De nombreux cas d’application de produits radiofréquences industriels, scientifiques et médicaux (ISM-RF) montrent que le circuit imprimé la disposition de ces produits est sujette à divers défauts.Les gens trouvent souvent que le même IC installé sur deux circuits imprimés différents, les indicateurs de performance seront très différents. 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. Dans cet article, le diélectrique fr-4, PCB double couche d’épaisseur 0.0625 pouces à titre d’exemple, la mise à la terre du circuit imprimé. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Sens de l’inductance

Lorsque deux inductances (ou même deux lignes PCB) sont proches l’une de l’autre, une inductance mutuelle se produira. 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:

Où, YB est la tension d’erreur injectée dans le circuit B, IA est le courant 1 agissant sur le circuit 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. À cette fin, aussi perpendiculaires que possible les uns aux autres, veuillez vous référer au schéma de circuit de la carte d’évaluation de récepteur (EV) superhétérodyne FSK à faible puissance (MAX7042EVKIT) (Figure 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.

Figure 2. Deux configurations de circuits imprimés différentes sont illustrées, dont l’une a les éléments disposés dans le mauvais sens (L1 et L3), tandis que l’autre est plus appropriée.

To sum up, the following principles should be followed:

L’espacement des inductances doit être aussi loin que possible.

Les inducteurs sont disposés à angle droit pour minimiser la diaphonie entre les inducteurs.

Mener le couplage

Tout comme l’orientation des inducteurs affecte le couplage magnétique, il en va de même pour le couplage si les conducteurs sont trop proches les uns des autres. Ce genre de problème de mise en page produit également ce qu’on appelle une sensation mutuelle. L’un des problèmes les plus préoccupants du circuit RF est le câblage des parties sensibles du système, telles que le réseau d’adaptation d’entrée, le canal de résonance du récepteur, le réseau d’adaptation d’antenne de l’émetteur, etc.

The return current path should be as close to the main current path as possible to minimize the radiation magnetic field. This arrangement helps to reduce the current loop area. Le chemin idéal à faible résistance pour le courant de retour est généralement la région de masse sous le fil – limitant efficacement la zone de boucle à une région où l’épaisseur du diélectrique est multipliée par la longueur du fil. Cependant, si la région au sol est divisée, la zone de boucle augmente (Figure 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.

Figure 3. Une mise à la terre complète de grande surface permet d’améliorer les performances du système

Pour un inducteur réel, la direction du fil a également un effet significatif sur le couplage du champ magnétique. Si les fils d’un circuit sensible doivent être proches les uns des autres, il est préférable d’aligner les fils verticalement pour réduire le couplage (Figure 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

Le principal problème avec la disposition des circuits RF est généralement l’impédance caractéristique sous-optimale du circuit, y compris les composants du circuit et leurs interconnexions. Le fil avec une fine couche de cuivre est équivalent au fil d’inductance et forme une capacité distribuée avec d’autres fils à proximité. Le fil présente également des propriétés d’inductance et de capacité lorsqu’il traverse le trou.

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. L’effet de la capacité parasite est généralement faible et ne provoque généralement qu’une variation de bord dans les signaux numériques à grande vitesse (ce qui n’est pas abordé dans cet article).

L’effet le plus important du trou traversant est l’inductance parasite causée par le mode d’interconnexion correspondant. 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 est le diamètre du trou traversant, en pouces 2.

How to avoid various defects in PCB layout of printed boards

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. Les condensateurs de dérivation idéaux fournissent des courts-circuits à haute fréquence entre la zone d’alimentation et la formation, mais des trous traversants non idéaux peuvent affecter le chemin de faible sensibilité entre la formation et la zone d’alimentation. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Given the specific operating frequency of the ISM-RF product, the through-holes can adversely affect sensitive circuits such as resonant channel circuits, filters, and matching networks.

D’autres problèmes surviennent si des circuits sensibles partagent des trous, comme les deux bras d’un réseau de type . Par exemple, en plaçant un trou idéal équivalent à l’inductance localisée, le schéma équivalent est assez différent de la conception de circuit d’origine (figure 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

Figure 6. Architectures idéales et non idéales, il existe des « chemins de signaux » potentiels dans le circuit.

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.

La longueur du fil

Les données produit Maxim ISM-RF recommandent souvent d’utiliser les câbles d’entrée et de sortie haute fréquence les plus courts possibles pour minimiser les pertes et le rayonnement. D’un autre côté, de telles pertes sont généralement causées par des paramètres parasites non idéaux, de sorte que l’inductance et la capacité parasites affectent la configuration du circuit, et l’utilisation du fil le plus court possible permet de réduire les paramètres parasites. 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. Pour un circuit LAN/mélangeur avec une inductance 20nH et un condensateur 3pF, la valeur effective du composant sera grandement affectée lorsque le circuit et la disposition des composants sont très compacts.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Ce document a été remplacé en 2003 par l’IPC-2251 5, qui fournit une méthode de calcul plus précise pour divers circuits imprimés. 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:

Dans la formule, r est la constante diélectrique du diélectrique, h est la hauteur du plomb à partir de la strate, W est la largeur du plomb et T est l’épaisseur du plomb (figure 7). Lorsque w/h est compris entre 0.1 et 2.0 et εr est compris entre 1 et 15, les résultats de calcul de cette formule sont assez précis.

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. Dans cet exemple, nous discutons de la capacité parasite et de l’inductance. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

De même, l’inductance caractéristique peut être calculée à partir de l’équation en utilisant l’équation ci-dessus :

Par exemple, supposons une épaisseur de PCB de 0.0625 pouces. (h = 62.5 mil), 1 once de plomb recouvert de cuivre (t = 1.35 mil), 0.01 po. (w = 10 mil), et une carte FR-4. Notez que le R du FR-4 est généralement de 4.35 farad /m (F/m), mais peut aller de 4.0F/m à 4.7F/m. Les valeurs propres calculées dans cet exemple sont Z0 = 134 ω, C0 = 1.04 pF/in, L0 = 18.7 nH/in.

Pour la conception AN ISM-RF, une longueur de disposition de 12.7 mm (0.5 pouce) de câbles sur la carte peut produire des paramètres parasites d’environ 0.5 pF et 9.3 nH (Figure 8). L’effet des paramètres parasites à ce niveau sur le canal de résonance du récepteur (variation du produit LC) peut entraîner une variation de 315MHz ±2% ou 433.92mhz ±3.5%. En raison de la capacité et de l’inductance supplémentaires causées par l’effet parasite du plomb, le pic de la fréquence d’oscillation de 315MHz atteint 312.17mhz, et le pic de la fréquence d’oscillation de 433.92mhz atteint 426.6mhz.

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. Calculer la fréquence d’oscillation du circuit résonant en utilisant l’équation :

L’évaluation du circuit résonant de la plaque doit inclure les effets parasites du boîtier et de l’agencement, et les paramètres parasites sont respectivement de 7.3PF et 7.5PF lors du calcul de la fréquence de résonance de 315MHz. Notez que le produit LC représente la capacité localisée.

En résumé, les principes suivants doivent être respectés :

Gardez le fil aussi court que possible.

Placez les circuits clés aussi près que possible de l’appareil.

Key components are compensated according to actual layout parasitism.

Traitement de mise à la terre et de remplissage

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. L’égalisation de tous les champs électriques de cette manière produit un bon mécanisme de blindage.

Le courant continu a toujours tendance à circuler le long d’un chemin à faible résistance. De la même manière, le courant à haute fréquence circule préférentiellement par le chemin avec la résistance la plus faible. 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).

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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. Ne mélangez pas le fil de garde avec le fil conçu pour fournir un chemin de retour de courant. Cette disposition peut introduire une diaphonie.

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FIGUE. 10. La conception du système RF doit éviter les fils gainés de cuivre flottants, en particulier si une gaine en cuivre est requise.

The copper-clad area is not grounded (floating) or grounded only at one end, which restricts its effectiveness. 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. En bref, si un morceau de revêtement en cuivre (câblage de signal sans circuit) est posé sur la carte de circuit imprimé pour assurer une épaisseur de placage cohérente. Les zones recouvertes de cuivre doivent être évitées car elles affectent la conception du circuit.

Enfin, veillez à prendre en compte les effets de toute zone au sol à proximité de l’antenne. Toute antenne monopôle aura la région du sol, le câblage et les trous dans le cadre de l’équilibre du système, et un câblage d’équilibre non idéal affectera l’efficacité et la direction du rayonnement de l’antenne (modèle de rayonnement). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Prévoyez autant que possible des zones de mise à la terre continues et à faible résistance.

Les deux extrémités de la ligne de remplissage sont mises à la terre et un réseau de trous traversants est utilisé dans la mesure du possible.

Ne faites pas flotter de fil gainé de cuivre près du circuit RF, ne posez pas de cuivre autour du circuit RF.

Si le circuit imprimé contient plusieurs couches, il est préférable de poser un trou traversant de terre lorsque le câble de signal passe d’un côté à l’autre.

Capacité cristalline excessive

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Par conséquent, certaines directives générales doivent être suivies pour réduire la capacité parasite des broches de cristal, des pastilles, des fils ou des connexions aux appareils RF.

Les principes suivants doivent être suivis:

La connexion entre le cristal et l’appareil RF doit être aussi courte que possible.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Si la capacité parasite du shunt est trop grande, retirez la région de mise à la terre sous le cristal.

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. Therefore, most controlled and high Q inductors are wound type. Deuxièmement, vous pouvez choisir un inducteur en céramique multicouche, les fabricants de condensateurs à puce multicouche fournissent également ce produit. Nevertheless, some designers choose spiral inductors when they have to. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Où, a est le rayon moyen de la bobine, en pouces ; N est le nombre de tours ; C is the width of the coil core (router-rinner), in inches. When the coil c “0.2a 11, the accuracy of the calculation method is within 5%.

Des inducteurs en spirale monocouche de forme carrée, hexagonale ou autre peuvent être utilisés. Very good approximations can be found to model planar inductance on integrated circuit wafers. In order to achieve this goal, the standard Wheeler formula is modified to obtain a plane inductance estimation method suitable for small size and square size 12.

Où, est le taux de remplissage : ; N est le nombre de tours, et dAVG est le diamètre moyen :. Pour les hélices carrées, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Il existe de nombreuses raisons d’éviter d’utiliser ce type d’inductance, ce qui entraîne généralement des valeurs d’inductance réduites en raison des limitations d’espace. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. De plus, les valeurs d’inductance réelles sont difficiles à contrôler pendant la production de PCB, et l’inductance a également tendance à coupler le bruit à d’autres parties du circuit.