Paljud tööstuslikud, teaduslikud ja meditsiinilised raadiosageduslikud (ISM-RF) tooted näitavad, et trükkplaat Nende toodete paigutus on altid erinevatele defektidele.Inimesed leiavad sageli, et sama IC on paigaldatud kahele erinevale trükkplaadile, jõudlusnäitajad on oluliselt erinevad. 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. Selles artiklis on näiteks fr-4 dielektriline, 0.0625 tolli paksune kahekihiline trükkplaat, trükkplaadi maandus. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Induktiivsuse suund

Kui kaks induktiivpooli (või isegi kaks PCB -liini) on üksteise lähedal, tekib vastastikune induktiivsus. 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:

Kus YB on vooluahelasse B süstitud veapinge, IA on vool 1, mis mõjutab vooluahelat A. 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. Selleks vaadake üksteise suhtes võimalikult risti, vaadake väikese võimsusega FSK superheterodüüni vastuvõtja hindamise (EV) plaadi (MAX7042EVKIT) vooluringi skeemi (joonis 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.

Joonis 2. Näidatud on kaks erinevat trükkplaadi paigutust, millest ühe elemendid on paigutatud vales suunas (L1 ja L3), teine ​​aga sobivam.

To sum up, the following principles should be followed:

Induktiivsuse vahekaugus peaks olema võimalikult suur.

Induktiivpoolid on paigutatud täisnurga alla, et minimeerida induktiivpoolide vahelist läbilööki.

Juhtige haakeseadet

Nii nagu induktiivpoolide suund mõjutab magnetühendust, mõjutab ka sidur, kui juhtmed on üksteisele liiga lähedal. Selline paigutusprobleem tekitab ka nn vastastikuse aistingu. Üks RF -vooluahela kõige enam murettekitavaid probleeme on süsteemi tundlike osade, näiteks sisendvõrgu, vastuvõtja resonantskanali, saatja antenni sobitusvõrgu, juhtmestik.

Kiirgusmagnetvälja minimeerimiseks peaks tagasivoolu tee olema peavoolu teele võimalikult lähedal. This arrangement helps to reduce the current loop area. Tagasivoolu ideaalne madala takistuse tee on tavaliselt maapind juhtmest allpool – see piirab silmuspiirkonda tõhusalt piirkonda, kus dielektriku paksus korrutatakse juhtme pikkusega. Kui aga maapind on poolitatud, suureneb silmuse pindala (joonis 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.

Joonis 3. Suure maa -ala täielik maandamine aitab parandada süsteemi jõudlust

Tegeliku induktiivpooli puhul mõjutab juhtme suund ka magnetvälja sidumist märkimisväärselt. Kui tundliku vooluahela juhtmed peavad olema üksteise lähedal, on parem sidemete vähendamiseks juhtmed vertikaalselt joondada (joonis 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

Raadiosagedusahela paigutuse põhiprobleem on tavaliselt vooluahela mitteoptimaalne iseloomulik takistus, sealhulgas vooluahela komponendid ja nende ühendused. Õhukese vaskkattega juhe on võrdne induktiivsustraadiga ja moodustab hajutatud mahtuvuse teiste läheduses asuvate juhtmetega. Pliil on ka auku läbides induktiivsus- ja mahtuvusomadused.

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. Parasiitide mahtuvuse mõju on üldiselt väike ja põhjustab tavaliselt ainult kiirete digitaalsete signaalide servade varieerumist (mida käesolevas artiklis ei käsitleta).

Läbiva augu suurim mõju on parasiitide induktiivsus, mis on põhjustatud vastavast ühendusviisist. 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 on augu läbimõõt tollides 2.

Kuidas vältida trükiplaatide trükkplaatide paigutuse erinevaid defekte?

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. Ideaalsed möödavoolukondensaatorid tagavad toiteala ja moodustise vahel kõrgsageduslikud lühised, kuid mitte ideaalsed läbivad augud võivad mõjutada moodustise ja toiteala vahelist madala tundlikkusega teed. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Arvestades ISM-RF toote spetsiifilist töösagedust, võivad läbivad augud kahjustada tundlikke ahelaid, näiteks resonantskanalite ahelaid, filtreid ja sobivaid võrke.

Muud probleemid tekivad, kui tundlikel ahelatel on ühised augud, näiteks π -tüüpi võrgu kaks haru. Näiteks paigutades ideaalse augu, mis on samaväärne induktiivsusega, erineb samaväärne skeem algsest vooluahela konstruktsioonist (joonis 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

Joonis 6. Ideaalsed ja mitteideaalsed arhitektuurid, ahelas on potentsiaalsed „signaaliteed”.

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.

Juhtme pikkus

Maxim ISM-RF tooteandmed soovitavad sageli kasutada võimalikult lühikesi kõrgsageduslikke sisend- ja väljundjuhtmeid, et minimeerida kadusid ja kiirgust. Teisest küljest on sellised kaotused tavaliselt põhjustatud mitteideaalsetest parasiitparameetritest, nii et nii parasiitide induktiivsus kui ka mahtuvus mõjutavad vooluahela paigutust ning võimalikult lühikese juhtme kasutamine aitab vähendada parasiitilisi parameetreid. 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. 20nH induktiivpooli ja 3pF kondensaatoriga LAN/ segisti vooluahela puhul mõjutab komponendi efektiivne väärtus suuresti, kui vooluahel ja komponentide paigutus on väga kompaktsed.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. See dokument asendati 2003. aastal IPC-2251 5-ga, mis pakub täpsemat arvutusmeetodit erinevate PCB-juhtmete jaoks. 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:

Valemis on εr dielektriku dielektriline konstant, h on plii kõrgus kihist, W on plii laius ja T on plii paksus (joonis 7). Kui w/h on vahemikus 0.1 kuni 2.0 ja εr on vahemikus 1 kuni 15, on selle valemi arvutamistulemused üsna täpsed.

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. Selles näites käsitleme hulkuvat mahtuvust ja induktiivsust. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Sarnaselt saab iseloomuliku induktiivsuse arvutada võrrandist, kasutades ülaltoodud võrrandit:

Oletame näiteks, et trükkplaadi paksus on 0.0625 tolli. (h = 62.5 mil), 1 unts vaskkattega plii (t = 1.35 mil), 0.01 tolli. (w = 10 mil) ja FR-4 plaat. Pange tähele, et FR-4 ε R on tavaliselt 4.35 farad/m (F/m), kuid võib olla vahemikus 4.0 F/m kuni 4.7 F/m. Selles näites arvutatud omaväärtused on Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

AN ISM-RF disaini korral võib plaadil olevate juhtmete 12.7 mm (0.5 tolli) paigutuspikkus toota parasiitide parameetreid ligikaudu 0.5 pF ja 9.3 nH (joonis 8). Parasiidiparameetrite mõju sellel tasemel vastuvõtja resonantskanalile (LC -toote variatsioon) võib põhjustada 315 MHz ± 2% või 433.92 MHz ± 3.5% variatsiooni. Plii parasiitsest mõjust tingitud täiendava mahtuvuse ja induktiivsuse tõttu ulatub 315MHz võnkesageduse tipp 312.17 MHz ja 433.92 MHz võnkesageduse tipp 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. Arvutage resonantsahela võnkesagedus võrrandi abil:

Plaadi resonantsahela hindamine peaks hõlmama pakendi ja paigutuse parasiitmõjusid ning parasiitide parameetrid on 7.3MHz resonantssageduse arvutamisel vastavalt 7.5PF ja 315PF. Pange tähele, et LC -toode tähistab ühekordset mahtuvust.

Kokkuvõtteks tuleb järgida järgmisi põhimõtteid:

Hoidke juhe võimalikult lühike.

Asetage võtmeahelad seadmele võimalikult lähedale.

Põhikomponendid kompenseeritakse vastavalt tegelikule paigutuse parasitismile.

Maandus ja täitmine

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Sel viisil kõigi elektriväljade võrdsustamine annab hea varjestusmehhanismi.

Alalisvool kipub alati voolama mööda väikese takistusega teed. Samamoodi voolab kõrgsagedusvool eelistatavalt läbi madalaima takistusega tee. 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).

Kuidas vältida trükiplaatide trükkplaatide paigutuse erinevaid defekte?

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. Ärge segage kaitsetraati juhtmega, mis on ette nähtud tagasivoolu tekitamiseks. See paigutus võib sisse tuua ülejooksmise.

Kuidas vältida trükiplaatide trükkplaatide paigutuse erinevaid defekte?

Joonis fig. 10. RF -süsteemi konstruktsioon peaks vältima ujuvaid vasest plakeeritud juhtmeid, eriti kui on vaja vasest ümbrist.

Vasega kaetud ala ei ole maandatud (ujuv) ega maandatud ainult ühest otsast, mis piirab selle tõhusust. 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. Lühidalt, kui trükkplaadile paigaldatakse vaskvoodri tükk (signaalita juhtmestik), et tagada ühtlane kattekihi paksus. Vasega kaetud alasid tuleks vältida, kuna need mõjutavad vooluringi konstruktsiooni.

Lõpuks arvestage kindlasti antenni lähedal asuva maa -ala mõjuga. Igal monopoolantennil on süsteemi tasakaalu osana maapind, juhtmestik ja augud ning mitteideaalsed tasakaalujuhtmed mõjutavad antenni kiirgusefektiivsust ja suunda (kiirgusmall). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Pakkuge võimalikult kaugele ja madala takistusega maanduspiirkondi.

Täitmisliini mõlemad otsad on maandatud ja võimaluste piires kasutatakse läbi aukude massiivi.

Ärge hõljuge vaskkattega traati raadiosagedusahela lähedal, ärge asetage vase raadioskeemi ümber.

Kui trükkplaat sisaldab mitut kihti, on signaalikaabli ühelt küljelt teisele asetamine kõige parem teha auk läbi.

Liigne kristallide mahtuvus

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Seetõttu tuleks järgida mõningaid üldisi juhiseid, et vähendada kristallide tihvtide, patjade, juhtmete või RF -seadmete ühenduste hulkuvat mahtuvust.

Tuleb järgida järgmisi põhimõtteid:

Ühendus kristalli ja RF -seadme vahel peaks olema võimalikult lühike.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Kui šundi parasiitmahtuvus on liiga suur, eemaldage maanduspiirkond kristalli all.

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. Seetõttu on enamik kontrollitud ja kõrge Q -induktiivpooli haavatüüpi. Teiseks saate valida mitmekihilise keraamilise induktiivpooli, mitmekihilised kiibikondensaatorite tootjad pakuvad ka seda toodet. Sellegipoolest valivad mõned disainerid vajadusel spiraalseid induktiivpooli. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Kus a on mähise keskmine raadius tollides; N on pöörete arv; C on mähise südamiku laius (ruuter-rinner), tollides. Kui mähis c “0.2a 11, on arvutusmeetodi täpsus 5%piires.

Kasutada võib ruut-, kuusnurkse või muu kujuga ühekihilisi spiraalinduktoreid. Tasapinnalise induktiivsuse modelleerimiseks integraallülitusplaatidel võib leida väga häid lähendusi. Selle eesmärgi saavutamiseks muudetakse Wheeleri standardvalemit, et saada tasapinna induktiivsuse hindamismeetod, mis sobib väikestele ja ruudukujulistele suurustele 12.

Kus ρ on täitmise suhe :; N on pöörete arv ja dAVG on keskmine läbimõõt:. Ruutheeliksite puhul K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Seda tüüpi induktiivpooli kasutamise vältimiseks on palju põhjuseid, mille tulemuseks on tavaliselt ruumipiirangute tõttu induktiivsuse väärtuste vähenemine. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Lisaks on tegelikke induktiivsuse väärtusi PCB tootmise ajal raske kontrollida ja induktiivsus kipub siduma müra ka teiste vooluahela osadega.