Numerosi casi applicativi di prodotti a radiofrequenza industriale, scientifica e medica (ISM-RF) mostrano che il circuito stampato il layout di questi prodotti è soggetto a vari difetti.Le persone spesso scoprono che lo stesso circuito integrato installato su due circuiti stampati diversi, gli indicatori di prestazione saranno significativamente diversi. 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. In questo documento, PCB a doppio strato di dielettrico fr-4, spessore 0.0625 pollici come esempio, la messa a terra del circuito. Operando in diverse bande di frequenza tra 315MHz e 915MHz, potenza Tx e Rx tra -120dbm e +13dBm.

Direzione dell’induttanza

Quando due induttori (o anche due linee PCB) sono vicini l’uno all’altro, si verificherà un’induttanza reciproca. The magnetic field generated by the current in the first circuit excites the current in the second circuit (Figure 1). Questo processo è simile all’interazione tra le bobine primarie e secondarie di un trasformatore. When two currents interact through a magnetic field, the voltage generated is determined by mutual inductance LM:

Dove, YB è la tensione di errore iniettata nel circuito B, IA è la corrente 1 che agisce sul circuito A. LM è molto sensibile alla spaziatura del circuito, all’area del circuito di induttanza (cioè al flusso magnetico) e alla direzione del circuito. Pertanto, il miglior equilibrio tra layout del circuito compatto e accoppiamento ridotto è il corretto allineamento di tutti gli induttori nella direzione.

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. A tal fine, il più possibile perpendicolari tra loro, fare riferimento allo schema circuitale della scheda di valutazione del ricevitore supereterodina FSK a bassa potenza (EV) (MAX7042EVKIT) (Figura 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.

Figura 2. Sono mostrati due diversi layout PCB, uno dei quali ha gli elementi disposti nella direzione sbagliata (L1 e L3), mentre l’altro è più adatto.

Riassumendo, dovrebbero essere seguiti i seguenti principi:

La distanza di induttanza dovrebbe essere il più possibile.

Gli induttori sono disposti ad angolo retto per ridurre al minimo la diafonia tra gli induttori.

Guida l’accoppiamento

Proprio come l’orientamento degli induttori influisce sull’accoppiamento magnetico, così fa l’accoppiamento se i cavi sono troppo vicini l’uno all’altro. Questo tipo di problema di layout produce anche quella che viene chiamata sensazione reciproca. Uno dei problemi più preoccupanti del circuito RF è il cablaggio di parti sensibili del sistema, come la rete di corrispondenza dell’ingresso, il canale risonante del ricevitore, la rete di corrispondenza dell’antenna del trasmettitore, ecc.

Il percorso della corrente di ritorno dovrebbe essere il più vicino possibile al percorso della corrente principale per ridurre al minimo il campo magnetico di radiazione. This arrangement helps to reduce the current loop area. Il percorso ideale a bassa resistenza per la corrente di ritorno è solitamente la regione di terra al di sotto del conduttore, limitando efficacemente l’area del circuito a una regione in cui lo spessore del dielettrico viene moltiplicato per la lunghezza del conduttore. Tuttavia, se la regione di terra è divisa, l’area del loop aumenta (Figura 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.

Figura 3. La messa a terra completa di un’ampia area aiuta a migliorare le prestazioni del sistema

Per un vero induttore, anche la direzione del conduttore ha un effetto significativo sull’accoppiamento del campo magnetico. Se i cavi di un circuito sensibile devono essere vicini l’uno all’altro, è meglio allineare i cavi verticalmente per ridurre l’accoppiamento (Figura 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.

Figura 4. Simile alla Figura 1, mostra il possibile accoppiamento di linee di campo magnetico.

To sum up, the following principles should be followed when the plate is distributed:

Complete grounding should be ensured below the lead.

I cavi sensibili devono essere disposti verticalmente.

If the leads must be arranged in parallel, ensure adequate spacing or use guard wires.

Messa a terra tramite

Il problema principale con il layout del circuito RF è solitamente l’impedenza caratteristica subottimale del circuito, inclusi i componenti del circuito e le loro interconnessioni. Il conduttore con un sottile rivestimento in rame è equivalente al filo di induttanza e forma una capacità distribuita con altri conduttori nelle vicinanze. Il cavo mostra anche proprietà di induttanza e capacità mentre passa attraverso il foro.

La capacità del foro passante deriva principalmente dalla capacità formata tra il rivestimento in rame sul lato della piazzola del foro passante e il rivestimento in rame a terra, separati da un anello abbastanza piccolo. Un’altra influenza viene dal cilindro della perforazione metallica stessa. L’effetto della capacità parassita è generalmente piccolo e di solito causa solo la variazione del fronte nei segnali digitali ad alta velocità (che non è discusso in questo documento).

L’effetto maggiore del foro passante è l’induttanza parassita causata dalla corrispondente modalità di interconnessione. 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 è l’altezza del foro passante, in pollici; D è il diametro del foro passante, in pollici 2.

Come evitare vari difetti nel layout PCB delle schede stampate

FICO. 5. Sezione trasversale PCB utilizzata per stimare gli effetti parassiti sulle strutture a foro passante

The parasitic inductance often has a great influence on the connection of bypass capacitors. I condensatori di bypass ideali forniscono cortocircuiti ad alta frequenza tra la zona di alimentazione e la formazione, ma fori passanti non ideali possono influenzare il percorso a bassa sensibilità tra la formazione e la zona di alimentazione. Un tipico foro passante per PCB (d = 10 mil, h = 62.5 mil) è approssimativamente equivalente a un induttore da 1.34 nH. Data la specifica frequenza operativa del prodotto ISM-RF, i fori passanti possono influire negativamente su circuiti sensibili come circuiti di canale risonante, filtri e reti di adattamento.

Altri problemi sorgono se i circuiti sensibili condividono dei buchi, come i due rami di una rete di tipo π. Ad esempio, posizionando un foro ideale equivalente all’induttanza concentrata, lo schema equivalente è molto diverso dal progetto del circuito originale (FIG. 6). Come con la diafonia del percorso di corrente comune 3, con conseguente aumento dell’induttanza reciproca, aumento della diafonia e del passante.

How to avoid PCB design problems

Figura 6. Architetture ideali e non ideali, ci sono potenziali “percorsi di segnale” nel circuito.

Per riassumere, il layout del circuito dovrebbe seguire i seguenti principi:

Garantire la modellazione dell’induttanza del foro passante in aree sensibili.

Il filtro o la rete di corrispondenza utilizza fori passanti indipendenti.

Si noti che un PCB più sottile rivestito di rame ridurrà l’effetto dell’induttanza parassita attraverso il foro.

La lunghezza del piombo

I dati del prodotto Maxim ISM-RF spesso consigliano di utilizzare i cavi di ingresso e uscita ad alta frequenza più brevi possibili per ridurre al minimo le perdite e le radiazioni. D’altra parte, tali perdite sono solitamente causate da parametri parassiti non ideali, quindi sia l’induttanza parassita che la capacità influenzano il layout del circuito e l’uso del cavo più corto possibile aiuta a ridurre i parametri parassiti. 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. For a LAN/ mixer circuit with a 20nH inductor and a 3pF capacitor, the effective component value will be greatly affected when the circuit and component layout are very compact.

Ipc-d-317a4 in “Institute for Printed Circuits” fornisce un’equazione standard del settore per la stima di vari parametri di impedenza del PCB a microstriscia. Questo documento è stato sostituito nel 2003 da IPC-2251 5, che fornisce un metodo di calcolo più accurato per vari cavi PCB. Online calculators are available from a variety of sources, most of which are based on equations provided by IPC-2251. Il laboratorio di compatibilità elettromagnetica presso il Missouri Institute of Technology fornisce un metodo molto pratico per calcolare l’impedenza del cavo PCB 6.

I criteri accettati per il calcolo dell’impedenza delle linee a microstriscia sono:

Nella formula, εr è la costante dielettrica del dielettrico, h è l’altezza del piombo dallo strato, W è la larghezza del cavo e T è lo spessore del cavo (FIG. 7). Quando w/h è compreso tra 0.1 e 2.0 e εr è compreso tra 1 e 15, i risultati del calcolo di questa formula sono abbastanza accurati.

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.

Per valutare l’effetto della lunghezza del cavo, è più pratico determinare l’effetto di detuning del circuito ideale in base ai parametri parassiti del piombo. In questo esempio, discutiamo la capacità parassita e l’induttanza. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Allo stesso modo, l’induttanza caratteristica può essere calcolata dall’equazione utilizzando l’equazione sopra:

Ad esempio, supponiamo uno spessore PCB di 0.0625 pollici. (h = 62.5 mil), 1 oncia di piombo rivestito di rame (t = 1.35 mil), 0.01 pollici. (w = 10 mil) e una scheda FR-4. Notare che ε R di FR-4 è tipicamente 4.35 farad/m (F/m), ma può variare da 4.0F/m a 4.7F/m. Gli autovalori calcolati in questo esempio sono Z0 = 134 ω, C0 = 1.04 pF/in, L0 = 18.7 nH/in.

Per la progettazione AN ISM-RF, una lunghezza del layout di 12.7 mm (0.5 pollici) dei cavi sulla scheda può produrre parametri parassiti di circa 0.5 pF e 9.3 nH (Figura 8). L’effetto dei parametri parassiti a questo livello sul canale risonante del ricevitore (variazione del prodotto LC) può comportare una variazione di 315MHz ±2% o 433.92mhz ±3.5%. A causa della capacità e dell’induttanza aggiuntive causate dall’effetto parassita del cavo, il picco della frequenza di oscillazione di 315 MHz raggiunge i 312.17 mhz e il picco della frequenza di oscillazione di 433.92 mhz raggiunge i 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; A 433.92 MHz, è 0 pF e 16 nH. Calcolare la frequenza di oscillazione del circuito risonante utilizzando l’equazione:

La valutazione del circuito risonante della piastra dovrebbe includere gli effetti parassiti del pacchetto e del layout, e i parametri parassiti sono rispettivamente 7.3PF e 7.5PF quando si calcola la frequenza di risonanza 315MHz. Si noti che il prodotto LC rappresenta la capacità concentrata.

Per riassumere, devono essere seguiti i seguenti principi:

Mantieni il comando il più corto possibile.

Posizionare i circuiti chiave il più vicino possibile al dispositivo.

I componenti chiave sono compensati in base all’effettivo parassitismo del layout.

Trattamento di messa a terra e riempimento

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’equalizzazione di tutti i campi elettrici in questo modo produce un buon meccanismo di schermatura.

La corrente continua tende sempre a fluire lungo un percorso a bassa resistenza. Allo stesso modo, la corrente ad alta frequenza scorre preferenzialmente attraverso il percorso con la resistenza più bassa. Quindi, per una linea di microstriscia PCB standard sopra la formazione, la corrente di ritorno cerca di fluire nella regione di terra direttamente sotto il cavo. 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).

Come evitare vari difetti nel layout PCB delle schede stampate

FICO. 9. Mantenere il più possibile intatta la formazione, altrimenti la corrente di ritorno causerà diafonia.

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. Do not mix the guard wire with the lead designed to provide a return current path. This arrangement can introduce crosstalk.

Come evitare vari difetti nel layout PCB delle schede stampate

FICO. 10. Il design del sistema RF dovrebbe evitare fili rivestiti di rame galleggianti, specialmente se è richiesta una guaina di rame.

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. In breve, se un pezzo di rivestimento in rame (cablaggio del segnale non circuitale) viene posato sul circuito stampato per garantire uno spessore di placcatura coerente. Le aree rivestite di rame dovrebbero essere evitate in quanto influenzano il design del circuito.

Infine, assicurati di considerare gli effetti di qualsiasi area di terra vicino all’antenna. Qualsiasi antenna unipolare avrà la regione di terra, il cablaggio e i fori come parte dell’equilibrio del sistema e il cablaggio di equilibrio non ideale influenzerà l’efficienza della radiazione e la direzione dell’antenna (modello di radiazione). Pertanto, l’area di messa a terra non deve essere posizionata direttamente sotto l’antenna a cavo PCB unipolare.

Riassumendo, dovrebbero essere seguiti i seguenti principi:

Fornire, per quanto possibile, zone di messa a terra continue e a bassa resistenza.

Entrambe le estremità della linea di riempimento sono messe a terra e, per quanto possibile, viene utilizzato un array di fori passanti.

Non far galleggiare il filo rivestito di rame vicino al circuito RF, non posare il rame attorno al circuito RF.

Se il circuito contiene più strati, è meglio realizzare un foro passante per la messa a terra quando il cavo di segnale passa da un lato all’altro.

Eccessiva capacità del cristallo

La capacità parassita farà deviare la frequenza del cristallo dal valore target 9. Pertanto, è necessario seguire alcune linee guida generali per ridurre la capacità parassita di pin di cristallo, pad, fili o connessioni a dispositivi RF.

Devono essere seguiti i seguenti principi:

La connessione tra il cristallo e il dispositivo RF dovrebbe essere la più corta possibile.

Tenere i cavi l’uno dall’altro il più lontano possibile.

Se la capacità parassita dello shunt è troppo grande, rimuovere la regione di messa a terra sotto il cristallo.

Induttanza di cablaggio planare

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. Pertanto, la maggior parte degli induttori con Q controllato e alto sono del tipo a ferita. In secondo luogo, è possibile scegliere un induttore ceramico multistrato, anche i produttori di condensatori a chip multistrato forniscono questo prodotto. Tuttavia, alcuni progettisti scelgono gli induttori a spirale quando devono. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Dove, a è il raggio medio della bobina, in pollici; N è il numero di giri; C è la larghezza del nucleo della bobina (router-rinner), in pollici. Quando la bobina c “0.2a 11, la precisione del metodo di calcolo è entro il 5%.

È possibile utilizzare induttori a spirale a strato singolo di forma quadrata, esagonale o di altro tipo. Si possono trovare approssimazioni molto buone per modellare l’induttanza planare su wafer di circuiti integrati. 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.

Dove, è il rapporto di riempimento:; N è il numero di giri e dAVG è il diametro medio:. For square helices, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

There are many reasons to avoid using this type of inductor, which usually result in reduced inductance values due to space limitations. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Inoltre, i valori di induttanza effettivi sono difficili da controllare durante la produzione di PCB e l’induttanza tende anche ad accoppiare il rumore ad altre parti del circuito.