Brojni slučajevi primjene industrijskih, znanstvenih i medicinskih radiofrekvencijskih proizvoda (ISM-RF) pokazuju da je tiskana pločica Izgled ovih proizvoda sklon je raznim nedostacima.Ljudi često otkrivaju da će isti IC instaliran na dvije različite ploče, pokazatelji performansi biti značajno različiti. 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. U ovom radu, dielektrik fr-4, dvoslojna PCB debljine 0.0625 inča, na primjer, uzemljenje ploče. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Smjer induktivnosti

Kada su dva induktora (ili čak dvije linije PCB -a) blizu jedan drugom, doći će do međusobne induktivnosti. 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:

Gdje je YB napon pogreške ubrizgan u krug B, IA je struja 1 koja djeluje na krug 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. U tu svrhu, što je moguće okomitije jedno prema drugome, pogledajte raspored krugova ploče za procjenu superheterodinskih prijemnika male snage (EV) (MAX7042EVKIT) (slika 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.

Slika 2. Prikazana su dva različita izgleda PCB -a, od kojih jedan ima elemente postavljene u pogrešnom smjeru (L1 i L3), dok je drugi prikladniji.

To sum up, the following principles should be followed:

Razmak induktiviteta trebao bi biti što je više moguće.

Induktori su postavljeni pod pravim kutom kako bi se smanjili preslušavanje među induktorima.

Vodite spojku

Baš kao što orijentacija prigušnica utječe na magnetsko spajanje, tako i na spojnicu ako su im vodiči preblizu. Ova vrsta problema s rasporedom također proizvodi ono što se naziva međusobno osjećanje. Jedan od najzahtjevnijih problema RF kruga je ožičenje osjetljivih dijelova sustava, kao što su mreža za usklađivanje ulaza, rezonantni kanal prijemnika, mreža za usklađivanje antena odašiljača itd.

Put povratne struje trebao bi biti što bliže glavnom toku struje kako bi se smanjilo magnetsko polje zračenja. This arrangement helps to reduce the current loop area. Idealan put niskog otpora za povratnu struju obično je područje zemlje ispod elektrode – učinkovito ograničavajući prostor petlje na područje gdje se debljina dielektrika pomnoži s duljinom vodiča. Međutim, ako se područje tla podijeli, područje petlje se povećava (slika 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.

Slika 3. Potpuno uzemljenje velike površine pomaže poboljšati performanse sustava

Za stvarni induktor, smjer vodiča također ima značajan utjecaj na sprezanje magnetskog polja. Ako vodiči osjetljivog kruga moraju biti blizu jedan drugome, najbolje je vodove poravnati okomito kako bi se smanjila spojka (slika 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

Glavni problem s rasporedom RF krugova obično je suboptimalna karakteristična impedancija kruga, uključujući komponente kruga i njihove međusobne veze. Olovo s tankim bakrenim premazom ekvivalentno je indukcijskoj žici i tvori raspodijeljeni kapacitet s ostalim vodovima u blizini. Olovo također pokazuje svojstva induktivnosti i kapacitivnosti dok prolazi kroz rupu.

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. Učinak parazitskog kapacitivnosti općenito je mali i obično uzrokuje samo promjenu rubova u brzim digitalnim signalima (o čemu se u ovom radu ne raspravlja).

Najveći učinak prolazne rupe je parazitska induktivnost uzrokovana odgovarajućim načinom međusobnog povezivanja. 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 je promjer rupe u inčima 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. Idealni zaobilazni kondenzatori osiguravaju visokofrekventne kratke spojeve između opskrbne zone i formacije, ali neidealni prolazni otvori mogu utjecati na put niske osjetljivosti između formacije i opskrbne zone. 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.

Drugi problemi nastaju ako osjetljivi krugovi dijele rupe, kao što su dva kraka mreže tipa π. Na primjer, postavljanjem idealne rupe ekvivalentne paušalnoj induktivnosti, ekvivalentna shema se dosta razlikuje od izvornog dizajna kruga (slika 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

Slika 6. Idealna nasuprot idealnoj arhitekturi, u krugu postoje potencijalni “signalni putevi”.

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.

Duljina olova

Maxim ISM-RF podaci o proizvodima često preporučuju korištenje najkraćih mogućih visokofrekventnih ulaznih i izlaznih kabela kako bi se smanjili gubici i zračenje. S druge strane, takvi su gubici obično uzrokovani neidealnim parazitskim parametrima, pa i parazitska induktivnost i kapacitet utječu na raspored kruga, a korištenje najkraćeg mogućeg olova pomaže u smanjenju parazitskih parametara. 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. Za LAN/ mješalni krug s indukcijom od 20 nH i kondenzatorom od 3 pF, efektivna vrijednost komponente bit će uvelike utjecana ako su krug i raspored komponenti vrlo kompaktni.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Ovaj je dokument 2003. zamijenjen IPC-2251 5, koji pruža točniju metodu izračuna za različite PCB vodiče. 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:

U formuli, εr je dielektrična konstanta dielektrika, h je visina olova iz sloja, W je širina olova, a T je debljina olova (slika 7). Kada je w/h između 0.1 i 2.0, a εr između 1 i 15, rezultati izračuna ove formule su prilično točni.

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. U ovom primjeru raspravljamo o zalutalom kapacitetu i induktivnosti. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Slično, karakteristična induktivnost može se izračunati iz jednadžbe pomoću gornje jednadžbe:

Na primjer, pretpostavimo da je debljina PCB -a 0.0625 inča. (h = 62.5 mil), olovo bakreno presvučeno 1 uncom (t = 1.35 mil), 0.01 inča (w = 10 mil) i ploču FR-4. Imajte na umu da je ε R FR-4 tipično 4.35 farad/m (F/m), ali može se kretati od 4.0F/m do 4.7F/m. Vlastite vrijednosti izračunate u ovom primjeru su Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Za AN ISM-RF dizajn, duljina kabela od 12.7 mm (0.5 inča) na ploči može proizvesti parazitske parametre od približno 0.5 pF i 9.3 nH (slika 8). Učinak parazitskih parametara na ovoj razini na rezonantni kanal prijemnika (varijacija LC proizvoda) može rezultirati varijacijom od 315MHz ± 2% ili 433.92mhz ± 3.5%. Zbog dodatnog kapaciteta i induktivnosti uzrokovanog parazitskim učinkom olova, vrhunac frekvencije titranja od 315 MHz doseže 312.17 mhz, a vrhunac oscilacije od 433.92 mhz doseže 426.6 mhz.

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. Izračunajte frekvenciju titranja rezonantnog kruga pomoću jednadžbe:

Procjena rezonantnog kruga ploče trebala bi uključivati ​​parazitske učinke pakiranja i izgleda, a parazitski parametri su 7.3PF odnosno 7.5PF pri izračunavanju rezonantne frekvencije 315MHz. Imajte na umu da LC proizvod predstavlja kumulativni kapacitet.

Ukratko, potrebno je slijediti sljedeća načela:

Neka vodstvo bude što kraće.

Krugove ključeva postavite što je moguće bliže uređaju.

Key components are compensated according to actual layout parasitism.

Obrada uzemljenja i punjenja

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Izjednačavanje svih električnih polja na ovaj način proizvodi dobar zaštitni mehanizam.

Istosmjerna struja uvijek teče duž puta s malim otporom. Na isti način, visokofrekventna struja prvenstveno teče putem s najmanjim otporom. 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).

How to avoid various defects in PCB layout of printed boards

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. Nemojte miješati zaštitnu žicu s kabelom koji je osmišljen tako da osigura put povratne struje. Ovaj aranžman može uvesti preslušavanje.

How to avoid various defects in PCB layout of printed boards

Sl. 10. Dizajn RF sustava trebao bi izbjegavati plutajuće žice obložene bakrom, osobito ako je potrebno bakreno oblaganje.

Područje obloženo bakrom nije uzemljeno (plutajući) ili uzemljeno samo na jednom kraju, što ograničava njegovu učinkovitost. 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. Ukratko, ako se na ploču položi komad bakrene obloge (signalno ožičenje bez strujnog kruga) kako bi se osigurala konzistentna debljina oplate. Treba izbjegavati područja prekrivena bakrom jer utječu na dizajn strujnog kruga.

Na kraju, svakako uzmite u obzir učinke bilo kojeg područja u blizini antene. Svaka monopolna antena imat će područje zemlje, ožičenje i rupe kao dio ravnoteže sustava, a neidealno ravnotežno ožičenje utjecat će na učinkovitost zračenja i smjer antene (predložak zračenja). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Omogućite što je moguće duže zone uzemljenja s malim otporom.

Oba kraja linije za punjenje su uzemljena, a niz prolaznih rupa se koristi što je više moguće.

Nemojte lebdjeti bakrenom žicom u blizini RF kruga, nemojte postavljati bakar oko RF kruga.

Ako ploča sadrži više slojeva, najbolje je postaviti uzemljenje kroz rupu kada signalni kabel pređe s jedne strane na drugu.

Prekomjerni kapacitet kristala

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Stoga se trebaju slijediti neke opće smjernice za smanjenje zalutalog kapaciteta kristalnih pinova, jastučića, žica ili spojeva na RF uređaje.

Treba se pridržavati sljedećih načela:

Veza između kristala i RF uređaja trebala bi biti što kraća.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Ako je parazitski kapacitet šanta prevelik, uklonite područje uzemljenja ispod kristala.

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. Drugo, možete odabrati višeslojni keramički induktor, proizvođači višeslojnih čipskih kondenzatora također pružaju ovaj proizvod. Nevertheless, some designers choose spiral inductors when they have to. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Gdje je, a prosječni polumjer zavojnice, u inčima; N je broj zavoja; 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%.

Mogu se koristiti jednoslojni spiralni induktori četvrtastog, šesterokutnog ili drugog oblika. Very good approximations can be found to model planar inductance on integrated circuit wafers. Kako bi se postigao ovaj cilj, standardna Wheelerova formula modificirana je kako bi se dobila metoda procjene ravne induktivnosti pogodna za male veličine i kvadratne veličine 12.

Gdje je, ρ omjer punjenja :; N je broj zavoja, a dAVG je prosječni promjer :. Za kvadratne spirale, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Postoji mnogo razloga da se izbjegne uporaba ove vrste induktora, koji obično rezultiraju smanjenjem vrijednosti induktiviteta zbog ograničenja prostora. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Osim toga, stvarne vrijednosti induktiviteta teško je kontrolirati tijekom proizvodnje PCB -a, a induktivitet također nastoji spojiti šum na druge dijelove kruga.