Tal fan tapassingsgefallen fan yndustriële, wittenskiplike en medyske radiofrekwinsje (ISM-RF) produkten litte sjen dat de printplaat yndieling fan dizze produkten is gefoelich foar ferskate defekten.Minsken fine faaks dat deselde IC ynstalleare op twa ferskate printplaten, prestaasjesindikatoaren signifikant oars sille wêze. 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. Yn dit papier, fr-4 dielektrike, 0.0625in dikte dûbele laach PCB as foarbyld, it circuit board ierde. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Ynduktaasjerjochting

As twa induktors (of sels twa PCB -rigels) ticht by elkoar binne, sil ûnderlinge induktânsje foarkomme. 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:

Wêr, YB de flaterspanning is ynjeksje yn circuit B, IA is de hjoeddeistige 1 dy’t wurket op 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. Foar dit doel, sa loodrecht mooglik op elkoar, ferwize jo dan nei de kringslay -out fan it boerd mei lege macht FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) (MAX7042EVKIT) (figuer 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.

Figuer 2. Twa ferskillende PCB -yndielingen wurde werjûn, wêrfan ien de eleminten yn ‘e ferkearde rjochting hat pleatst (L1 en L3), wylst de oare geskikter is.

Om gear te fetsjen moatte de folgjende prinsipes folge wurde:

De ôfstân fan ‘e induktânsje moat sa fier mooglik wêze.

Ynduktors wurde yn rjochthoeken arranzjeare om oerspraak tusken induktors minimaal te meitsjen.

Lead de koppeling

Krekt sa’t de oriïntaasje fan induktors magnetyske koppeling beynfloedet, sa is de koppeling ek as de leads te ticht by elkoar binne. Dit soarte opmaakprobleem produseart ek wat wjerskanten sensaasje hjit. Ien fan ‘e meast soargen problemen fan RF -sirkwy is de bedrading fan gefoelige dielen fan it systeem, lykas it ynput oerienkommende netwurk, resonant kanaal fan’ e ûntfanger, antenne oerienkommende netwurk fan ‘e stjoerder, ensfh.

It retoerstrompaad moat sa ticht mooglik by it haadstreampaad wêze om it magnetyske fjild fan straling te minimalisearjen. This arrangement helps to reduce the current loop area. It ideale paad mei lege wjerstân foar de weromstream is normaal de grûngebiet ûnder de lead – effektyf it lusgebiet beheine ta in regio wêr’t de dikte fan it dielektrike wurdt fermannichfâldige mei de lingte fan ‘e lead. As it grûngebiet lykwols wurdt splitst, nimt it lusgebiet ta (ôfbylding 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.

Figuer 3. Folsleine grûngebiet grûnjen helpt by it ferbetterjen fan systeemprestaasjes

Foar in werklike induktor hat leadrjochting ek in signifikant effekt op magnetyske fjildkoppeling. As de liedingen fan in gefoelige sirkwy ticht by elkoar moatte wêze, is it it bêste om de leads fertikaal út te lizzen om de koppeling te ferminderjen (ôfbylding 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Foar ûntwerpdraadûntwerp ferwize jo nei de seksje grûnen en foljen fan behanneling hjirûnder.

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

It haadprobleem mei yndieling fan RF -sirkwy is meastal de suboptimale karakteristike impedânsje fan it circuit, ynklusyf de circuitkomponinten en har ûnderlinge ferbiningen. De lead mei in tinne kopercoating is lykweardich oan de induktantiedraad en foarmet in ferdielde kapasiteit mei oare leads yn ‘e buert. De lead toant ek induktânsje- en kapasiteitseigenskippen as it troch it gat giet.

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. It effekt fan parasitêre kapasiteit is oer it algemien lyts en feroarsaket gewoanlik rânefariaasje yn hege snelheid digitale sinjalen (dat wurdt net besprutsen yn dit papier).

It grutste effekt fan it trochgeande gat is de parasytyske induktânsje feroarsake troch de oerienkommende modus foar ferbining. 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 is de diameter fan it trochhul, yn inch 2.

Hoe kinne jo ferskate defekten foarkomme yn PCB -yndieling fan printe platen

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. Ideale bypass-kondensatoren leverje hege frekwinsjes koartslutingen tusken de oanbiedingssône en de formaasje, mar net-ideale trochgaten kinne ynfloed hawwe op it paad mei lege gefoelichheid tusken de formaasje en de oanbiedingssône. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Sjoen de spesifike bestjoeringsfrekwinsje fan it ISM-RF-produkt, kinne de trochgeande gatten gefoelige sirkels negatyf beynfloedzje lykas resonante kanaalsirkwyten, filters en oerienkommende netwurken.

Oare problemen ûntsteane as gefoelige sirkels gatten diele, lykas de twa earmen fan in π -type netwurk. Bygelyks, troch it pleatsen fan in ideaal gat lykweardich oan klonte induktânsje, is it lykweardige skema frijwat oars dan it orizjinele sirkwy -ûntwerp (FIG. 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

Figuer 6. Ideaal tsjin net-ideale arsjitektueren, d’r binne potensjele “sinjaalpaden” yn ‘e sirkel.

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.

De lingte fan ‘e lead

Maxim ISM-RF-produktgegevens advisearje faaks it brûken fan de koartst mooglike ynfier- en útfierfrekwinsjes mei hege frekwinsje om ferliezen en straling te minimalisearjen. Oan ‘e oare kant wurde sokke ferliezen meastentiids feroarsake troch net-ideale parasitêre parameters, sadat sawol parasitêre induktânsje as kapasitânsje ynfloed hawwe op’ e skema-opmaak, en it brûken fan de koartste mooglike lead helpt om de parasitêre parameters te ferminderjen. 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. Foar in LAN/ mixer -circuit mei in 20nH induktor en in 3pF -kondensator, sil de effektive komponintwearde sterk beynfloede wurde as it circuit en komponintopstelling heul kompakt binne.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Dit dokumint waard yn 2003 ferfongen troch IPC-2251 5, dy’t in krektere berekkeningsmetoade leveret foar ferskate PCB-leads. 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:

Yn ‘e formule is εr de dielektrike konstante fan’ e dielektrike, h is de hichte fan ‘e lead fan’ e stratum, W is de leadbreedte, en T is de leaddikte (ôfb. 7). As w/h tusken 0.1 en 2.0 is en εr tusken 1 en 15 is, binne de berekkeningsresultaten fan dizze formule frij presys.

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. Yn dit foarbyld besprekke wy ferdwaalde kapasitânsje en induktânsje. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Op deselde manier kin de karakteristike induktânsje wurde berekkene út ‘e fergeliking troch de boppesteande fergeliking te brûken:

Oannimme bygelyks in PCB -dikte fan 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 oun koper-coated lead (t = 1.35 mil), 0.01 yn. (w = 10 mil), en in FR-4 boerd. Tink derom dat de ε R fan FR-4 typysk 4.35 farad/m (F/m) is, mar kin fariearje fan 4.0F/m oant 4.7F/m. De eigenwearden berekkene yn dit foarbyld binne Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Foar AN ISM-RF-ûntwerp kin in 12.7mm (0.5in) layoutlengte fan leads op it boerd parasitêre parameters produsearje fan sawat 0.5pF en 9.3nH (ôfbylding 8). It effekt fan parasitêre parameters op dit nivo op it resonante kanaal fan ‘e ûntfanger (fariaasje fan LC -produkt) kin resultearje yn 315MHz ± 2% of 433.92mhz ± 3.5% fariaasje. Fanwegen de ekstra kapasitânsje en induktânsje feroarsake troch it parasitêre effekt fan ‘e lead, berikt de piek fan’ e 315MHz -oscillaasjefrekwinsje 312.17mhz, en de peak fan ‘e 433.92mhz oscillaasjefrekwinsje berikt 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. Berekkenje de oscillaasjefrekwinsje fan resonante sirkwy mei de fergeliking:

De evaluaasje fan it resonansirkwy fan ‘e plaat moat de parasitêre effekten fan it pakket en de yndieling omfetsje, en de parasitêre parameters binne respektivelik 7.3PF en 7.5PF by it berekkenjen fan de 315MHz resonânsjefrekwinsje. Tink derom dat it LC -produkt klompe kapasiteit fertsjintwurdiget.

Om gear te fetsjen moatte de folgjende prinsipes folge wurde:

Hâld de lead sa koart mooglik.

Plak kaaisirkels sa ticht mooglik by it apparaat.

Wichtige ûnderdielen wurde kompenseare neffens werklike layoutparasitisme.

Aarding en vulling behanneling

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Op dizze manier alle elektryske fjilden lykmeitsje produseart in goed ôfskermingsmeganisme.

Direkte stream hat altyd de neiging om te streamjen lâns in paad mei lege wjerstân. Op deselde wize streamt heechfrekwinsjestream by foarkar troch it paad mei de leechste wjerstân. 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).

Hoe kinne jo ferskate defekten foarkomme yn PCB -yndieling fan printe platen

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. Ming de beskermdraad net mei de lead dy’t is ûntworpen om in weromstreampaad te leverjen. Dizze regeling kin crosstalk yntrodusearje.

Hoe kinne jo ferskate defekten foarkomme yn PCB -yndieling fan printe platen

FIG. 10. It ûntwerp fan it RF -systeem moat driuwende koperen beklaaide draden foarkomme, foaral as kopermantel fereaske is.

It koperbeklaaide gebiet is net ierdich (driuwend) of iensum oan ien ein, dat syn effektiviteit beheint. 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. Koartsein, as in stikje koperbeklaaiïng (net-circuit sinjaalbedrading) op it circuit board wurdt lein om te soargjen foar in konsistinte platingdikte. Koperbeklaaide gebieten moatte wurde mijd, om’t se ynfloed hawwe op it circuitûntwerp.

As lêste, wês wis de effekten fan elk grûngebiet by de antenne te beskôgjen. Elke monopoalantenne sil de grûngebiet, bedrading en gatten hawwe as diel fan it systeem lykwicht, en net-ideale lykwichtbedrading sil ynfloed hawwe op de stralingseffektiviteit en rjochting fan ‘e antenne (stralingsjabloan). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Om gear te fetsjen moatte de folgjende prinsipes folge wurde:

Biede sa fier mooglik trochgeande en leechresistente grûnsônes.

Beide einen fan ‘e follingline binne grûn, en in troch-gat-array wurdt sa fier mooglik brûkt.

Driuw gjin koper beklaaide tried by RF -sirkwy, lis gjin koper om RF -sirkwy.

As it circuitboard meardere lagen befettet, is it it bêste om in grûn troch gat te lizzen as de sinjaalkabel fan de iene kant nei de oare giet.

Oermjittige kristalkapasiteit

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Dêrom soene guon algemiene rjochtlinen moatte wurde folge om fermindere kapasiteit fan kristalpinnen, pads, draden, as ferbiningen mei RF -apparaten te ferminderjen.

De folgjende prinsipes moatte wurde folge:

De ferbining tusken it kristal en RF -apparaat moat sa koart mooglik wêze.

Hâld de bedrading sa fier mooglik fan elkoar.

As de shuntparasitêre kapasiteit te grut is, ferwiderje de grûnregio ûnder it kristal.

Planar wiring induktânsje

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. Dêrom binne de measte kontroleare en hege Q -induktors wondtype. As twadde kinne jo kieze foar mearlaach keramyske induktor, fabrikanten fan mearlaach chipkondensators leverje dit produkt ek. Dochs kieze guon ûntwerpers spiraalinduktors as se moatte. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Wêr, a is de gemiddelde radius fan ‘e spoel, yn inch; N is it oantal bochten; C is de breedte fan ‘e spoelkern (router-rinner), yn inch. As de spoel c “0.2a 11, is de krektens fan ‘e berekkeningsmetoade binnen 5%.

Spiraalinduktors mei ien laach fan fjouwerkante, hexagonale, as oare foarmen kinne wurde brûkt. Hiel goede approximaasjes kinne wurde fûn om flakke induktânsje te modeljen op wafers fan yntegreare sirkwy. Om dit doel te berikken, wurdt de standert Wheeler -formule oanpast foar it krijen fan in metoade foar skatting fan fleantúchinduktânsje geskikt foar lytse grutte en fjouwerkante grutte 12.

Wêr, ρ de follingsferhâlding is :; N is it oantal bochten, en dAVG is de gemiddelde diameter :. Foar fjouwerkante helices, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

D’r binne in protte redenen om dit type induktor te foarkommen, wat normaal resulteart yn fermindere induktânswearden fanwegen romtebeperkingen. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Derneist binne werklike induktanswearden lestich te kontrolearjen tidens PCB -produksje, en induktânsje hat ek de neiging om lûd te koppeljen oan oare dielen fan it circuit.