موارد کاربرد فراوان محصولات صنعتی ، علمی و پزشکی رادیویی (ISM-RF) نشان می دهد که تخته مدار چاپی طرح این محصولات مستعد نقایص مختلف است.اغلب افراد متوجه می شوند که IC مشابهی که بر روی دو برد مختلف نصب شده است ، شاخص های عملکرد متفاوت خواهند بود. 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. در این مقاله ، fr-4 دی الکتریک ، 0.0625 اینچ ضخامت PCB دو لایه به عنوان مثال ، زمین مدار مدار. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

جهت القایی

وقتی دو سلف (یا حتی دو خط PCB) به یکدیگر نزدیک باشند ، سلف متقابل ایجاد می شود. 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:

جایی که ، YB ولتاژ خطا تزریق شده به مدار B است ، IA جریان 1 است که روی مدار A عمل می کند. LM به فاصله مدار ، ناحیه حلقه القایی (یعنی شار مغناطیسی) و جهت حلقه بسیار حساس است. 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. برای این منظور ، تا حد امکان عمود بر یکدیگر ، لطفاً به طرح مدار برد کم قدرت FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) (MAX7042EVKIT) مراجعه کنید (شکل 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.

شکل 2. دو طرح بندی مختلف PCB نشان داده شده است که در یکی از آنها عناصر در جهت اشتباه مرتب شده اند (L1 و L3) ، در حالی که دیگری مناسب تر است.

به طور خلاصه ، اصول زیر باید رعایت شود:

فاصله القایی باید تا آنجا که ممکن است باشد.

سلف ها در زاویه راست قرار گرفته اند تا تقابل بین سلف ها را به حداقل برسانند.

اتصال را هدایت کنید

همانطور که جهت سلف ها روی کوپلینگ مغناطیسی تأثیر می گذارد ، در صورتی که سیمها بسیار نزدیک به یکدیگر باشند ، کوپلینگ نیز تأثیر می گذارد. این نوع مشکل طرح بندی نیز چیزی را ایجاد می کند که به آن احساس متقابل می گویند. یکی از مهمترین مشکلات مدار RF سیم کشی قسمتهای حساس سیستم مانند شبکه تطبیق ورودی ، کانال رزونانس گیرنده ، شبکه تطبیق آنتن فرستنده و غیره است.

مسیر جریان برگشت باید تا آنجا که ممکن است به مسیر اصلی اصلی نزدیک باشد تا میدان مغناطیسی تابش را به حداقل برساند. This arrangement helps to reduce the current loop area. مسیر ایده آل مقاومت کم برای جریان برگشت معمولاً منطقه زمین زیر سرب است – به طور موثر محدوده حلقه را به منطقه ای محدود می کنید که ضخامت دی الکتریک در طول سرب ضرب می شود. با این حال ، اگر منطقه زمین شکافته شود ، مساحت حلقه افزایش می یابد (شکل 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.

شکل 3. كامل كردن سطح كامل مساحت بزرگ به بهبود عملکرد سیستم كمك می كند

جهت یک سلف واقعی ، جهت سرب نیز تأثیر قابل توجهی بر روی اتصال میدان مغناطیسی دارد. اگر سرهای یک مدار حساس باید نزدیک یکدیگر باشند ، بهتر است که سیم ها را به صورت عمودی تراز کنید تا اتصال کاهش یابد (شکل 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. برای طراحی سیم حفاظتی ، لطفاً به قسمت عملیات اتصال و پر کردن زیر مراجعه کنید.

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.

سرنخ های حساس باید به صورت عمودی چیده شوند.

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

Grounding via

مشکل اصلی در چیدمان مدار RF معمولاً امپدانس مشخصه غیر بهینه مدار ، شامل اجزای مدار و اتصالات متقابل آنها است. سرب با روکش مس نازک معادل سیم القایی است و با دیگر سرنخ های مجاور خازنی توزیع شده را تشکیل می دهد. سرب همچنین هنگام عبور از سوراخ ، خواص سلفی و خازنی را از خود نشان می دهد.

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. تأثیر خازن انگلی به طور کلی اندک است و معمولاً فقط باعث تغییر لبه در سیگنال های دیجیتالی با سرعت بالا می شود (که در این مقاله مورد بحث قرار نگرفته است).

بزرگترین اثر سوراخ از طریق القاء انگلی ناشی از حالت اتصال متناظر است. 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 قطر سوراخ داخلی ، در اینچ 2 است.

نحوه جلوگیری از نقص های مختلف در چیدمان بردهای چاپی PCB

شکل. 5. سطح مقطع PCB برای برآورد اثرات انگلی بر روی ساختارهای حفره ای استفاده می شود

The parasitic inductance often has a great influence on the connection of bypass capacitors. خازن های بای پس ایده آل ، مدارهای کوتاه با فرکانس بالا بین ناحیه تأمین و سازند ایجاد می کنند ، اما سوراخ های غیر ایده آل می توانند مسیر حساسیت کم بین سازند و ناحیه تأمین را تحت تأثیر قرار دهند. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. با توجه به فرکانس کاری خاص محصول ISM-RF ، حفره ها می توانند روی مدارهای حساس مانند مدارهای کانال رزونانس ، فیلترها و شبکه های منطبق تأثیر منفی بگذارند.

مشکلات دیگری بوجود می آیند اگر مدارهای حساس حفره هایی داشته باشند ، مانند دو بازوی یک شبکه نوع π. به عنوان مثال ، با قرار دادن یک سوراخ ایده آل معادل اندوکتانس متراکم ، شماتیک معادل با طرح مدار اصلی کاملاً متفاوت است (شکل 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

شکل 6. معماری ایده آل در مقابل معماری غیر ایده آل ، “مسیرهای سیگنال” بالقوه ای در مدار وجود دارد.

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.

طول سرب

داده های محصول Maxim ISM-RF اغلب توصیه می کند که از کوتاهترین ورودی و خروجی فرکانس بالا برای به حداقل رساندن تلفات و تشعشعات استفاده شود. از سوی دیگر ، چنین تلفاتی معمولاً ناشی از پارامترهای انگلی غیر ایده آل است ، بنابراین هر دو القایی و خازنی انگلی بر روی طرح مدار تأثیر می گذارد و استفاده از کوتاهترین سرب ممکن به کاهش پارامترهای انگلی کمک می کند. 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. برای یک مدار LAN/ مخلوط کن با یک سلف 20nH و یک خازن 3pF ، هنگامی که مدار و طرح قطعات بسیار فشرده باشند ، مقدار جزء موثر بسیار تحت تأثیر قرار می گیرد.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. این سند در سال 2003 با IPC-2251 5 جایگزین شد ، که روش محاسبه دقیق تری را برای سرنخ های مختلف PCB ارائه می دهد. 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:

در فرمول ، εr ثابت دی الکتریک دی الکتریک ، h ارتفاع سرب از لایه ، W عرض سرب و T ضخامت سرب است (شکل 7). وقتی w/h بین 0.1 و 2.0 و εr بین 1 و 15 باشد ، نتایج محاسبه این فرمول کاملاً دقیق است.

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. در این مثال ، ما درباره ظرفیت و استقراء سرگردان بحث می کنیم. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

به طور مشابه ، استقراء مشخصه را می توان با استفاده از معادله فوق از معادله محاسبه کرد:

به عنوان مثال ، ضخامت PCB را 0.0625 اینچ فرض کنید. (h = 62.5 mil) ، 1 اونس سرب با روکش مس (t = 1.35 mil) ، 0.01in. (w = 10 میلیون) ، و یک تخته FR-4. توجه داشته باشید که ε R FR-4 معمولاً 4.35 فاراد در متر (F/m) است ، اما می تواند از 4.0F/m تا 4.7F/m متغیر باشد. مقادیر ویژه محاسبه شده در این مثال Z0 = 134 ω ، C0 = 1.04pF/in ، L0 = 18.7nH/in است.

برای طراحی AN ISM-RF ، طول چیدمان 12.7 میلی متر (0.5 اینچ) روی تخته می تواند پارامترهای انگلی تقریباً 0.5pF و 9.3nH تولید کند (شکل 8). تأثیر پارامترهای انگلی در این سطح بر روی کانال طنین گیرنده (تنوع محصول LC) ممکن است منجر به 315MHz ± 2 or یا 433.92mhz ± 3.5 var تنوع شود. با توجه به ظرفیت و سلف اضافی ناشی از اثر انگلی سرب ، اوج فرکانس نوسان 315 مگاهرتز به 312.17 مگاهرتز و اوج فرکانس نوسان 433.92 مگاهرتز به 426.6 مگاهرتز می رسد.

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. فرکانس نوسان مدار رزونانس را با استفاده از معادله زیر محاسبه کنید:

ارزیابی مدار رزونانس صفحه باید شامل اثرات انگلی بسته و طرح باشد و هنگام محاسبه فرکانس تشدید 7.3 مگاهرتز پارامترهای انگلی به ترتیب 7.5PF و 315PF هستند. توجه داشته باشید که محصول LC ​​نشان دهنده خازن جمع شده است.

به طور خلاصه ، اصول زیر باید رعایت شود:

پیشتاز را تا آنجا که ممکن است کوتاه نگه دارید.

مدارهای کلیدی را تا آنجا که ممکن است نزدیک دستگاه قرار دهید.

اجزای اصلی با توجه به انگل چیدمان واقعی جبران می شوند.

درمان زمینکاری و پر کردن

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. برابری تمام میدان های الکتریکی به این ترتیب یک مکانیزم محافظ خوب تولید می کند.

جریان مستقیم همیشه تمایل دارد در مسیری با مقاومت کم جریان یابد. به همین ترتیب ، جریان فرکانس بالا ترجیحاً در مسیری با کمترین مقاومت جریان می یابد. 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).

نحوه جلوگیری از نقص های مختلف در چیدمان بردهای چاپی PCB

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. سیم محافظ را با سربی که برای ایجاد مسیر جریان برگشت طراحی شده است ، مخلوط نکنید. این ترتیب می تواند تقابل متقابل را معرفی کند.

نحوه جلوگیری از نقص های مختلف در چیدمان بردهای چاپی PCB

شکل. 10. طراحی سیستم RF باید از سیم های روکش دار مسی اجتناب کند ، مخصوصاً در صورت نیاز به روکش مس.

ناحیه مس پوشیده از زمین (شناور) و یا فقط در یک سر آن زمین گیر نشده است ، که کارایی آن را محدود می کند. 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. به طور خلاصه ، اگر یک قطعه روکش مس (سیم کشی سیگنال غیر مدار) روی برد نصب شود تا از ضخامت آبکاری ثابت اطمینان حاصل شود. از مناطق مس پوشیده باید اجتناب کرد زیرا بر طراحی مدار تأثیر می گذارد.

در نهایت ، حتماً اثرات هر سطح زمینی نزدیک آنتن را در نظر بگیرید. هر آنتن تک قطبی دارای سطح زمین ، سیم کشی و سوراخ به عنوان بخشی از تعادل سیستم خواهد بود و سیم کشی تعادل غیر ایده آل بر بازده تابش و جهت آنتن (الگوی تشعشع) تأثیر می گذارد. Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

به طور خلاصه ، اصول زیر باید رعایت شود:

تا آنجا که ممکن است مناطق اتصال مداوم و کم مقاومت را فراهم کنید.

هر دو انتهای خط پرکن زمین شده اند و تا آنجا که ممکن است از یک آرایه سوراخ استفاده می شود.

سیم روکش دار مس را در نزدیکی مدار RF شناور نکنید ، مس را در اطراف مدار RF قرار ندهید.

اگر برد مدار دارای چندین لایه باشد ، بهتر است زمانی که کابل سیگنال از یک طرف به طرف دیگر می رود ، از طریق سوراخ زمینه ای ایجاد کنید.

ظرفیت کریستالی بیش از حد

خازن انگلی باعث فرکانس کریستال از مقدار هدف 9 می شود. بنابراین ، برخی دستورالعمل های کلی برای کاهش ظرفیت سرگردان پین ها ، پدها ، سیم ها یا اتصالات به دستگاه های RF باید رعایت شود.

اصول زیر باید دنبال شود:

اتصال بین دستگاه کریستال و RF باید تا حد ممکن کوتاه باشد.

تا جایی که ممکن است سیم کشی را از یکدیگر دور کنید.

اگر خازن انگلی شانت خیلی بزرگ است ، ناحیه اتصال زیر کریستال را بردارید.

القایی سیم کشی مسطح

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. بنابراین ، اکثر سلف های کنترل شده و Q بالا از نوع زخم هستند. در مرحله دوم ، شما می توانید سلف سرامیکی چند لایه را انتخاب کنید ، تولید کنندگان خازن تراشه چند لایه نیز این محصول را ارائه می دهند. با این وجود ، برخی از طراحان در مواقع لزوم سلفهای مارپیچی را انتخاب می کنند. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

جایی که ، a شعاع متوسط ​​سیم پیچ ، بر حسب اینچ است. N تعداد دورها است. C عرض هسته سیم پیچ (مسیریاب-شستشو) ، به اینچ است. هنگامی که سیم پیچ c ”0.2a 11 است ، دقت روش محاسبه در 5 است.

از سلف های مارپیچی تک لایه مربع ، شش ضلعی یا اشکال دیگر می توان استفاده کرد. برای مدل سازی القایی مسطح بر روی ویفرهای مدار مجتمع می توان تقریب های بسیار خوبی یافت. برای دستیابی به این هدف ، فرمول استاندارد ویلر برای بدست آوردن یک روش برآورد استقراء صفحه مناسب برای اندازه کوچک و اندازه مربع 12 اصلاح شده است.

جایی که ، ρ نسبت پر شدن است :؛ N تعداد دورها و dAVG قطر متوسط ​​است :. برای مارپیچهای مربعی ، K1 = 2.36 ، K2 = 2.75.

دلایل زیادی برای اجتناب از استفاده از این نوع سلف ها وجود دارد که معمولاً به دلیل محدودیت فضا باعث کاهش مقادیر سلف می شود. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. علاوه بر این ، کنترل مقادیر استقراء واقعی در حین تولید PCB دشوار است و القاء نیز باعث ایجاد نویز در سایر قسمتهای مدار می شود.