Lukuisat teollisuus-, tieteellisten ja lääketieteellisten radiotaajuisten (ISM-RF) tuotteiden käyttötapaukset osoittavat, että piirilevy näiden tuotteiden ulkoasu on altis erilaisille vikoille.Ihmiset huomaavat usein, että sama IC asennetaan kahteen eri piirilevyyn, suorituskykyindikaattorit ovat merkittävästi erilaisia. Käyttöolosuhteiden vaihtelut, harmoninen säteily, häiriönestokyky ja käynnistymisaika voivat selittää piirilevyasettelun tärkeyden onnistuneessa suunnittelussa.

Tässä artikkelissa luetellaan erilaiset suunnittelun laiminlyönnit, käsitellään kunkin vian syitä ja annetaan ehdotuksia näiden suunnitteluvirheiden välttämiseksi. Tässä paperissa esimerkiksi fr-4-dielektrinen, 0.0625 tuuman kaksikerroksinen PCB, piirilevyn maadoitus. Toimii eri taajuuskaistoilla välillä 315MHz -915MHz, Tx- ja Rx -tehot välillä -120dbm ja +13dBm.

Induktanssin suunta

Kun kaksi induktoria (tai jopa kaksi PCB -linjaa) ovat lähellä toisiaan, syntyy keskinäinen induktanssi. Ensimmäisen piirin virran tuottama magneettikenttä herättää toisen piirin virran (kuva 1). Tämä prosessi on samanlainen kuin muuntajan ensiö- ja toisiokäämien vuorovaikutus. Kun kaksi virtaa ovat vuorovaikutuksessa magneettikentän kautta, syntyvä jännite määritetään keskinäisellä induktanssilla LM:

Missä YB on piiriin B syötetty virhejännite, IA on piiriin A vaikuttava virta 1. LM on erittäin herkkä piirien välille, induktanssisilmukan alueelle (eli magneettivuolle) ja silmukan suunnalle. Siksi paras tasapaino kompaktin piirin rakenteen ja supistetun kytkennän välillä on kaikkien induktorien oikea suuntaus.

KUVA. 1. Magneettikenttälinjoista voidaan nähdä, että keskinäinen induktanssi liittyy induktanssin kohdistussuuntaan

Piirin B suunta säädetään siten, että sen virtasilmukka on yhdensuuntainen piirin A magneettikenttälinjan kanssa. Katso tätä tarkoitusta varten mahdollisimman kohtisuoraan toisiinsa nähden pienitehoisen FSK -superheterodyne -vastaanottimen arviointikortin (MAX7042EVKIT) piirien asettelu (Kuva 2). Kortin kolme induktoria (L3, L1 ja L2) ovat hyvin lähellä toisiaan, ja niiden suunta 0 °, 45 ° ja 90 ° auttaa vähentämään keskinäistä induktanssia.

Kuva 2. Näytetään kaksi erilaista piirilevyasettelua, joista toisessa elementit on järjestetty väärään suuntaan (L1 ja L3), kun taas toinen on sopivampi.

Yhteenvetona on noudatettava seuraavia periaatteita:

Induktanssivälin tulisi olla mahdollisimman suuri.

Induktorit on järjestetty suorassa kulmassa minimoimaan induktorien välinen ylikuuluminen.

Johda kytkentä

Aivan kuten induktorien suunta vaikuttaa magneettikytkentään, niin myös kytkentä, jos johdot ovat liian lähellä toisiaan. Tällainen asetteluongelma tuottaa myös niin kutsutun keskinäisen tunteen. Yksi RF -piirin eniten huolestuttavista ongelmista on järjestelmän herkkien osien, kuten tulon sovitusverkon, vastaanottimen resonanssikanavan, lähettimen antennin sovitusverkon, johdotus.

Paluuvirran tulee olla mahdollisimman lähellä päävirtapolkua säteilymagneettikentän minimoimiseksi. Tämä järjestely auttaa pienentämään nykyistä silmukka -aluetta. Ihanteellinen pienen vastuksen polku paluuvirralle on yleensä maa -alue johdon alapuolella – rajoittaa silmukka -alueen tehokkaasti alueelle, jossa eristeen paksuus kerrotaan johtimen pituudella. Kuitenkin, jos maa -alue jaetaan, silmukka -alue kasvaa (kuva 3). Jaetun alueen läpi kulkevien johtojen paluuvirta pakotetaan suuren vastuksen polun läpi, mikä lisää huomattavasti silmukan aluetta. Tämä järjestely tekee myös piirijohtimista alttiimpia keskinäiselle induktanssille.

Kuva 3. Täydellinen suuren alueen maadoitus auttaa parantamaan järjestelmän suorituskykyä

Varsinaisella induktorilla johtosuunta vaikuttaa myös merkittävästi magneettikentän kytkentään. Jos herkän piirin johtimien on oltava lähellä toisiaan, on parasta kohdistaa johdot pystysuoraan kytkennän vähentämiseksi (kuva 4). Jos pystysuuntainen kohdistus ei ole mahdollista, harkitse suojalinjan käyttöä. Katso suojajohtojen suunnittelusta alla oleva maadoitus- ja täyttökäsittelyosa.

Kuva 4. Kuten kuviossa 1, esitetään magneettikenttälinjojen mahdollinen kytkentä.

Yhteenvetona voidaan todeta, että levyä jaettaessa on noudatettava seuraavia periaatteita:

Täydellinen maadoitus on varmistettava johdon alapuolella.

Arkaluonteiset johtimet on sijoitettava pystysuoraan.

Jos johdot on järjestettävä rinnakkain, varmista riittävä etäisyys tai käytä suojajohtoja.

Maadoitus kautta

Suurin ongelma RF -piirin asettelussa on yleensä piirin optimaalinen ominaisimpedanssi, mukaan lukien piirikomponentit ja niiden yhteenliitännät. Ohut kuparipäällysteinen johto vastaa induktanssilankaa ja muodostaa hajautetun kapasitanssin muiden lähellä olevien johtojen kanssa. Johdolla on myös induktanssi- ja kapasitanssiominaisuuksia, kun se kulkee reiän läpi.

Läpireikien kapasitanssi tulee pääasiassa kapasitanssista, joka muodostuu läpivientireiän tyynyn sivussa olevan kupariverhouksen ja maassa olevan kupariverhouksen väliin, erotettuna melko pienellä renkaalla. Toinen vaikutus tulee itse metallirei’ityksen sylinteristä. Loiskapasitanssin vaikutus on yleensä pieni ja aiheuttaa yleensä vain reunan vaihtelua nopeissa digitaalisissa signaaleissa (jota ei käsitellä tässä artikkelissa).

Läpireiän suurin vaikutus on vastaavan yhdistämistilan aiheuttama loineninduktanssi. Koska useimmat RF -piirilevyjen metallirei’itykset ovat samankokoisia kuin palaset komponentit, sähköisten rei’itysten vaikutus voidaan arvioida yksinkertaisella kaavalla (KUVA 5):

Missä LVIA on induktiivinen kertakäyttöinen reiän läpi; H on läpireiän korkeus tuumina; D on läpireiän halkaisija, tuumaa 2.

Kuinka välttää erilaisia ​​vikoja piirilevyjen piirustuksissa

KUVA. 5. PCB-poikkileikkaus, jota käytetään arvioimaan loisten vaikutuksia reikärakenteisiin

Loisinduktanssilla on usein suuri vaikutus ohituskondensaattoreiden liitäntään. Ihanteelliset ohituskondensaattorit tarjoavat korkeataajuisia oikosulkuja syöttövyöhykkeen ja muodostuman välillä, mutta ei-ihanteelliset läpireiät voivat vaikuttaa muodon ja syöttövyöhykkeen väliseen matalan herkkyyden polkuun. Tyypillinen PCB -läpivientireikä (d = 10 mil, h = 62.5 mil) vastaa suunnilleen 1.34 nH induktoria. Kun otetaan huomioon ISM-RF-tuotteen erityinen toimintataajuus, läpireiät voivat vaikuttaa haitallisesti herkkiin piireihin, kuten resonanssikanavapiireihin, suodattimiin ja vastaaviin verkkoihin.

Muita ongelmia syntyy, jos herkillä piireillä on yhteisiä reikiä, kuten π -tyyppisen verkon kaksi haaraa. Esimerkiksi asettamalla ihanteellinen reikä, joka vastaa kertakäyttöistä induktanssia, vastaava kaavio on aivan erilainen kuin alkuperäinen piirisuunnittelu (KUVA 6). Kuten yhteisen virtapolun 3 ylikuuluminen, mikä lisää keskinäistä induktanssia, lisää ylikuulumista ja läpivientiä.

PCB -suunnitteluongelmien välttäminen

Kuva 6. Ihanteellinen vs. ei-ihanteellinen arkkitehtuuri, piirissä on potentiaalisia “signaalireittejä”.

Yhteenvetona voidaan todeta, että piirin asettelun tulee noudattaa seuraavia periaatteita:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Suodatin tai vastaava verkko käyttää itsenäisiä läpireikiä.

Note that a thinner PCB copper-clad will reduce the effect of parasitic inductance through the hole.

Johdon pituus

Maxim ISM-RF -tuotetiedot suosittelevat usein mahdollisimman lyhyiden korkeataajuisten tulo- ja lähtöjohtojen käyttöä häviöiden ja säteilyn minimoimiseksi. Toisaalta tällaiset häviöt johtuvat yleensä ei-ihanteellisista loisparametreista, joten sekä parasiittinen induktanssi että kapasitanssi vaikuttavat piirin rakenteeseen, ja mahdollisimman lyhyen johdon käyttö auttaa vähentämään loisparametreja. Tyypillisesti 10 millin leveä PCB -johto, jonka etäisyys on 0.0625 tuumaa… FR4 -kortilta saadaan noin 19nH/in induktanssi ja jaettu kapasitanssi noin 1pF/in. Lähiverkko-/ sekoitinpiirissä, jossa on 20nH induktori ja 3pF -kondensaattori, tehokkaan komponentin arvo vaikuttaa suuresti, kun piiri ja komponenttirakenne ovat erittäin pieniä.

IPc-d-317a4 julkaisussa ‘Institute for Printed Circuits’ tarjoaa alan standardin yhtälön mikroliuska-PCB: n eri impedanssiparametrien arvioimiseksi. Tämä asiakirja korvattiin vuonna 2003 IPC-2251 5: llä, joka tarjoaa tarkemman laskentamenetelmän eri PCB-johtimille. Online-laskimia on saatavana useista lähteistä, joista suurin osa perustuu IPC-2251: n tarjoamiin yhtälöihin. Missourin teknillisen instituutin sähkömagneettisen yhteensopivuuden laboratorio tarjoaa erittäin käytännöllisen menetelmän PCB -johtoimpedanssin laskemiseksi 6.

Hyväksytyt kriteerit mikroliuskajohtimien impedanssin laskemiseksi ovat:

Kaavassa εr on dielektrisen dielektrisyysvakio, h on johtimen korkeus kerroksesta, W on johtimen leveys ja T on lyijyn paksuus (kuvio 7). Kun w/h on välillä 0.1 ja 2.0 ja εr on välillä 1 ja 15, tämän kaavan laskentatulokset ovat varsin tarkkoja.

Kuva 7. Tämä kuva on piirilevyn poikkileikkaus (samanlainen kuin kuvassa 5) ja esittää rakennetta, jota käytetään mikroliuskajohdon impedanssin laskemiseen.

Johdon pituuden vaikutuksen arvioimiseksi on käytännöllisempää määrittää ihanteellisen piirin detuning -vaikutus lyijyparasiittisten parametrien avulla. Tässä esimerkissä keskustelemme hajakapasitanssista ja induktanssista. Vakioyhtälö ominaiskapasitanssille mikroliuskajohdoille on:

Samoin ominaisinduktanssi voidaan laskea yhtälöstä käyttämällä yllä olevaa yhtälöä:

Oletetaan esimerkiksi, että piirilevyn paksuus on 0.0625 tuumaa. (h = 62.5 mil), 1 unssia kuparipinnoitettua lyijyä (t = 1.35 mil), 0.01 tuumaa. (w = 10 mil) ja FR-4-levy. Huomaa, että FR-4: n ε R on tyypillisesti 4.35 farad/m (F/m), mutta voi vaihdella 4.0 F/m-4.7 F/m. Tässä esimerkissä lasketut ominaisarvot ovat Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

AN ISM-RF -suunnittelussa 12.7 mm: n (0.5 tuuman) johtojen asettelupituus levylle voi tuottaa loisparametreja noin 0.5 pF ja 9.3 nH (kuva 8). Tämän tason loisparametrien vaikutus vastaanottimen resonanssikanavaan (LC -tuotteen vaihtelu) voi johtaa 315 MHz ± 2% tai 433.92 MHz ± 3.5% vaihteluun. Johdon loisvaikutuksen aiheuttaman lisäkapasitanssin ja induktanssin vuoksi 315 MHz: n värähtelytaajuuden huippu saavuttaa 312.17 MHz ja 433.92 MHz: n värähtelytaajuuden huippu saavuttaa 426.6 MHz.

Toinen esimerkki on Maximin superheterodyne -vastaanottimen (MAX7042) resonanssikanava. Suositellut komponentit ovat 1.2 pF ja 30 nH taajuudella 315 MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Laske resonanssipiirin värähtelytaajuus käyttämällä yhtälöä:

Levyn resonanssipiirin arvioinnin tulisi sisältää pakkauksen loisvaikutukset ja ulkoasu, ja loisparametrit ovat 7.3PF ja 7.5PF vastaavasti 315 MHz: n resonanssitaajuutta laskettaessa. Huomaa, että LC -tuote edustaa kapasiteettia.

Yhteenvetona on noudatettava seuraavia periaatteita:

Pidä johto mahdollisimman lyhyenä.

Aseta avainpiirit mahdollisimman lähelle laitetta.

Keskeiset komponentit kompensoidaan todellisen ulkoasun parasitismin mukaan.

Maadoitus- ja täyttökäsittely

Maadoitus- tai tehokerros määrittelee yhteisen vertailujännitteen, joka syöttää virtaa järjestelmän kaikkiin osiin matalan vastusreitin kautta. Kaikkien sähkökenttien tasaaminen tällä tavalla tuottaa hyvän suojausmekanismin.

Tasavirralla on taipumus kulkea aina matalan vastusreitin varrella. Samalla tavalla suurtaajuinen virta kulkee ensisijaisesti polun läpi, jolla on pienin vastus. Joten tavalliselle PCB -mikroliuskalinjalle muodostelman yläpuolella paluuvirta yrittää virrata suoraan alueeseen johtimen alapuolelle. Kuten yllä olevassa johdinkytkentäosassa on kuvattu, leikattu maapinta -ala tuottaa erilaisia ​​ääniä, jotka lisäävät ylikuulumista joko magneettikentän kytkennän tai lähentyvien virtojen kautta (kuva 9).

Kuinka välttää erilaisia ​​vikoja piirilevyjen piirustuksissa

KUVA. 9. Pidä muodostus ehjänä mahdollisimman paljon, muuten paluuvirta aiheuttaa ylikuulumista.

Täytettyä maata, joka tunnetaan myös nimellä suojalinjat, käytetään yleisesti piireissä, joissa jatkuvaa maadoitusta on vaikea asentaa tai joissa tarvitaan suojaavia herkkiä piirejä (KUVA 10). Suojavaikutusta voidaan lisätä asettamalla maadoitusreiät (eli reikämatriisit) johtimen molempiin päihin tai johtoa pitkin. 8. Älä sekoita suojajohtoa johtoon, joka on suunniteltu paluuvirtaan. Tämä järjestely voi ottaa käyttöön ylikuulumisen.

Kuinka välttää erilaisia ​​vikoja piirilevyjen piirustuksissa

KUVA. 10. RF -järjestelmän suunnittelussa tulisi välttää kelluvia kuparipäällysteisiä johtoja, varsinkin jos kuparivaippaa tarvitaan.

Kuparilla päällystetty alue ei ole maadoitettu (kelluva) tai maadoitettu vain toisesta päästä, mikä rajoittaa sen tehokkuutta. Joissakin tapauksissa se voi aiheuttaa ei -toivottuja vaikutuksia muodostamalla loiskapasitanssin, joka muuttaa ympäröivän johdotuksen impedanssia tai luo piilevän polun piirien välille. Lyhyesti sanottuna, jos piirilevylle asetetaan kuparipäällyste (ei-piirisignaalijohdotus) tasaisen pinnoituspaksuuden varmistamiseksi. Kuparilla päällystettyjä alueita tulee välttää, koska ne vaikuttavat piirin suunnitteluun.

Muista lopuksi huomioida antennin lähellä olevien maa -alueiden vaikutukset. Jokaisessa monopoli-antennissa on maan alue, johdot ja reiät osana järjestelmän tasapainoa, ja ei-ihanteellinen tasapainojännite vaikuttaa antennin säteilytehokkuuteen ja -suuntaan (säteilymalli). Siksi maata ei saa sijoittaa suoraan monopoli -piirilevyjohtoantennin alle.

Yhteenvetona on noudatettava seuraavia periaatteita:

Järjestä jatkuva ja vähävastuinen maadoitusvyöhyke mahdollisimman pitkälle.

Täyttölinjan molemmat päät on maadoitettu, ja käytetään mahdollisimman paljon läpireikäistä matriisia.

Älä kelluta kuparipäällysteistä lankaa RF -piirin lähellä, älä aseta kuparia RF -piirin ympärille.

Jos piirilevy sisältää useita kerroksia, on parasta tehdä maadoitusreikä, kun signaalikaapeli kulkee puolelta toiselle.

Liiallinen kidekapasitanssi

Loiskapasitanssi saa kidetaajuuden poikkeamaan tavoitearvosta 9. Siksi on noudatettava joitain yleisiä ohjeita kristallinastien, tyynyjen, johtojen tai RF -laitteiden liitäntöjen hajakapasitanssin vähentämiseksi.

Seuraavia periaatteita on noudatettava:

Kiteen ja RF -laitteen välisen yhteyden tulee olla mahdollisimman lyhyt.

Pidä johdot toisistaan ​​mahdollisimman kaukana.

Jos shuntin loiskapasitanssi on liian suuri, poista maadoitusalue kiteen alapuolelta.

Tasomainen johdotuksen induktanssi

Tasomaista johdotusta tai PCB -kierreinduktoria ei suositella. Tyypillisissä PCB -valmistusprosesseissa on tiettyjä epätarkkuuksia, kuten leveys- ja tilatoleranssit, jotka vaikuttavat suuresti komponenttien arvojen tarkkuuteen. Siksi useimmat ohjattavat ja korkean Q -induktorit ovat haavatyyppisiä. Toiseksi voit valita monikerroksisen keraamisen induktorin, monikerroksiset sirukondensaattorivalmistajat tarjoavat myös tämän tuotteen. Kuitenkin jotkut suunnittelijat valitsevat spiraalisen induktorin, kun heidän on pakko. Vakiokaava tasomaisen spiraalin induktanssin laskemiseksi on yleensä Wheelerin kaava 10:

Missä a on kelan keskimääräinen säde tuumina; N on kierrosten lukumäärä; C on kelan ytimen (reititin-rinner) leveys tuumina. Kun kela c “0.2a 11, laskentamenetelmän tarkkuus on 5%.

Voidaan käyttää nelikerroksisia, kuusikulmaisia ​​tai muita muotoja olevia yksikerroksisia spiraalisia induktoreita. Löydetään erittäin hyviä arvioita tasomaisen induktanssin mallintamiseksi integroiduissa piirilevyissä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi Wheelerin vakiokaavaa muutetaan niin, että saadaan pienikokoiselle ja neliökoolle 12 sopiva tason induktanssin estimointimenetelmä.

Missä ρ on täyttöaste :; N on kierrosten lukumäärä ja dAVG on keskimääräinen halkaisija :. Neliöruuvien osalta K1 = 2.36, K2 = 2.75.

On monia syitä välttää tämän tyyppisten induktorien käyttöä, mikä yleensä johtaa induktanssiarvojen pienenemiseen tilan rajoitusten vuoksi. Tärkeimmät syyt tasomaisten induktorien välttämiseen ovat rajallinen geometria ja huono kriittisten mittojen hallinta, mikä tekee mahdottomaksi induktorien arvojen ennustamisen. Lisäksi todellisia induktanssiarvoja on vaikea hallita PCB -tuotannon aikana, ja induktanssilla on taipumus myös kytkeä kohinaa muihin piirin osiin.