Zahlreiche Anwendungsfälle industrieller, wissenschaftlicher und medizinischer Hochfrequenzprodukte (ISM-RF) zeigen, dass die Leiterplatte Layout dieser Produkte ist anfällig für verschiedene Mängel.Die Leute stellen oft fest, dass der gleiche IC auf zwei verschiedenen Leiterplatten installiert ist, die Leistungsindikatoren unterscheiden sich erheblich. 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 diesem Papier, fr-4 Dielektrikum, 0.0625 Zoll Dicke Doppelschicht PCB als Beispiel für die Leiterplattenerdung. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Induktivitätsrichtung

Wenn zwei Induktivitäten (oder sogar zwei PCB-Leitungen) nahe beieinander liegen, tritt eine gegenseitige Induktivität auf. 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:

Dabei ist YB die in Schaltung B eingespeiste Fehlerspannung, IA ist der Strom 1, der auf Schaltung A einwirkt. 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. Bitte beachten Sie dazu möglichst senkrecht zueinander das Schaltungslayout des Low Power FSK Superheterodyne Receiver Evaluation (EV) Boards (MAX7042EVKIT) (Abbildung 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.

Abbildung 2. Es werden zwei verschiedene PCB-Layouts gezeigt, von denen eines die Elemente in der falschen Richtung (L1 und L3) angeordnet hat, während das andere besser geeignet ist.

To sum up, the following principles should be followed:

Der Induktivitätsabstand sollte möglichst groß sein.

Die Induktoren sind im rechten Winkel angeordnet, um das Übersprechen zwischen den Induktoren zu minimieren.

Führen Sie die Kupplung

Ebenso wie die Ausrichtung von Induktoren die magnetische Kopplung beeinflusst, beeinflusst dies auch die Kopplung, wenn die Leitungen zu nahe beieinander liegen. Diese Art von Layoutproblemen erzeugt auch eine sogenannte gegenseitige Sensation. Eines der am meisten betroffenen Probleme von HF-Schaltungen ist die Verkabelung empfindlicher Teile des Systems, wie z. B. das Eingangsanpassungsnetzwerk, der Resonanzkanal des Empfängers, das Antennenanpassungsnetzwerk des Senders usw.

Der Rückstrompfad sollte so nah wie möglich am Hauptstrompfad liegen, um das Strahlungsmagnetfeld zu minimieren. This arrangement helps to reduce the current loop area. Der ideale Pfad mit niedrigem Widerstand für den Rückstrom ist normalerweise der Massebereich unter der Leitung – wodurch die Schleifenfläche effektiv auf einen Bereich begrenzt wird, in dem die Dicke des Dielektrikums mit der Länge der Leitung multipliziert wird. Wenn jedoch der Bodenbereich geteilt wird, vergrößert sich die Schleifenfläche (Abbildung 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.

Abbildung 3. Vollständige großflächige Erdung trägt zur Verbesserung der Systemleistung bei

Bei einem tatsächlichen Induktor hat die Leitungsrichtung auch einen signifikanten Einfluss auf die Magnetfeldkopplung. Wenn die Leitungen eines empfindlichen Stromkreises nahe beieinander liegen müssen, ist es am besten, die Leitungen vertikal auszurichten, um die Kopplung zu reduzieren (Abbildung 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

Das Hauptproblem beim Layout von HF-Schaltungen ist normalerweise die suboptimale charakteristische Impedanz der Schaltung, einschließlich der Schaltungskomponenten und ihrer Verbindungen. Die Leitung mit einer dünnen Kupferbeschichtung entspricht dem Induktivitätsdraht und bildet mit anderen Leitungen in der Nähe eine verteilte Kapazität. Die Leitung weist auch Induktivitäts- und Kapazitätseigenschaften auf, wenn sie durch das Loch hindurchgeht.

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. Der Effekt der parasitären Kapazität ist im Allgemeinen gering und verursacht normalerweise nur Flankenschwankungen in digitalen Hochgeschwindigkeitssignalen (die in diesem Papier nicht erörtert werden).

Der größte Effekt des Durchgangslochs ist die parasitäre Induktivität, die durch den entsprechenden Verbindungsmodus verursacht wird. 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 ist der Durchmesser des Durchgangslochs in Zoll 2.

So vermeiden Sie verschiedene Fehler im PCB-Layout von Leiterplatten

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. Ideale Bypass-Kondensatoren stellen Hochfrequenzkurzschlüsse zwischen der Versorgungszone und der Formation bereit, aber nicht ideale Durchgangslöcher können den Pfad mit geringer Empfindlichkeit zwischen der Formation und der Versorgungszone beeinträchtigen. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Angesichts der spezifischen Betriebsfrequenz des ISM-RF-Produkts können die Durchgangslöcher empfindliche Schaltungen wie Resonanzkanalschaltungen, Filter und Anpassungsnetzwerke nachteilig beeinflussen.

Andere Probleme treten auf, wenn empfindliche Schaltkreise Löcher teilen, wie zum Beispiel die beiden Arme eines -Typ-Netzwerks. Durch Platzieren eines idealen Lochs, das einer konzentrierten Induktivität entspricht, unterscheidet sich das äquivalente Schema zum Beispiel stark vom ursprünglichen Schaltungsdesign (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

Abbildung 6. Ideale vs. nicht-ideale Architekturen, es gibt potenzielle „Signalpfade“ in der Schaltung.

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.

Die Länge der Leitung

Maxim ISM-RF-Produktdaten empfehlen häufig die Verwendung der kürzestmöglichen Hochfrequenz-Eingangs- und -Ausgangsleitungen, um Verluste und Strahlung zu minimieren. Andererseits werden solche Verluste normalerweise durch nicht ideale parasitäre Parameter verursacht, so dass sowohl parasitäre Induktivität als auch Kapazität das Schaltungslayout beeinflussen, und die Verwendung einer möglichst kurzen Leitung hilft, die parasitären Parameter zu reduzieren. 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. Bei einer LAN-/Mischerschaltung mit einer 20-nH-Induktivität und einem 3pF-Kondensator wird der effektive Komponentenwert stark beeinflusst, wenn die Schaltung und das Komponentenlayout sehr kompakt sind.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Dieses Dokument wurde 2003 durch IPC-2251 5 ersetzt, das eine genauere Berechnungsmethode für verschiedene Leiterplattenanschlüsse bietet. 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 der Formel ist εr die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums, h ist die Höhe der Zuleitung von der Schicht, W ist die Zuleitungsbreite und T ist die Zuleitungsdicke (Fig. 7). Wenn w/h zwischen 0.1 und 2.0 und εr zwischen 1 und 15 liegt, sind die Berechnungsergebnisse dieser Formel ziemlich genau.

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 diesem Beispiel diskutieren wir Streukapazität und Induktivität. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

In ähnlicher Weise kann die charakteristische Induktivität aus der Gleichung berechnet werden, indem die obige Gleichung verwendet wird:

Nehmen Sie beispielsweise eine PCB-Dicke von 0.0625 Zoll an. (h = 62.5 mil), 1 Unze kupferbeschichtetes Blei (t = 1.35 mil), 0.01 Zoll. (w = 10 mil) und eine FR-4-Platine. Beachten Sie, dass das ε R von FR-4 typischerweise 4.35 Farad/m (F/m) beträgt, aber von 4.0 F/m bis 4.7 F/m reichen kann. Die in diesem Beispiel berechneten Eigenwerte sind Z0 = 134 ω, C0 = 1.04 pF/in, L0 = 18.7 nH/in.

Bei einem AN ISM-RF-Design kann eine Layoutlänge von 12.7 mm (0.5 Zoll) der Leiter auf der Platine parasitäre Parameter von ungefähr 0.5 pF und 9.3 nH erzeugen (Abbildung 8). Die Auswirkung von parasitären Parametern auf diesem Niveau auf den Resonanzkanal des Empfängers (Variation des LC-Produkts) kann zu einer Abweichung von 315 MHz ±2 % oder 433.92 MHz ±3.5 % führen. Aufgrund der zusätzlichen Kapazität und Induktivität, die durch den parasitären Effekt der Leitung verursacht werden, erreicht die Spitze der 315-MHz-Schwingungsfrequenz 312.17 MHz und die Spitze der 433.92 MHz-Schwingungsfrequenz 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. Berechnen Sie die Schwingfrequenz des Schwingkreises mit der Gleichung:

Die Bewertung des Resonanzkreises der Platte sollte die parasitären Effekte des Gehäuses und des Layouts einbeziehen, und die parasitären Parameter betragen 7.3 PF bzw. 7.5 PF bei der Berechnung der 315 MHz Resonanzfrequenz. Beachten Sie, dass das LC-Produkt eine konzentrierte Kapazität darstellt.

Zusammenfassend sind folgende Grundsätze zu beachten:

Halten Sie die Leitung so kurz wie möglich.

Platzieren Sie Schlüsselkreise so nah wie möglich am Gerät.

Schlüsselkomponenten werden entsprechend dem tatsächlichen Layout-Parasitismus kompensiert.

Erdungs- und Füllbehandlung

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Der Ausgleich aller elektrischen Felder auf diese Weise erzeugt einen guten Abschirmungsmechanismus.

Gleichstrom neigt immer dazu, entlang eines Pfades mit niedrigem Widerstand zu fließen. Ebenso fließt hochfrequenter Strom bevorzugt durch den Pfad mit dem geringsten Widerstand. 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).

So vermeiden Sie verschiedene Fehler im PCB-Layout von Leiterplatten

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. Mischen Sie den Schutzdraht nicht mit dem Kabel, das für einen Rückstrompfad ausgelegt ist. Diese Anordnung kann Übersprechen einführen.

So vermeiden Sie verschiedene Fehler im PCB-Layout von Leiterplatten

FEIGE. 10. Das HF-Systemdesign sollte schwebende kupferummantelte Drähte vermeiden, insbesondere wenn eine Kupferummantelung erforderlich ist.

Der kupferkaschierte Bereich ist nicht oder nur einseitig geerdet, was seine Wirksamkeit einschränkt. 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. Kurz gesagt, wenn ein Stück Kupfermantel (Nicht-Schaltungs-Signalverdrahtung) auf die Leiterplatte gelegt wird, um eine gleichmäßige Beschichtungsdicke zu gewährleisten. Kupferplattierte Bereiche sollten vermieden werden, da sie das Schaltungsdesign beeinflussen.

Berücksichtigen Sie schließlich die Auswirkungen von Bodenflächen in der Nähe der Antenne. Jede Monopolantenne hat den Massebereich, die Verdrahtung und die Löcher als Teil des Systemgleichgewichts, und eine nicht ideale Gleichgewichtsverdrahtung beeinflusst die Strahlungseffizienz und -richtung der Antenne (Strahlungsschablone). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Sehen Sie nach Möglichkeit durchgehende und niederohmige Erdungszonen vor.

Beide Enden der Füllleitung sind geerdet und es wird soweit wie möglich ein Durchgangsloch-Array verwendet.

Schweben Sie nicht mit kupferummantelten Drähten in der Nähe des HF-Kreises, legen Sie kein Kupfer um den HF-Kreis herum.

Wenn die Platine mehrere Lagen enthält, ist es am besten, ein Erdungsdurchgangsloch zu verlegen, wenn das Signalkabel von einer Seite zur anderen verläuft.

Übermäßige Kristallkapazität

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Daher sollten einige allgemeine Richtlinien befolgt werden, um die Streukapazität von Quarzstiften, Pads, Drähten oder Verbindungen zu HF-Geräten zu reduzieren.

The following principles should be followed:

Die Verbindung zwischen Quarz und HF-Gerät sollte so kurz wie möglich sein.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Wenn die parasitäre Shunt-Kapazität zu groß ist, entfernen Sie den Erdungsbereich unter dem Quarz.

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. Zweitens können Sie mehrschichtige Keramikinduktivitäten wählen, Hersteller von mehrschichtigen Chipkondensatoren bieten auch dieses Produkt an. Nichtsdestotrotz entscheiden sich einige Konstrukteure bei Bedarf für Spiralinduktivitäten. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Dabei ist a der durchschnittliche Radius der Spule in Zoll; N die Anzahl der Windungen ist; C ist die Breite des Spulenkerns (Router-Rinner) in Zoll. Wenn die Spule c „0.2a 11 ist, liegt die Genauigkeit der Berechnungsmethode innerhalb von 5%.

Einschichtige Spiralinduktoren mit quadratischer, sechseckiger oder anderer Form können verwendet werden. Sehr gute Näherungen können gefunden werden, um die planare Induktivität auf Wafern mit integrierten Schaltungen zu modellieren. Um dieses Ziel zu erreichen, wird die Standard-Wheeler-Formel modifiziert, um ein Verfahren zur Schätzung der ebenen Induktivität zu erhalten, das für kleine und quadratische Größen 12 geeignet ist.

Dabei ist ρ der Füllungsgrad:; N ist die Anzahl der Windungen und dAVG ist der durchschnittliche Durchmesser:. Für quadratische Helices gilt K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Es gibt viele Gründe, diese Art von Induktivität zu vermeiden, die aufgrund von Platzbeschränkungen in der Regel zu reduzierten Induktivitäten führen. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Darüber hinaus sind die tatsächlichen Induktivitätswerte während der PCB-Herstellung schwer zu kontrollieren, und die Induktivität neigt auch dazu, Rauschen an andere Teile der Schaltung zu koppeln.