Banyak kasus aplikasi produk frekuensi radio industri, ilmiah, dan medis (ISM-RF) menunjukkan bahwa: printed circuit board tata letak produk ini rentan terhadap berbagai cacat.Orang sering menemukan bahwa IC yang sama dipasang pada dua papan sirkuit yang berbeda, indikator kinerja akan sangat berbeda. 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. Dalam makalah ini, dielektrik fr-4, PCB lapisan ganda ketebalan 0.0625in sebagai contoh, pentanahan papan sirkuit. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

arah induktansi

Ketika dua induktor (atau bahkan dua jalur PCB) saling berdekatan, induktansi timbal balik akan terjadi. 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:

Dimana, YB adalah tegangan error yang diinjeksikan ke rangkaian B, IA adalah arus 1 yang bekerja pada rangkaian 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. Untuk tujuan ini, tegak lurus mungkin satu sama lain, silakan lihat tata letak sirkuit papan FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) berdaya rendah (MAX7042EVKIT) (Gambar 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.

Gambar 2. Dua layout PCB yang berbeda ditampilkan, salah satunya memiliki elemen yang diatur ke arah yang salah (L1 dan L3), sedangkan yang lain lebih cocok.

To sum up, the following principles should be followed:

Jarak induktansi harus sejauh mungkin.

Induktor diatur pada sudut kanan untuk meminimalkan crosstalk antara induktor.

Pimpin kopling

Sama seperti orientasi induktor yang mempengaruhi kopling magnetik, begitu juga kopling jika kabelnya terlalu dekat satu sama lain. Masalah tata letak semacam ini juga menghasilkan apa yang disebut sensasi bersama. Salah satu masalah yang paling diperhatikan dari rangkaian RF adalah pengkabelan bagian sensitif dari sistem, seperti jaringan pencocokan input, saluran resonansi penerima, jaringan pencocokan antena pemancar, dll.

Jalur arus balik harus sedekat mungkin dengan jalur arus utama untuk meminimalkan medan magnet radiasi. This arrangement helps to reduce the current loop area. Jalur resistansi rendah yang ideal untuk arus balik biasanya adalah daerah ground di bawah lead — secara efektif membatasi area loop ke daerah di mana ketebalan dielektrik dikalikan dengan panjang lead. Namun, jika wilayah tanah terbelah, area loop meningkat (Gambar 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.

Gambar 3. Pengardean area luas yang lengkap membantu meningkatkan kinerja sistem

Untuk induktor yang sebenarnya, arah timah juga memiliki efek signifikan pada kopling medan magnet. Jika sadapan dari rangkaian sensitif harus berdekatan satu sama lain, yang terbaik adalah menyelaraskan sadapan secara vertikal untuk mengurangi kopling (Gambar 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

Masalah utama dengan tata letak rangkaian RF biasanya adalah impedansi karakteristik suboptimal dari rangkaian, termasuk komponen rangkaian dan interkoneksinya. Timbal dengan lapisan tembaga tipis setara dengan kawat induktansi dan membentuk kapasitansi terdistribusi dengan kabel lain di sekitarnya. Timbal juga menunjukkan sifat induktansi dan kapasitansi saat melewati lubang.

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. Pengaruh kapasitansi parasit umumnya kecil dan biasanya hanya menyebabkan variasi tepi dalam sinyal digital berkecepatan tinggi (yang tidak dibahas dalam makalah ini).

Efek terbesar dari lubang tembus adalah induktansi parasit yang disebabkan oleh mode interkoneksi yang sesuai. 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 adalah diameter lubang, dalam inci 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. Kapasitor bypass yang ideal menyediakan hubung singkat frekuensi tinggi antara zona suplai dan formasi, tetapi lubang tembus yang tidak ideal dapat mempengaruhi jalur sensitivitas rendah antara formasi dan zona suplai. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Mengingat frekuensi operasi spesifik produk ISM-RF, lubang tembus dapat mempengaruhi sirkuit sensitif seperti sirkuit saluran resonansi, filter, dan jaringan pencocokan.

Masalah lain muncul jika sirkuit sensitif berbagi lubang, seperti dua lengan jaringan tipe . Misalnya, dengan menempatkan lubang ideal yang ekivalen dengan induktansi lumped, skema ekivalen sangat berbeda dari desain rangkaian aslinya (Gbr. 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

Gambar 6. Arsitektur ideal vs. non-ideal, ada potensi “jalur sinyal” di sirkuit.

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.

Panjang timah

Data produk Maxim ISM-RF sering merekomendasikan penggunaan input dan output frekuensi tinggi sesingkat mungkin untuk meminimalkan kerugian dan radiasi. Di sisi lain, kerugian seperti itu biasanya disebabkan oleh parameter parasit yang tidak ideal, sehingga induktansi dan kapasitansi parasit mempengaruhi tata letak sirkuit, dan menggunakan timah sesingkat mungkin membantu mengurangi parameter parasit. 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. Untuk rangkaian LAN/mixer dengan induktor 20nH dan kapasitor 3pF, nilai komponen efektif akan sangat terpengaruh bila rangkaian dan tata letak komponen sangat kompak.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Dokumen ini diganti pada tahun 2003 oleh IPC-2251 5, yang menyediakan metode perhitungan yang lebih akurat untuk berbagai lead PCB. 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:

Dalam rumus, r adalah konstanta dielektrik dielektrik, h adalah tinggi timah dari lapisan, W adalah lebar timah, dan T adalah tebal timah (Gbr. 7). Ketika w/h antara 0.1 dan 2.0 dan r antara 1 dan 15, hasil perhitungan rumus ini cukup akurat.

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. Dalam contoh ini, kita membahas kapasitansi dan induktansi nyasar. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Demikian pula, induktansi karakteristik dapat dihitung dari persamaan dengan menggunakan persamaan di atas:

Misalnya, asumsikan ketebalan PCB 0.0625 inci. (h = 62.5 mil), 1 ons timah berlapis tembaga (t = 1.35 mil), 0.01 inci. (w = 10 mil), dan papan FR-4. Perhatikan bahwa R dari FR-4 biasanya 4.35 farad /m (F/m), tetapi dapat berkisar dari 4.0F/m hingga 4.7F/m. Nilai eigen yang dihitung dalam contoh ini adalah Z0 = 134 , C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Untuk desain AN ISM-RF, panjang tata letak lead 12.7 mm (0.5 inci) di papan dapat menghasilkan parameter parasit sekitar 0.5pF dan 9.3nH (Gambar 8). Pengaruh parameter parasit pada tingkat ini pada saluran resonansi penerima (variasi produk LC) dapat menghasilkan variasi 315MHz ±2% atau 433.92mhz ±3.5%. Karena kapasitansi dan induktansi tambahan yang disebabkan oleh efek parasit dari timah, puncak frekuensi osilasi 315MHz mencapai 312.17mhz, dan puncak frekuensi osilasi 433.92mhz mencapai 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. Hitung frekuensi osilasi rangkaian resonansi dengan menggunakan persamaan:

Evaluasi sirkuit resonansi pelat harus mencakup efek parasit dari paket dan tata letak, dan parameter parasit masing-masing adalah 7.3PF dan 7.5PF saat menghitung frekuensi resonansi 315MHz. Perhatikan bahwa produk LC mewakili kapasitansi yang disamakan.

Singkatnya, prinsip-prinsip berikut harus diikuti:

Jaga agar memimpin sesingkat mungkin.

Tempatkan sirkuit kunci sedekat mungkin dengan perangkat.

Komponen kunci dikompensasikan sesuai dengan parasitisme tata letak yang sebenarnya.

Perawatan pembumian dan pengisian

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Menyamakan semua medan listrik dengan cara ini menghasilkan mekanisme pelindung yang baik.

Arus searah selalu cenderung mengalir sepanjang jalur resistansi rendah. Dengan cara yang sama, arus frekuensi tinggi secara istimewa mengalir melalui jalur dengan resistansi terendah. 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. Jangan mencampur kabel pelindung dengan kabel yang dirancang untuk memberikan jalur arus balik. Pengaturan ini dapat memperkenalkan crosstalk.

How to avoid various defects in PCB layout of printed boards

ARA. 10. Desain sistem RF harus menghindari kabel berlapis tembaga yang mengambang, terutama jika selubung tembaga diperlukan.

Area berlapis tembaga tidak diarde (mengambang) atau diarde hanya di satu ujung, yang membatasi keefektifannya. 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. Singkatnya, jika sepotong kelongsong tembaga (pengkabelan sinyal non-sirkuit) diletakkan di papan sirkuit untuk memastikan ketebalan pelapisan yang konsisten. Area berlapis tembaga harus dihindari karena mempengaruhi desain sirkuit.

Terakhir, pastikan untuk mempertimbangkan efek dari area tanah di dekat antena. Setiap antena monopole akan memiliki wilayah tanah, kabel dan lubang sebagai bagian dari keseimbangan sistem, dan kabel keseimbangan non-ideal akan mempengaruhi efisiensi radiasi dan arah antena (template radiasi). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Sediakan zona pentanahan berkelanjutan dan resistansi rendah sejauh mungkin.

Kedua ujung saluran pengisian diarde, dan susunan lubang tembus digunakan sejauh mungkin.

Jangan mengapungkan kawat berlapis tembaga di dekat sirkuit RF, jangan meletakkan tembaga di sekitar sirkuit RF.

Jika papan sirkuit berisi beberapa lapisan, yang terbaik adalah meletakkan tanah melalui lubang ketika kabel sinyal lewat dari satu sisi ke sisi lainnya.

Kapasitansi kristal yang berlebihan

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Oleh karena itu, beberapa pedoman umum harus diikuti untuk mengurangi kapasitansi yang menyimpang dari pin kristal, bantalan, kabel, atau koneksi ke perangkat RF.

Prinsip-prinsip berikut harus diikuti:

Sambungan antara kristal dan perangkat RF harus sesingkat mungkin.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Jika kapasitansi parasit shunt terlalu besar, singkirkan daerah pentanahan di bawah kristal.

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. Kedua, Anda dapat memilih induktor keramik multilayer, produsen kapasitor chip multilayer juga menyediakan produk ini. Nevertheless, some designers choose spiral inductors when they have to. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Dimana, a adalah jari-jari rata-rata kumparan, dalam inci; N adalah jumlah putaran; 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%.

Induktor spiral satu lapis persegi, heksagonal, atau bentuk lain dapat digunakan. Very good approximations can be found to model planar inductance on integrated circuit wafers. Untuk mencapai tujuan ini, rumus standar Wheeler dimodifikasi untuk mendapatkan metode estimasi induktansi bidang yang sesuai untuk ukuran kecil dan ukuran persegi 12.

Dimana, adalah rasio pengisian :; N adalah jumlah belokan, dan dAVG adalah diameter rata-rata:. Untuk heliks persegi, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Ada banyak alasan untuk menghindari penggunaan induktor jenis ini, yang biasanya mengakibatkan nilai induktansi berkurang karena keterbatasan ruang. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Selain itu, nilai induktansi sebenarnya sulit dikendalikan selama produksi PCB, dan induktansi juga cenderung memasangkan noise ke bagian lain dari rangkaian.