Πολυάριθμες περιπτώσεις εφαρμογών βιομηχανικών, επιστημονικών και ιατρικών προϊόντων ραδιοσυχνοτήτων (ISM-RF) δείχνουν ότι το τυπωμένου κυκλώματος η διάταξη αυτών των προϊόντων είναι επιρρεπής σε διάφορα ελαττώματα.Οι άνθρωποι συχνά διαπιστώνουν ότι το ίδιο IC εγκατεστημένο σε δύο διαφορετικούς πίνακες κυκλωμάτων, οι δείκτες απόδοσης θα είναι σημαντικά διαφορετικοί. 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.

Αυτό το άρθρο απαριθμεί τις διάφορες παραλείψεις σχεδιασμού, συζητά τις αιτίες κάθε βλάβης και παρέχει προτάσεις για τον τρόπο αποφυγής αυτών των ελαττωμάτων σχεδιασμού. Σε αυτό το έγγραφο, fr-4 διηλεκτρικό, 0.0625in πάχους διπλού στρώματος PCB ως παράδειγμα, η γείωση της πλακέτας κυκλώματος. Λειτουργεί σε διαφορετικές ζώνες συχνοτήτων μεταξύ 315MHz και 915MHz, ισχύς Tx και Rx μεταξύ -120dbm και +13dBm.

Κατεύθυνση επαγωγής

Όταν δύο επαγωγείς (ή ακόμη και δύο γραμμές PCB) είναι κοντά ο ένας στον άλλο, θα προκύψει αμοιβαία επαγωγή. 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:

Όπου, YB είναι η τάση σφάλματος που εγχέεται στο κύκλωμα Β, το IA είναι το ρεύμα 1 που δρα στο κύκλωμα Α. Το LM είναι πολύ ευαίσθητο στην απόσταση κυκλώματος, στην περιοχή βρόχου επαγωγής (δηλ. Μαγνητική ροή) και στην κατεύθυνση του βρόχου. 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. Για το σκοπό αυτό, όσο το δυνατόν πιο κάθετα μεταξύ τους, ανατρέξτε στη διάταξη κυκλώματος της πλακέτας χαμηλής ισχύος FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) (MAX7042EVKIT) (Εικόνα 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.

Εικόνα 2. Εμφανίζονται δύο διαφορετικές διατάξεις PCB, μία από τις οποίες τα στοιχεία είναι τοποθετημένα σε λάθος κατεύθυνση (L1 και L3), ενώ η άλλη είναι πιο κατάλληλη.

Συνοψίζοντας, πρέπει να τηρούνται οι ακόλουθες αρχές:

Το διάστημα επαγωγής πρέπει να είναι όσο το δυνατόν περισσότερο.

Οι επαγωγείς είναι διατεταγμένοι σε ορθή γωνία για να ελαχιστοποιήσουν τη διασταύρωση μεταξύ επαγωγέων.

Οδηγήστε τη σύζευξη

Όπως ο προσανατολισμός των επαγωγέων επηρεάζει τη μαγνητική σύζευξη, έτσι και η σύζευξη εάν οι αγωγοί είναι πολύ κοντά μεταξύ τους. Αυτό το είδος προβλημάτων διάταξης παράγει επίσης αυτό που ονομάζεται αμοιβαία αίσθηση. Ένα από τα πιο ανησυχητικά προβλήματα του κυκλώματος RF είναι η καλωδίωση ευαίσθητων τμημάτων του συστήματος, όπως το δίκτυο αντιστοίχισης εισόδου, το κανάλι αντήχησης του δέκτη, το δίκτυο αντιστοίχισης κεραίας του πομπού κ.λπ.

Η διαδρομή ρεύματος επιστροφής πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στην κύρια διαδρομή ρεύματος για να ελαχιστοποιηθεί το μαγνητικό πεδίο ακτινοβολίας. This arrangement helps to reduce the current loop area. Η ιδανική διαδρομή χαμηλής αντίστασης για το ρεύμα επιστροφής είναι συνήθως η περιοχή γείωσης κάτω από το μόλυβδο – περιορίζοντας ουσιαστικά την περιοχή του βρόχου σε μια περιοχή όπου το πάχος του διηλεκτρικού πολλαπλασιάζεται με το μήκος του αγωγού. Ωστόσο, εάν η περιοχή του εδάφους διαιρεθεί, η περιοχή του βρόχου αυξάνεται (Εικόνα 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.

Εικόνα 3. Η πλήρης γείωση μεγάλης περιοχής βοηθά στη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος

Για έναν πραγματικό επαγωγέα, η κατεύθυνση μολύβδου έχει επίσης σημαντική επίδραση στη σύζευξη μαγνητικού πεδίου. Εάν οι αγωγοί ενός ευαίσθητου κυκλώματος πρέπει να είναι κοντά μεταξύ τους, είναι καλύτερο να ευθυγραμμίσετε τους αγωγούς κάθετα για να μειώσετε τη σύζευξη (Εικόνα 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Για το σχεδιασμό καλωδίων προστασίας, ανατρέξτε στην ενότητα επεξεργασίας γείωσης και πλήρωσης παρακάτω.

Figure 4. Similar to Figure 1, shows the possible coupling of magnetic field lines.

Συνοψίζοντας, κατά την κατανομή της πλάκας πρέπει να τηρούνται οι ακόλουθες αρχές:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Τα ευαίσθητα καλώδια πρέπει να είναι διατεταγμένα κάθετα.

If the leads must be arranged in parallel, ensure adequate spacing or use guard wires.

Grounding via

Το κύριο πρόβλημα με τη διάταξη κυκλώματος RF είναι συνήθως η μη βέλτιστη χαρακτηριστική σύνθετη αντίσταση του κυκλώματος, συμπεριλαμβανομένων των εξαρτημάτων του κυκλώματος και των διασυνδέσεών τους. Ο μόλυβδος με λεπτή επίστρωση χαλκού είναι ισοδύναμος με το σύρμα επαγωγής και σχηματίζει κατανεμημένη χωρητικότητα με άλλους αγωγούς στην περιοχή. Ο μόλυβδος εμφανίζει επίσης ιδιότητες επαγωγής και χωρητικότητας καθώς περνά μέσα από την οπή.

Η χωρητικότητα διαμπερών οπών προέρχεται κυρίως από τη χωρητικότητα που σχηματίζεται μεταξύ της επένδυσης χαλκού στην πλευρά του μαξιλαριού διαμπερών οπών και της επένδυσης χαλκού στο έδαφος, χωρισμένη με έναν αρκετά μικρό δακτύλιο. Μια άλλη επιρροή προέρχεται από τον κύλινδρο της ίδιας της διάτρησης του μετάλλου. Η επίδραση της παρασιτικής χωρητικότητας είναι γενικά μικρή και συνήθως προκαλεί μόνο διακύμανση των ακμών στα ψηφιακά σήματα υψηλής ταχύτητας (κάτι που δεν συζητείται σε αυτό το άρθρο).

Η μεγαλύτερη επίδραση της διαμπερούς οπής είναι η παρασιτική επαγωγή που προκαλείται από τον αντίστοιχο τρόπο διασύνδεσης. 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 είναι η διάμετρος της οπής, σε ίντσες 2.

Πώς να αποφύγετε διάφορα ελαττώματα στη διάταξη PCB των τυπωμένων πλακών

ΣΥΚΟ. 5. Διατομή PCB που χρησιμοποιείται για την εκτίμηση παρασιτικών επιπτώσεων σε διαμπερείς δομές

The parasitic inductance often has a great influence on the connection of bypass capacitors. Οι ιδανικοί πυκνωτές παράκαμψης παρέχουν βραχυκυκλώματα υψηλής συχνότητας μεταξύ της ζώνης τροφοδοσίας και του σχηματισμού, αλλά οι μη ιδανικές διαμπερείς οπές μπορούν να επηρεάσουν τη διαδρομή χαμηλής ευαισθησίας μεταξύ του σχηματισμού και της ζώνης τροφοδοσίας. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Δεδομένης της συγκεκριμένης συχνότητας λειτουργίας του προϊόντος ISM-RF, οι διαμπερείς οπές μπορούν να επηρεάσουν δυσμενώς τα ευαίσθητα κυκλώματα, όπως κυκλώματα συντονιστικών καναλιών, φίλτρα και αντίστοιχα δίκτυα.

Άλλα προβλήματα προκύπτουν εάν τα ευαίσθητα κυκλώματα μοιράζονται τρύπες, όπως οι δύο βραχίονες ενός δικτύου τύπου π. Για παράδειγμα, με την τοποθέτηση μιας ιδανικής οπής ισοδύναμης με την αυλακωμένη επαγωγή, το ισοδύναμο σχηματικό είναι αρκετά διαφορετικό από το αρχικό σχέδιο κυκλώματος (ΕΙΚ. 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

Εικόνα 6. Ιδανικές έναντι μη ιδανικών αρχιτεκτονικών, υπάρχουν πιθανές «διαδρομές σήματος» στο κύκλωμα.

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.

Το μήκος του μολύβδου

Τα δεδομένα προϊόντος Maxim ISM-RF συνιστούν συχνά τη χρήση των συντομότερων δυνατών καλωδίων εισόδου και εξόδου υψηλής συχνότητας για την ελαχιστοποίηση των απωλειών και της ακτινοβολίας. Από την άλλη πλευρά, τέτοιες απώλειες προκαλούνται συνήθως από μη ιδανικές παρασιτικές παραμέτρους, οπότε τόσο η παρασιτική επαγωγή όσο και η χωρητικότητα επηρεάζουν τη διάταξη του κυκλώματος και η χρήση του συντομότερου δυνατού καλωδίου συμβάλλει στη μείωση των παρασιτικών παραμέτρων. 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. Για ένα κύκλωμα LAN/ μίξερ με επαγωγέα 20nH και πυκνωτή 3pF, η πραγματική τιμή του εξαρτήματος θα επηρεαστεί πολύ όταν το κύκλωμα και η διάταξη των εξαρτημάτων είναι πολύ συμπαγή.

Το Ipc-d-317a4 στο “Institute for Printed Circuits” παρέχει μια τυπική εξίσωση του κλάδου για την εκτίμηση των διαφόρων παραμέτρων σύνθετης αντίστασης του μικροσκοπικού PCB. Αυτό το έγγραφο αντικαταστάθηκε το 2003 από το IPC-2251 5, το οποίο παρέχει μια πιο ακριβή μέθοδο υπολογισμού για διάφορους αγωγούς 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:

Στον τύπο, εr είναι η διηλεκτρική σταθερά του διηλεκτρικού, h είναι το ύψος του μολύβδου από το στρώμα, W είναι το πλάτος του αγωγού και T είναι το πάχος του μολύβδου (ΕΙΚ. 7). Όταν το w/h είναι μεταξύ 0.1 και 2.0 και το εr είναι μεταξύ 1 και 15, τα αποτελέσματα υπολογισμού αυτού του τύπου είναι αρκετά ακριβή.

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. Σε αυτό το παράδειγμα, συζητάμε την αδέσποτη χωρητικότητα και επαγωγή. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Ομοίως, η χαρακτηριστική επαγωγή μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση χρησιμοποιώντας την παραπάνω εξίσωση:

Για παράδειγμα, υποθέστε ένα πάχος PCB 0.0625 ιντσών. (h = 62.5 mil), 1 ουγγιά επικαλυμμένο με χαλκό μόλυβδο (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil), και μια σανίδα FR-4. Σημειώστε ότι το ε R του FR-4 είναι συνήθως 4.35 farad/m (F/m), αλλά μπορεί να κυμαίνεται από 4.0F/m έως 4.7F/m. Οι ιδιοτιμές που υπολογίζονται σε αυτό το παράδειγμα είναι Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Για σχεδιασμό AN ISM-RF, μήκος διάταξης 12.7 mm (0.5 ιντσών) των αγωγών στον πίνακα μπορεί να παράγει παρασιτικές παραμέτρους περίπου 0.5 pF και 9.3 nH (Εικόνα 8). Η επίδραση των παρασιτικών παραμέτρων σε αυτό το επίπεδο στο συντονιστικό κανάλι του δέκτη (παραλλαγή του προϊόντος LC) μπορεί να οδηγήσει σε μεταβολή 315MHz ± 2% ή 433.92mhz ± 3.5%. Λόγω της πρόσθετης χωρητικότητας και επαγωγής που προκαλείται από την παρασιτική επίδραση του μολύβδου, η κορυφή της συχνότητας ταλάντωσης 315MHz φτάνει τα 312.17 mhz και η κορυφή της συχνότητας ταλάντωσης 433.92 mhz φτάνει τα 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. Υπολογίστε τη συχνότητα ταλάντωσης του συντονισμένου κυκλώματος χρησιμοποιώντας την εξίσωση:

Η αξιολόγηση του συντονισμένου κυκλώματος της πλάκας πρέπει να περιλαμβάνει τα παρασιτικά αποτελέσματα της συσκευασίας και της διάταξης, και οι παρασιτικές παράμετροι είναι 7.3PF και 7.5PF αντίστοιχα κατά τον υπολογισμό της συχνότητας συντονισμού 315MHz. Σημειώστε ότι το προϊόν LC αντιπροσωπεύει συσσωρευμένη χωρητικότητα.

Συνοψίζοντας, πρέπει να τηρούνται οι ακόλουθες αρχές:

Κρατήστε το προβάδισμα όσο το δυνατόν πιο σύντομο.

Τοποθετήστε τα κυκλώματα κλειδιών όσο το δυνατόν πιο κοντά στη συσκευή.

Τα βασικά συστατικά αντισταθμίζονται σύμφωνα με τον πραγματικό παρασιτισμό της διάταξης.

Επεξεργασία γείωσης και πλήρωσης

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Η εξίσωση όλων των ηλεκτρικών πεδίων με αυτόν τον τρόπο παράγει έναν καλό μηχανισμό θωράκισης.

Το συνεχές ρεύμα τείνει πάντα να ρέει κατά μήκος μιας διαδρομής χαμηλής αντίστασης. Με τον ίδιο τρόπο, ρεύμα υψηλής συχνότητας κατά προτίμηση ρέει μέσω της διαδρομής με τη χαμηλότερη αντίσταση. 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).

Πώς να αποφύγετε διάφορα ελαττώματα στη διάταξη PCB των τυπωμένων πλακών

ΣΥΚΟ. 9. Διατηρήστε τον σχηματισμό άθικτο όσο το δυνατόν περισσότερο, διαφορετικά το ρεύμα επιστροφής θα προκαλέσει διασταύρωση.

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. Μην αναμιγνύετε το προστατευτικό σύρμα με το καλώδιο που έχει σχεδιαστεί για να παρέχει διαδρομή ρεύματος επιστροφής. Αυτή η ρύθμιση μπορεί να εισαγάγει διασταύρωση.

Πώς να αποφύγετε διάφορα ελαττώματα στη διάταξη PCB των τυπωμένων πλακών

ΣΥΚΟ. 10. Ο σχεδιασμός του συστήματος RF πρέπει να αποφεύγει τα πλωτά καλώδια με επίστρωση χαλκού, ειδικά εάν απαιτείται περίβλημα από χαλκό.

Η περιοχή με επίστρωση χαλκού δεν είναι γειωμένη (επιπλέουσα) ή γειωμένη μόνο στο ένα άκρο, γεγονός που περιορίζει την αποτελεσματικότητά της. 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. Εν ολίγοις, εάν ένα κομμάτι επένδυσης χαλκού (καλωδίωση σήματος εκτός κυκλώματος) τοποθετηθεί στην πλακέτα κυκλώματος για να εξασφαλιστεί ένα σταθερό πάχος επένδυσης. Οι περιοχές με επίστρωση χαλκού πρέπει να αποφεύγονται καθώς επηρεάζουν τον σχεδιασμό του κυκλώματος.

Τέλος, φροντίστε να λάβετε υπόψη τις επιδράσεις οποιουδήποτε εδάφους κοντά στην κεραία. Οποιαδήποτε μονόπολη κεραία θα έχει το έδαφος, την καλωδίωση και τις οπές ως μέρος της ισορροπίας του συστήματος και η μη ιδανική καλωδίωση ισορροπίας θα επηρεάσει την απόδοση ακτινοβολίας και την κατεύθυνση της κεραίας (πρότυπο ακτινοβολίας). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Συνοψίζοντας, πρέπει να τηρούνται οι ακόλουθες αρχές:

Παρέχετε ζώνες γείωσης συνεχούς και χαμηλής αντίστασης στο μέτρο του δυνατού.

Και τα δύο άκρα της γραμμής πλήρωσης είναι γειωμένα και χρησιμοποιείται μια συστοιχία οπών στο μέτρο του δυνατού.

Μην επιπλέετε καλώδιο με επίστρωση χαλκού κοντά στο κύκλωμα RF, μην τοποθετείτε χαλκό γύρω από το κύκλωμα RF.

Εάν η πλακέτα κυκλώματος περιέχει πολλά στρώματα, είναι καλύτερο να τοποθετήσετε μια γείωση μέσω οπής όταν το καλώδιο σήματος περάσει από τη μία πλευρά στην άλλη.

Υπερβολική χωρητικότητα κρυστάλλου

Η παρασιτική χωρητικότητα θα προκαλέσει απόκλιση της κρυσταλλικής συχνότητας από την τιμή -στόχο 9. Επομένως, θα πρέπει να ακολουθηθούν ορισμένες γενικές οδηγίες για τη μείωση της χωρητικότητας των κρυστάλλινων ακίδων, τακάκια, καλώδια ή συνδέσεις με συσκευές RF.

Πρέπει να ακολουθούνται οι ακόλουθες αρχές:

Η σύνδεση μεταξύ της συσκευής κρυστάλλου και RF πρέπει να είναι όσο το δυνατόν συντομότερη.

Κρατήστε την καλωδίωση η μία από την άλλη όσο το δυνατόν περισσότερο.

Εάν η παρασιτική χωρητικότητα διακλάδωσης είναι πολύ μεγάλη, αφαιρέστε την περιοχή γείωσης κάτω από τον κρύσταλλο.

Επίπεδο επαγωγής καλωδίωσης

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. Επομένως, οι περισσότεροι ελεγχόμενοι και υψηλοί επαγωγείς Q είναι τύπου πληγής. Δεύτερον, μπορείτε να επιλέξετε πολυστρωματικό κεραμικό επαγωγέα, οι κατασκευαστές πυκνωτών τσιπ πολλαπλών στρώσεων παρέχουν επίσης αυτό το προϊόν. Παρ ‘όλα αυτά, ορισμένοι σχεδιαστές επιλέγουν σπειροειδείς επαγωγείς όταν πρέπει. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Όπου, a είναι η μέση ακτίνα του πηνίου, σε ίντσες. N είναι ο αριθμός των στροφών. C είναι το πλάτος του πυρήνα του πηνίου (router-rinner), σε ίντσες. Όταν το πηνίο c “0.2a 11, η ακρίβεια της μεθόδου υπολογισμού είναι εντός 5%.

Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σπειροειδείς επαγωγείς μονής στρώσης τετραγωνικών, εξαγωνικών ή άλλων σχημάτων. Πολύ καλές προσεγγίσεις μπορούν να βρεθούν για να μοντελοποιήσουν την επίπεδη επαγωγή σε γκοφρέτες ολοκληρωμένου κυκλώματος. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, ο τυπικός τύπος Wheeler τροποποιείται για να ληφθεί μια μέθοδος εκτίμησης επαγωγής επίπεδου κατάλληλη για μικρό μέγεθος και τετράγωνο μέγεθος 12.

Όπου, ρ είναι ο λόγος πλήρωσης :; N είναι ο αριθμός στροφών και dAVG είναι η μέση διάμετρος :. Για τετράγωνες έλικες, Κ1 = 2.36, Κ2 = 2.75.

Υπάρχουν πολλοί λόγοι για να αποφύγετε τη χρήση αυτού του τύπου επαγωγέα, οι οποίοι συνήθως οδηγούν σε μειωμένες τιμές επαγωγής λόγω περιορισμών χώρου. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Επιπλέον, οι πραγματικές τιμές επαγωγής είναι δύσκολο να ελεγχθούν κατά την παραγωγή PCB και η αυτεπαγωγή τείνει επίσης να συνδυάζει θόρυβο σε άλλα μέρη του κυκλώματος.