cylchedau. Yn fyr, os gosodir darn o gladin copr (gwifrau signal nad yw’n gylched) ar y bwrdd cylched i sicrhau trwch platio cyson. Dylid osgoi ardaloedd â gorchudd copr gan eu bod yn effeithio ar ddyluniad y gylched.

Yn olaf, gwnewch yn siŵr eich bod yn ystyried effeithiau unrhyw arwynebedd daear ger yr antena. Bydd gan unrhyw antena monopole ranbarth y ddaear, gwifrau a thyllau fel rhan o gydbwysedd y system, a bydd gwifrau ecwilibriwm nad ydynt yn ddelfrydol yn effeithio ar effeithlonrwydd a chyfeiriad ymbelydredd yr antena (templed ymbelydredd). Felly, ni ddylid gosod arwynebedd y ddaear yn union o dan yr antena plwm PCB monopole.

I grynhoi, dylid dilyn yr egwyddorion canlynol:

Darparu parthau sylfaen parhaus ac ymwrthedd isel cyn belled ag y bo modd.

Mae dau ben y llinell lenwi wedi’u seilio, a defnyddir arae trwy dwll cyn belled ag y bo modd.

Peidiwch â arnofio gwifren clad copr ger cylched RF, peidiwch â gosod copr o amgylch cylched RF.

Os yw’r bwrdd cylched yn cynnwys sawl haen, mae’n well gosod daear trwy dwll pan fydd y cebl signal yn pasio o un ochr i’r llall.

Cynhwysedd grisial gormodol

Bydd cynhwysedd parasitig yn achosi i’r amledd grisial wyro o’r gwerth targed 9. Felly, dylid dilyn rhai canllawiau cyffredinol i leihau cynhwysedd crwydr pinnau crisial, padiau, gwifrau, neu gysylltiadau â dyfeisiau RF.

Dylid dilyn yr egwyddorion canlynol:

Dylai’r cysylltiad rhwng y grisial a’r ddyfais RF fod mor fyr â phosibl.

Cadwch y gwifrau oddi wrth ei gilydd cyn belled ag y bo modd.

Os yw cynhwysedd parasitig siyntio yn rhy fawr, tynnwch y rhanbarth sylfaen o dan y grisial.

Anwythiad gwifrau planar

Ni argymhellir gwifrau planar neu anwythyddion troellog PCB. Mae gan brosesau gweithgynhyrchu nodweddiadol PCB rai gwallau, megis goddefiannau lled a gofod, sy’n effeithio’n fawr ar gywirdeb gwerthoedd cydran. Felly, mae’r rhan fwyaf o anwythyddion Q rheoledig ac uchel yn fath o glwyf. Yn ail, gallwch ddewis inductor cerameg amlhaenog, mae gweithgynhyrchwyr cynhwysydd sglodion amlhaenog hefyd yn darparu’r cynnyrch hwn. Serch hynny, mae rhai dylunwyr yn dewis anwythyddion troellog pan fydd yn rhaid. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Lle, a yw radiws cyfartalog y coil, mewn modfeddi; N yw nifer y troadau; C yw lled craidd y coil (llwybrydd-rinner), mewn modfeddi. Pan fydd y coil c “0.2a 11, mae cywirdeb y dull cyfrifo o fewn 5%.

Gellir defnyddio anwythyddion troellog un haen o siapiau sgwâr, hecsagonol neu siapiau eraill. Gellir gweld brasamcanion da iawn i fodelu anwythiad planar ar wafferi cylched integredig. Er mwyn cyflawni’r nod hwn, mae’r fformiwla Wheeler safonol yn cael ei haddasu i gael dull amcangyfrif inductance awyren sy’n addas ar gyfer maint bach a maint sgwâr 12.

Lle, ρ yw’r gymhareb llenwi :; N yw nifer y troadau, a dAVG yw’r diamedr cyfartalog :. Ar gyfer helisys sgwâr, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Mae yna lawer o resymau dros osgoi defnyddio’r math hwn o inductor, sydd fel arfer yn arwain at werthoedd anwythiad is oherwydd cyfyngiadau gofod. Y prif resymau dros osgoi anwythyddion planar yw geometreg gyfyngedig a rheolaeth wael ar ddimensiynau critigol, sy’n ei gwneud hi’n amhosibl rhagweld gwerthoedd inductor. Yn ogystal, mae’n anodd rheoli gwerthoedd inductance gwirioneddol wrth gynhyrchu PCB, ac mae inductance hefyd yn tueddu i gyplysu sŵn i rannau eraill o’r gylched.