مهارت های طراحی مدار چاپی مدار فرکانس بالا چیست؟

طراحی PCB فرکانس بالا یک فرآیند پیچیده است و عوامل زیادی ممکن است مستقیماً بر عملکرد کاری مدار فرکانس بالا تأثیر بگذارند. طراحی مدار فرکانس بالا و سیم کشی برای کل طراحی بسیار مهم است. ده نکته زیر برای طراحی مدار چاپی مدار فرکانس بالا به ویژه توصیه می شود:

ipcb

1. سیم کشی تخته چند لایه

مدارهای فرکانس بالا تمایل به یکپارچگی بالا و تراکم سیم کشی بالایی دارند. استفاده از تخته های چند لایه نه تنها برای سیم کشی ضروری است، بلکه وسیله ای موثر برای کاهش تداخل است. در مرحله چیدمان PCB، انتخاب معقول اندازه برد چاپ شده با تعداد لایه های معین می تواند از لایه میانی برای راه اندازی سپر استفاده کامل کند، نزدیک ترین زمین را بهتر تشخیص دهد و به طور موثر اندوکتانس انگلی را کاهش دهد و سیگنال را کوتاه کند. طول انتقال، در حالی که هنوز هم حفظ می شود، همه این روش ها برای قابلیت اطمینان مدارهای فرکانس بالا، مانند کاهش دامنه تداخل متقابل سیگنال، مفید هستند. برخی از داده ها نشان می دهد که وقتی از همان ماده استفاده می شود، نویز برد چهار لایه 20 دسی بل کمتر از برد دو طرفه است. با این حال، یک مشکل نیز وجود دارد. هرچه تعداد نیم لایه های PCB بیشتر باشد، فرآیند ساخت پیچیده تر و هزینه واحد بالاتر می رود. این امر مستلزم انتخاب بردهای PCB با تعداد لایه های مناسب هنگام اجرای PCB Layout است. برنامه ریزی منطقی چیدمان اجزا و استفاده از قوانین سیم کشی صحیح برای تکمیل طراحی.

2. هرچه سرب بین پین های دستگاه های الکترونیکی پرسرعت کمتر خم شود، بهتر است

سیم سربی سیم‌کشی مدار فرکانس بالا بهتر است از یک خط مستقیم کامل استفاده کند که باید چرخانده شود. می توان آن را با یک خط شکسته 45 درجه یا یک قوس دایره ای چرخاند. این نیاز فقط برای بهبود استحکام تثبیت فویل مس در مدارهای فرکانس پایین استفاده می شود، در حالی که در مدارهای فرکانس بالا این نیاز برآورده می شود. یکی از الزامات می تواند انتشار خارجی و جفت متقابل سیگنال های فرکانس بالا را کاهش دهد.

3. هرچه فاصله بین پایه های دستگاه مدار فرکانس بالا کوتاهتر باشد بهتر است

شدت تابش سیگنال با طول ردیابی خط سیگنال متناسب است. هر چه طول سیگنال فرکانس بالا طولانی تر باشد، اتصال به اجزای نزدیک به آن آسان تر است. بنابراین، برای ساعت سیگنال، نوسانگر کریستالی، داده های DDR، خطوط LVDS، خطوط USB، خطوط HDMI و سایر خطوط سیگنال فرکانس بالا باید تا حد امکان کوتاه باشند.

4. هر چه لایه سرب کمتر بین پین های دستگاه مدار فرکانس بالا متناوب شود، بهتر است

اصطلاح “هرچه تناوب بین لایه ها کمتر باشد، بهتر است” به این معنی است که هر چه تعداد vias (Via) کمتری در فرآیند اتصال کامپوننت استفاده شود، بهتر است. با توجه به طرف، یک via می تواند حدود 0.5pF ظرفیت توزیع شده را به ارمغان بیاورد و کاهش تعداد via ها می تواند به طور قابل توجهی سرعت را افزایش دهد و احتمال خطاهای داده را کاهش دهد.

5. به “crosstalk” معرفی شده توسط خط سیگنال در مسیریابی موازی نزدیک توجه کنید.

سیم‌کشی مدار فرکانس بالا باید به “تقاطع” معرفی شده توسط مسیریابی موازی نزدیک خطوط سیگنال توجه کند. Crosstalk به پدیده جفت شدن بین خطوط سیگنالی اشاره دارد که مستقیماً متصل نیستند. از آنجایی که سیگنال های فرکانس بالا به شکل امواج الکترومغناطیسی در طول خط انتقال منتقل می شوند، خط سیگنال به عنوان یک آنتن عمل می کند و انرژی میدان الکترومغناطیسی در اطراف خط انتقال منتشر می شود. سیگنال های نویز نامطلوب به دلیل جفت شدن دو طرفه میدان های الکترومغناطیسی بین سیگنال ها تولید می شوند. به نام crosstalk (Crosstalk). پارامترهای لایه PCB، فاصله خطوط سیگنال، مشخصات الکتریکی انتهای محرک و انتهای گیرنده، و روش پایان خط سیگنال، همگی تأثیر خاصی بر تداخل دارند. بنابراین، برای کاهش تداخل سیگنال های فرکانس بالا، لازم است تا حد امکان هنگام سیم کشی موارد زیر انجام شود:

اگر فضای سیم‌کشی اجازه می‌دهد، قرار دادن یک سیم زمین یا صفحه زمین بین دو سیم با تداخل جدی‌تر می‌تواند در جداسازی و کاهش تداخل نقش داشته باشد. هنگامی که یک میدان الکترومغناطیسی متغیر با زمان در فضای اطراف خط سیگنال وجود دارد، اگر نمی توان از توزیع موازی اجتناب کرد، می توان ناحیه بزرگی از “زمین” را در طرف مقابل خط سیگنال موازی ترتیب داد تا تداخل را تا حد زیادی کاهش دهد.

با این فرض که فضای سیم کشی اجازه می دهد، فاصله بین خطوط سیگنال مجاور را افزایش دهید، طول موازی خطوط سیگنال را کاهش دهید و سعی کنید به جای موازی، خط ساعت را عمود بر خط سیگنال کلیدی قرار دهید. اگر سیم کشی موازی در یک لایه تقریباً اجتناب ناپذیر است، در دو لایه مجاور، جهت سیم کشی باید عمود بر یکدیگر باشد.

در مدارهای دیجیتال، سیگنال های ساعت معمولی سیگنال هایی با تغییرات لبه سریع هستند که تداخل خارجی بالایی دارند. بنابراین، در طراحی، خط ساعت باید توسط یک خط زمین احاطه شود و سوراخ های بیشتری در خط زمین ایجاد شود تا ظرفیت خازنی توزیع شده کاهش یابد و در نتیجه تداخل کاهش یابد. برای ساعت های سیگنال فرکانس بالا، سعی کنید از سیگنال های ساعت دیفرانسیل ولتاژ پایین استفاده کنید و حالت زمین را بپیچید و به یکپارچگی پانچ زمین پکیج توجه کنید.

ترمینال ورودی استفاده نشده نباید معلق باشد، بلکه باید زمین یا به منبع تغذیه متصل شود (منبع تغذیه نیز در حلقه سیگنال فرکانس بالا به زمین متصل می شود)، زیرا خط معلق ممکن است معادل آنتن فرستنده باشد و اتصال زمین می تواند مانع شود. انتشار تمرین ثابت کرده است که استفاده از این روش برای از بین بردن تداخل گاهی اوقات می تواند نتایج فوری به همراه داشته باشد.

6. خازن جداکننده فرکانس بالا را به پایه منبع تغذیه بلوک مدار مجتمع اضافه کنید.

یک خازن جداکننده فرکانس بالا به پایه منبع تغذیه هر بلوک مدار مجتمع نزدیک اضافه می شود. افزایش خازن جداکننده فرکانس بالا پایه منبع تغذیه می تواند به طور موثر تداخل هارمونیک های فرکانس بالا را در پایه منبع تغذیه سرکوب کند.

7. سیم زمین سیگنال دیجیتال با فرکانس بالا و سیم زمین سیگنال آنالوگ را جدا کنید

هنگامی که سیم زمین آنالوگ، سیم زمین دیجیتال و غیره به سیم زمین عمومی وصل می شوند، از مهره های مغناطیسی چوک با فرکانس بالا برای اتصال یا جداسازی مستقیم و انتخاب مکان مناسب برای اتصال تک نقطه ای استفاده کنید. پتانسیل زمین سیم زمین سیگنال دیجیتال با فرکانس بالا به طور کلی ناسازگار است. اغلب یک تفاوت ولتاژ مشخص بین این دو به طور مستقیم وجود دارد. علاوه بر این، سیم زمین سیگنال دیجیتال فرکانس بالا اغلب شامل اجزای هارمونیک بسیار غنی از سیگنال فرکانس بالا است. هنگامی که سیم زمین سیگنال دیجیتال و سیم زمین سیگنال آنالوگ به طور مستقیم متصل می شوند، هارمونیک های سیگنال فرکانس بالا از طریق کوپلینگ سیم زمین با سیگنال آنالوگ تداخل می کند. بنابراین، در شرایط عادی، سیم زمین سیگنال دیجیتال با فرکانس بالا و سیم زمین سیگنال آنالوگ باید ایزوله شوند و می توان از روش اتصال تک نقطه ای در موقعیت مناسب یا روشی برای بالا استفاده کرد. می توان از اتصال مهره مغناطیسی چوک فرکانس استفاده کرد.

8. از حلقه های تشکیل شده توسط سیم کشی خودداری کنید

انواع ردیابی سیگنال با فرکانس بالا تا حد امکان نباید یک حلقه تشکیل دهند. اگر اجتناب ناپذیر است، ناحیه حلقه باید تا حد امکان کوچک باشد.

9. باید از تطابق امپدانس سیگنال خوب اطمینان حاصل کرد

در فرآیند انتقال سیگنال، زمانی که امپدانس مطابقت نداشته باشد، سیگنال در کانال انتقال منعکس می‌شود و بازتاب باعث می‌شود سیگنال سنتز شده بیش از حد ایجاد کند و باعث نوسان سیگنال در نزدیکی آستانه منطقی شود.

راه اساسی برای حذف انعکاس، تطبیق امپدانس سیگنال انتقال به خوبی است. از آنجایی که هرچه تفاوت بین امپدانس بار و امپدانس مشخصه خط انتقال بیشتر باشد، بازتاب آن بیشتر است، بنابراین امپدانس مشخصه خط انتقال سیگنال باید تا حد امکان برابر با امپدانس بار باشد. در عین حال توجه داشته باشید که خط انتقال روی PCB نمی تواند تغییرات یا گوشه های ناگهانی داشته باشد و سعی کنید امپدانس هر نقطه از خط انتقال را ثابت نگه دارید، در غیر این صورت بازتاب هایی بین بخش های مختلف خط انتقال ایجاد می شود. این مستلزم آن است که در سیم کشی PCB با سرعت بالا، قوانین سیم کشی زیر باید رعایت شود:

قوانین سیم کشی USB به مسیریابی دیفرانسیل سیگنال USB نیاز دارد، عرض خط 10 میل، فاصله خطوط 6 میل و فاصله خطوط زمین و خطوط سیگنال 6 میل است.

قوانین سیم کشی HDMI مسیریابی دیفرانسیل سیگنال HDMI مورد نیاز است، عرض خط 10 میل، فاصله خطوط 6 میل است، و فاصله بین هر دو مجموعه از جفت سیگنال دیفرانسیل HDMI بیش از 20 میل است.

قوانین سیم کشی LVDS به مسیریابی دیفرانسیل سیگنال LVDS نیاز دارد، عرض خط 7 میل است، فاصله خطوط 6 میل است، هدف کنترل امپدانس سیگنال دیفرانسیل HDMI تا 100+-15% اهم است.

قوانین سیم کشی DDR ردیابی‌های DDR1 به سیگنال‌ها نیاز دارند که تا حد امکان از سوراخ‌ها عبور نکنند، خطوط سیگنال دارای عرض مساوی هستند و خطوط به همان اندازه فاصله دارند. ردیابی ها باید اصل 2W را رعایت کنند تا تداخل بین سیگنال ها کاهش یابد. برای دستگاه های پرسرعت DDR2 و بالاتر، داده های با فرکانس بالا نیز مورد نیاز است. طول خطوط برابر است تا از تطابق امپدانس سیگنال اطمینان حاصل شود.

10. یکپارچگی انتقال را تضمین کنید

یکپارچگی انتقال سیگنال را حفظ کنید و از “پدیده جهش زمین” ناشی از شکافتن زمین جلوگیری کنید.