מקרי יישום רבים של מוצרי תדר רדיו תעשייתיים, מדעיים ורפואיים (ISM-RF) מראים כי המעגל המודפס פריסת מוצרים אלה מועדת לפגמים שונים.אנשים מוצאים לעתים קרובות שאותו IC מותקן על שני מעגלים שונים, מחווני הביצועים יהיו שונים באופן משמעותי. 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. במאמר זה, דיאלקטרי fr-4 PCB, שכבה כפולה בעובי 0.0625 אינץ ‘כדוגמה, הארקה של מעגל הלוח. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

כיוון השראות

כאשר שני משרנים (או אפילו שני קווי PCB) קרובים זה לזה, תתרחש השראות הדדית. 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:

היכן, YB הוא מתח השגיאה המוזרק למעגל B, IA הוא הזרם 1 הפועל במעגל 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. למטרה זו, בניצב ככל האפשר זה לזה, עיין בפריסת המעגל של לוח הערכת מקלט Superheterodyne FSK superheterodyne (EV) בעל עוצמה נמוכה (MAX7042EVKIT) (איור 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.

איור 2. מוצגות שתי פריסות PCB שונות, באחת מהן האלמנטים מסודרים בכיוון הלא נכון (L1 ו- L3), ואילו השני מתאים יותר.

לסיכום, יש לעקוב אחר העקרונות הבאים:

מרווח השראות צריך להיות רחוק ככל האפשר.

המשרנים מסודרים בזווית ישרה כדי למזער את הדיווח ההצלחות בין המשרנים.

הוביל את הצימוד

כשם שאוריינטציה של משרנים משפיעה על צימוד מגנטי, כך גם הצימוד אם המוליכים קרובים מדי זה לזה. סוג זה של בעיית פריסה מייצר גם מה שנקרא תחושה הדדית. אחת הבעיות המודאגות ביותר של מעגל RF היא חיווט של חלקים רגישים במערכת, כגון רשת התאמת כניסות, ערוץ תהודה של המקלט, רשת התאמת אנטנות של המשדר וכו ‘.

נתיב זרם ההחזרה צריך להיות קרוב ככל האפשר לנתיב הזרם הראשי כדי למזער את השדה המגנטי של הקרינה. This arrangement helps to reduce the current loop area. נתיב ההתנגדות הנמוך האידיאלי לזרם ההחזרה הוא בדרך כלל אזור הקרקע מתחת לעופרת – ומגביל למעשה את אזור הלולאה לאזור שבו עובי הדיאלקטרי מוכפל באורך ההובלה. עם זאת, אם אזור הקרקע מפוצל, שטח הלולאה גדל (איור 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.

איור 3. הארקה של שטח גדול מסייעת בשיפור ביצועי המערכת

עבור משרן בפועל, לכיוון העופרת יש השפעה משמעותית גם על צימוד השדה המגנטי. אם הכבלים של מעגל רגיש חייבים להיות קרובים זה לזה, עדיף ליישר את המוליכים אנכית כדי להפחית את הצימוד (איור 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. לעיצוב חוט הגנה, עיין בסעיף טיפול הארקה ומילוי להלן.

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

הבעיה העיקרית בפריסת מעגל RF היא בדרך כלל העכבה האופיינית לא אופטימלית של המעגל, כולל רכיבי המעגל והחיבורים ביניהם. העופרת עם ציפוי נחושת דק מקבילה לחוט השראות ויוצרת קיבול מבוזר עם מוליכים אחרים בסביבה. העופרת גם מציגה תכונות השראות וקיבול כשהיא עוברת דרך החור.

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. ההשפעה של קיבול טפילי היא בדרך כלל קטנה ובדרך כלל גורמת רק לשינוי קצה באותות דיגיטליים במהירות גבוהה (שלא נדון במאמר זה).

ההשפעה הגדולה ביותר של החור העובר היא השראות הטפילית הנגרמת על ידי מצב הקישוריות המקביל. 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 הוא קוטר החור, בסנטימטרים 2.

כיצד להימנע מפגמים שונים בפריסת PCB של לוחות מודפסים

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. קבלים עוקפים אידיאליים מספקים מעגלים קצרים בתדר גבוה בין אזור האספקה ​​למבנה, אך חורי דרך לא אידיאליים יכולים להשפיע על הנתיב ברגישות נמוכה בין המבנה לאזור האספקה. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. בהתחשב בתדירות ההפעלה הספציפית של מוצר ISM-RF, חורי המעבר יכולים להשפיע לרעה על מעגלים רגישים כגון מעגלי תעלות תהודה, מסננים ורשתות תואמות.

בעיות אחרות מתעוררות אם מעגלים רגישים חולקים חורים, כגון שתי הזרועות של רשת מסוג π. לדוגמה, על ידי הצבת חור אידיאלי המקביל להשראות גושית, הסכימה המקבילה שונה למדי מתכנון המעגל המקורי (איור 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

איור 6. ארכיטקטורות אידיאליות לעומת אידיאליות, ישנם “שבילי אותות” פוטנציאליים במעגל.

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.

אורך ההובלה

נתוני מוצר Maxim ISM-RF ממליצים לעתים קרובות להשתמש בכניסות ופלט בתדר גבוה הקצר ביותר האפשרי כדי למזער הפסדים וקרינה. מצד שני, הפסדים כאלה נגרמים בדרך כלל על ידי פרמטרים טפיליים שאינם אידיאליים, כך שגם השראות טפילה וגם קיבול משפיעים על פריסת המעגל, והשימוש בהובלה הקצרה ביותר אפשרי מסייע בהפחתת הפרמטרים הטפיליים. 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. עבור מעגל LAN/ מיקסר עם משרן 20nH וקבל 3pF, ערך הרכיב האפקטיבי ישפיע במידה רבה כאשר המעגל ופריסת הרכיבים קומפקטיים מאוד.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. מסמך זה הוחלף בשנת 2003 ב- IPC-2251 5, המספק שיטת חישוב מדויקת יותר עבור הפניות PCB שונות. 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:

בנוסחה, εr הוא הקבוע הדיאלקטרי של הדיאלקטרי, h הוא גובה ההובלה מהשכבה, W הוא רוחב העופרת ו- T הוא עובי העופרת (איור 7). כאשר w/h הוא בין 0.1 ל- 2.0 ו- εr הוא בין 1 ל- 15, תוצאות החישוב של נוסחה זו די מדויקות.

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. בדוגמה זו אנו דנים בקיבול ותועה. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

באופן דומה ניתן לחשב את השראות האופיינית מהמשוואה באמצעות המשוואה לעיל:

לדוגמה, נניח עובי PCB של 0.0625in. (h = 62.5 מיל), עוזה אחת מצופה נחושת (t = 1 מיל), 1.35 אינץ ‘. (w = 0.01 מיל) ולוח FR-10. שים לב כי ה- ε R של FR-4 הוא בדרך כלל 4.35 farad/m (F/m), אך יכול לנוע בין 4.0F/m ל- 4.7F/m. הערכים העצמיים המחושבים בדוגמה זו הם Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

עבור עיצוב ISM-RF, אורך פריסה של 12.7 מ”מ (0.5 אינץ ‘) של לידים על הלוח יכול לייצר פרמטרים טפיליים של כ- 0.5pF ו -9.3nH (איור 8). ההשפעה של פרמטרים טפיליים ברמה זו על הערוץ המהדהד של המקלט (וריאציה של מוצר LC) עשויה לגרום לשינוי של 315MHz ± 2% או 433.92mhz ± 3.5%. בשל הקיבול וההשראות הנוספים הנגרמים כתוצאה מההשפעה הטפילית של העופרת, שיא תדר התנודה של 315 מגה -הרץ מגיע ל -312.17 מגה -הרץ, ושיא תדר התנודה של 433.92 מגה -הרץ מגיע ל -426.6 מגה -הרץ.

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. חשב את תדר התנודה של מעגל התהודה באמצעות המשוואה:

הערכת מעגל התהודה של הצלחת צריכה לכלול את ההשפעות הטפיליות של החבילה והפריסה, והפרמטרים הטפיליים הם 7.3PF ו- 7.5PF בהתאמה בעת חישוב תדר התהודה 315MHz. שים לב כי המוצר LC מייצג קיבול גושים.

לסיכום, יש לעקוב אחר העקרונות הבאים:

שמור על הליד קצר ככל האפשר.

מקם מעגלי מפתחות קרוב ככל האפשר למכשיר.

רכיבי מפתח מתוגמלים בהתאם לטפיליות פריסה בפועל.

טיפול הארקה ומילוי

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. השוואת כל השדות החשמליים בצורה זו מייצרת מנגנון מיגון טוב.

זרם ישר תמיד נוטה לזרום לאורך נתיב התנגדות נמוך. באותו אופן זרם בתדירות גבוהה זורם באופן מועדף בנתיב בעל ההתנגדות הנמוכה ביותר. 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).

כיצד להימנע מפגמים שונים בפריסת PCB של לוחות מודפסים

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. אין לערבב את חוט ההגנה עם העופרת שנועדה לספק נתיב זרם החזרה. הסדר זה יכול להציג דיון חוצה.

כיצד להימנע מפגמים שונים בפריסת PCB של לוחות מודפסים

תאנה. 10. עיצוב מערכת ה- RF צריך להימנע מחוטי נחושת צפים, במיוחד אם נדרש מעטפת נחושת.

האזור המחופה בנחושת אינו מקורקע (צף) או מקורקע רק בקצה אחד, מה שמגביל את יעילותו. 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. בקיצור, אם חתיכת חיפוי נחושת (חיווט אותות ללא מעגל) מונחת על הלוח כדי להבטיח עובי ציפוי עקבי. יש להימנע מאזורים עטופי נחושת מכיוון שהם משפיעים על עיצוב המעגל.

לבסוף, הקפד לשקול את ההשפעות של כל שטח קרקע ליד האנטנה. לכל אנטנה חד-קוטבית יהיה אזור הקרקע, החיווט והחורים כחלק משיווי המשקל של המערכת, וחיווט שיווי משקל לא אידיאלי ישפיע על יעילות הקרינה והכיוון של האנטנה (תבנית קרינה). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

לסיכום, יש לעקוב אחר העקרונות הבאים:

ספק אזורי הארקה רציפים והתנגדות נמוכה ככל האפשר.

שני קצות קו המילוי מקורקעים, ומשתמשים במערך חורים עד כמה שניתן.

אל תרחף חוט עטוף נחושת ליד מעגל RF, אל תניח נחושת סביב מעגל RF.

אם לוח המעגלים מכיל מספר שכבות, עדיף להניח קרקע דרך חור כאשר כבל האות עובר מצד אחד לשני.

קיבול גביש מוגזם

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. לכן, יש לעקוב אחר כמה הנחיות כלליות להפחתת קיבול תועה של סיכות, רפידות, חוטים או חיבורים למכשירי RF.

יש לעקוב אחר העקרונות הבאים:

החיבור בין הגביש למכשיר ה- RF צריך להיות קצר ככל האפשר.

Keep the wiring from each other as far as possible.

אם הקיבול הטפילי של shunt גדול מדי, הסר את אזור ההארקה מתחת לגביש.

השראות חיווט מישורית

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. לכן רוב המשרנים המבוקרים והגבוהים מסוג Q הם מסוג פצעים. שנית, אתה יכול לבחור משרן קרמי רב שכבתי, יצרני קבלים של שבבים רב שכבתיים מספקים גם את המוצר הזה. עם זאת, חלק מהמעצבים בוחרים במשרנים ספירלים כאשר הם צריכים. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

איפה, a הוא הרדיוס הממוצע של הסליל, בסנטימטרים; N הוא מספר הסיבובים; C הוא רוחב ליבת הסליל (נתב-רינר), בסנטימטרים. כאשר הסליל c “0.2a 11, הדיוק של שיטת החישוב הוא בתוך 5%.

ניתן להשתמש במשרני ספירלה בשכבה אחת בעלי צורות מרובעות, משושה או אחרות. ניתן למצוא קירובים טובים מאוד לדגם השראות מישורית על פרוסות מעגל משולב. על מנת להשיג מטרה זו, נוסחת הסטנדרטית של וילר משתנה כדי להשיג שיטת הערכת השראות מישור המתאימה לגודל קטן ולגודל מרובע 12.

היכן, ρ הוא יחס המילוי :; N הוא מספר הסיבובים, ו- dAVG הוא הקוטר הממוצע:. עבור סלילים מרובעים, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

ישנן סיבות רבות להימנע משימוש במשרן מסוג זה, אשר בדרך כלל גורם לירידת ערכי השראות עקב מגבלות שטח. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. בנוסף, קשה לשלוט בערכי ההשראות בפועל במהלך ייצור ה- PCB, והשראות גם נוטה לשייך רעש לחלקים אחרים של המעגל.