Az ipari, tudományos és orvosi rádiófrekvenciás (ISM-RF) termékek számos alkalmazási esete azt mutatja, hogy a nyomtatott áramkör Ezen termékek elrendezése hajlamos különféle hibákra.Az emberek gyakran tapasztalják, hogy ugyanaz az IC két különböző áramköri lapra van felszerelve, a teljesítménymutatók jelentősen eltérnek. 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. Ebben a cikkben például az fr-4 dielektromos, 0.0625 hüvelyk vastagságú kettős rétegű NYÁK-ot, az áramköri lap földelését. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Induktivitás iránya

Ha két induktivitás (vagy akár két PCB vonal) közel van egymáshoz, kölcsönös induktivitás lép fel. 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:

Ahol YB a B áramkörbe fecskendezett hibafeszültség, IA az A áramkörre ható 1 áram. Az LM nagyon érzékeny az áramkörtávolságra, az induktivitási hurok területére (azaz a mágneses fluxusra) és a hurok irányára. 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. Ebből a célból, lehetőleg merőleges egymásra, nézze meg az alacsony teljesítményű FSK szuperheterodin vevőegység -értékelési (EV) kártya (MAX7042EVKIT) áramköri elrendezését (2. ábra). 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.

2. ábra Két különböző NYÁK -elrendezés látható, az egyikben az elemek rossz irányba vannak elrendezve (L1 és L3), míg a másik alkalmasabb.

Összefoglalva, a következő elveket kell követni:

Az induktivitás -távolságnak a lehető legnagyobbnak kell lennie.

Az induktorok derékszögben vannak elrendezve, hogy minimálisra csökkentsék az induktivitások közötti áthallást.

Vezesse a csatolást

Ahogy az induktivitások tájolása befolyásolja a mágneses csatolást, úgy a tengelykapcsoló is, ha a vezetékek túl közel vannak egymáshoz. Ez a fajta elrendezési probléma az úgynevezett kölcsönös érzést is produkálja. Az RF áramkör egyik leginkább aggasztó problémája a rendszer érzékeny részeinek bekötése, mint például a bemeneti illesztő hálózat, a vevő rezonancia csatornája, az adó antennaillesztő hálózata stb.

A visszatérő áramútnak a lehető legközelebb kell lennie a főáramúthoz, hogy minimálisra csökkentse a mágneses sugárzást. This arrangement helps to reduce the current loop area. A visszatérő áram ideális kis ellenállási útvonala általában a vezeték alatti talajrégió – hatékonyan korlátozza a hurokterületet egy olyan területre, ahol a dielektrikum vastagságát megszorozzák a vezeték hosszával. Ha azonban a talajrégió fel van osztva, a hurok területe növekszik (3. ábra). 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.

3. ábra A teljes nagy területű földelés segít javítani a rendszer teljesítményét

Egy tényleges induktor esetében az ólomirány jelentős hatással van a mágneses mező csatolására is. Ha az érzékeny áramkör vezetékeinek közel kell lenniük egymáshoz, akkor a legjobb, ha a vezetékeket függőlegesen igazítjuk a csatolás csökkentése érdekében (4. ábra). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. A védőhuzal kialakításával kapcsolatban olvassa el az alábbi földelési és töltési kezelési részt.

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

Az RF áramkör elrendezésének fő problémája általában az áramkör szuboptimális jellegzetes impedanciája, beleértve az áramkör elemeit és azok összekapcsolásait. A vékony rézbevonattal ellátott vezeték egyenértékű az induktivitású vezetékkel, és elosztott kapacitást képez a közelben lévő többi vezetékkel. Az ólom indukciós és kapacitási tulajdonságokkal is rendelkezik, amint áthalad a lyukon.

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. A parazita kapacitás hatása általában kicsi, és általában csak a nagysebességű digitális jelek élváltozását okozza (amit ebben a cikkben nem tárgyalunk).

Az átmenő lyuk legnagyobb hatása a parazitainduktivitás, amelyet a megfelelő összekapcsolási mód okoz. 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 a lyuk átmérője, 2 hüvelykben.

Hogyan lehet elkerülni a nyomtatott táblák NYÁK -elrendezésének különböző hibáit?

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. Az ideális bypass kondenzátorok nagyfrekvenciás rövidzárlatot biztosítanak az ellátási zóna és a formáció között, de a nem ideális átmenő lyukak befolyásolhatják a formáció és az ellátó zóna közötti alacsony érzékenységű utat. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Tekintettel az ISM-RF termék sajátos működési frekvenciájára, az átmenő lyukak hátrányosan befolyásolhatják az érzékeny áramköröket, például a rezonáns csatornaáramköröket, a szűrőket és a megfelelő hálózatokat.

Más problémák merülnek fel, ha az érzékeny áramkörök lyukakat osztanak, például egy π típusú hálózat két karját. Például egy csomós induktivitással egyenértékű ideális lyuk elhelyezésével az egyenértékű vázlat egészen más, mint az eredeti áramköri kialakítás (6. ÁBRA). As with crosstalk of common current path 3, resulting in increased mutual inductance, increased crosstalk and feed-through.

How to avoid PCB design problems

6. ábra Ideális és nem ideális architektúrák, potenciális „jelutak” vannak az áramkörben.

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.

Az ólom hossza

A Maxim ISM-RF termékadatok gyakran azt javasolják, hogy a lehető legrövidebb nagyfrekvenciás bemeneti és kimeneti vezetékeket használják a veszteségek és a sugárzás minimalizálása érdekében. Másrészt az ilyen veszteségeket általában nem ideális parazita paraméterek okozzák, így mind a parazita induktivitás, mind a kapacitás befolyásolja az áramkör elrendezését, és a lehető legrövidebb vezeték használata segít csökkenteni a parazita paramétereket. 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. 20nH induktorral és 3pF kondenzátorral rendelkező LAN/ keverő áramkör esetén a tényleges komponensértéket nagymértékben befolyásolja, ha az áramkör és a komponens elrendezés nagyon kompakt.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Ezt a dokumentumot 2003-ban felváltotta az IPC-2251 5, amely pontosabb számítási módszert biztosít a különböző NYÁK-vezetékekhez. 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:

A képletben εr a dielektrikum dielektromos állandója, h az ólom magassága a rétegtől, W az ólomszélesség és T az ólomvastagság (7. ábra). Ha w/h 0.1 és 2.0 között, εr pedig 1 és 15 között van, akkor ennek a képletnek a számítási eredményei meglehetősen pontosak.

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. Ebben a példában a kóbor kapacitást és az induktivitást tárgyaljuk. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Hasonlóképpen, a jellemző induktivitás kiszámítható az egyenletből a fenti egyenlet használatával:

Tegyük fel például, hogy a NYÁK vastagsága 0.0625 hüvelyk. (h = 62.5 mil), 1 uncia rézbevonatú ólom (t = 1.35 mil), 0.01 hüvelyk (w = 10 mil) és egy FR-4 tábla. Megjegyezzük, hogy az FR-4 ε R jellemzően 4.35 farad/m (F/m), de 4.0 F/m és 4.7 F/m között lehet. A példában számított sajátértékek: Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

AN ISM-RF kialakítás esetén a tábla 12.7 mm (0.5 hüvelyk) elrendezésű hossza körülbelül 0.5 pF és 9.3 nH parazita paramétereket eredményezhet (8. ábra). Az ilyen szintű parazita paraméterek hatása a vevő rezonancia csatornájára (LC termék variációja) 315 MHz ± 2% vagy 433.92 MHz ± 3.5% eltérést eredményezhet. Az ólom parazita hatása által okozott további kapacitás és induktivitás miatt a 315 MHz -es oszcillációs frekvencia csúcsa eléri a 312.17 mhz -t, a 433.92 mhz rezgési frekvencia csúcsa pedig a 426.6 mhz -t.

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. Számítsa ki a rezonancia áramkör oszcillációs frekvenciáját az alábbi egyenlet segítségével:

A lemez rezonancia áramkörének kiértékelésének tartalmaznia kell a csomag és az elrendezés parazita hatásait, a parazita paraméterek pedig 7.3PF és 7.5PF a 315MHz rezonanciafrekvencia kiszámításakor. Megjegyezzük, hogy az LC termék csomós kapacitást jelent.

Összefoglalva, a következő elveket kell követni:

Tartsa a vezetéket a lehető legrövidebb ideig.

A kulcsköröket a lehető legközelebb helyezze a készülékhez.

A kulcskomponenseket a tényleges elrendezési parazitizmus szerint kompenzálják.

Földelés és töltés kezelés

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Az összes elektromos mező kiegyenlítése így jó árnyékoló mechanizmust eredményez.

Az egyenáram mindig alacsony ellenállású pályán hajlamos. Ugyanígy a nagyfrekvenciás áram előnyösen a legalacsonyabb ellenállású úton halad át. 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).

Hogyan lehet elkerülni a nyomtatott táblák NYÁK -elrendezésének különböző hibáit?

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 keverje össze a védőhuzalt a vezetékkel, amelyet úgy terveztek, hogy visszatérő áramot biztosítson. Ez az elrendezés áthallást vezethet be.

Hogyan lehet elkerülni a nyomtatott táblák NYÁK -elrendezésének különböző hibáit?

ÁBRA. 10. Az RF rendszer kialakításának kerülnie kell a rézbe burkolt huzalok lebegését, különösen akkor, ha rézburkolatra van szükség.

A rézbevonatú terület nincs földelve (lebeg), vagy csak az egyik végén földel, ami korlátozza annak hatékonyságát. 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. Röviden, ha egy darab rézburkolatot (nem áramköri jelvezetéket) helyeznek az áramköri lapra, hogy biztosítsák az egyenletes bevonatvastagságot. A rézzel burkolt területeket kerülni kell, mivel ezek befolyásolják az áramkör kialakítását.

Végül mindenképpen vegye figyelembe az antenna közelében lévő bármely földterület hatását. Bármely monopólus antenna a rendszer egyensúlyának része lesz a földterület, a vezetékek és a lyukak, és a nem ideális egyensúlyi vezetékek befolyásolják az antenna sugárzási hatékonyságát és irányát (sugárzási sablon). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Összefoglalva, a következő elveket kell követni:

Biztosítson folyamatos és alacsony ellenállású földelési zónákat, amennyire csak lehetséges.

A töltővezeték mindkét vége földelt, és amennyire csak lehetséges, átmenő lyukú tömböt használnak.

Ne úsztasson rézbevonatú huzalt az RF áramkör közelében, ne fektessen rezet az RF áramkör köré.

Ha az áramköri lap több réteget tartalmaz, akkor a legjobb, ha földelést készítünk a lyukon, amikor a jelkábel egyik oldalról a másikra halad.

Túlzott kristálykapacitás

A parazita kapacitás miatt a kristályfrekvencia eltér a célértéktől 9. Ezért bizonyos általános irányelveket kell követni a kristálycsapok, párnák, vezetékek vagy RF -eszközökhöz való csatlakozások kóbor kapacitásának csökkentése érdekében.

A következő elveket kell követni:

A kristály és az RF eszköz közötti kapcsolatnak a lehető legrövidebbnek kell lennie.

A vezetékeket lehetőleg tartsa egymástól.

Ha a sönt parazita kapacitása túl nagy, távolítsa el a kristály alatti földelő részt.

Sík vezetékek induktivitása

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. Ezért a legtöbb szabályozott és magas Q induktivitású seb típus. Másodszor, többrétegű kerámia induktor közül választhat, a többrétegű chipes kondenzátorgyártók szintén ezt a terméket kínálják. Ennek ellenére egyes tervezők szükség esetén spirálinduktorokat választanak. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Ahol a a tekercs átlagos sugara, hüvelykben; N a fordulatok száma; C a tekercsmag szélessége (router-rinner), hüvelykben. Amikor a c „0.2a 11 tekercs, a számítási módszer pontossága 5%-on belül van.

Négyszögletű, hatszögletű vagy más alakú egyrétegű spirálinduktorok használhatók. Nagyon jó közelítések találhatók a sík induktivitás modellezésére integrált áramkörű ostyákon. E cél elérése érdekében a szabványos Wheeler -formulát módosítják, hogy kis méretű és négyzetméretű 12 síkinduktivitás -becslési módszert kapjanak.

Ahol ρ a töltési arány :; N a fordulatok száma, a dAVG pedig az átlagos átmérő :. Négyzetes csavarok esetén K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Sok oka van annak, hogy kerüljük az ilyen típusú induktivitást, ami általában a térbeli korlátok miatt csökkent induktivitási értékeket eredményez. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Ezenkívül a tényleges induktivitási értékeket nehéz szabályozni a NYÁK -gyártás során, és az induktivitás hajlamos a zajok összekapcsolására az áramkör más részeivel.