Akeh kasus aplikasi industri, ilmiah, lan frekuensi radio medis (ISM-RF) nuduhake manawa papan sirkuit cetak tata letak produk iki rentan kanggo macem-macem cacat.Wong asring ngerti manawa IC sing padha dipasang ing rong papan sirkuit sing beda, indikator kinerja bakal beda banget. Variasi ing kahanan operasi, radiasi harmoni, kemampuan anti-gangguan, lan wektu wiwitan bisa nerangake pentinge tata letak papan sirkuit ing desain sing sukses.

Artikel iki nyathet macem-macem pola desain, mbahas sebab-sebab saben kegagalan, lan menehi saran babagan cara supaya cacat desain kasebut. Ing makalah iki, fr-4 dielektrik, PCB lapisan kekandelan 0.0625in minangka conto, grounding board circuit. Operasi ing pita frekuensi sing beda antarane 315MHz lan 915MHz, Tx lan Rx daya antarane -120dbm lan + 13dBm.

Arah induktansi

Nalika loro induktor (utawa malah rong garis PCB) cedhak, induktansi bebarengan bakal kedadeyan. Medan magnet sing digawe saiki ing sirkuit pertama nyenengake arus ing sirkuit kaping pindho (Gambar 1). Proses iki padha karo interaksi antarane kumparan primer lan sekunder saka trafo. Nalika rong aliran berinteraksi liwat medan magnet, voltase sing digawe ditemtokake dening LM induktansi bebarengan:

Ing endi, YB minangka voltase kesalahan sing disuntikake menyang sirkuit B, IA minangka 1 tumindak saiki ing sirkuit A. LM sensitif banget marang jarak sirkuit, area loop induktansi (yaiku, fluks magnetik), lan arah loop. Mula, keseimbangan paling apik antara tata letak sirkuit kompak lan kopling suda yaiku keselarasan kabeh induktor sing arah.

GAMBAR 1. Bisa dingerteni saka garis medan magnetik yen induktansi bebarengan ana gandhengane karo arah keselarasan induktansi

Arah sirkuit B diatur supaya gelung saiki sejajar karo garis medan magnet sirkuit A. Kanggo tujuan kasebut, kanthi jejeg saben liyane, waca tata letak sirkuit papan evaluasi Penerima Superheterodyne FSK superheterodyne (EV) (MAX7042EVKIT) (Gambar 2). Telung induktor ing papan (L3, L1 lan L2) cedhak banget, lan orientasi ing 0 °, 45 ° lan 90 ° mbantu nyuda induktansi bebarengan.

Gambar 2. Rong tata letak PCB sing beda ditampilake, salah sijine duwe unsur sing disusun ing arah sing salah (L1 lan L3), dene sing liyane luwih cocog.

Kanggo ngringkes, prinsip ing ngisor iki kudu ditindakake:

Jarak induktansi kudu paling adoh.

Induktor disusun kanthi sudhut sing tepat kanggo nyilikake crosstalk ing antarane induktor.

Mimpin kopling

Kaya dene orientasi induktor mengaruhi kopling magnetik, semono uga kopling yen timbal banget cedhak. Masalah tata letak semacam iki uga ngasilake apa sing diarani sensasi bebarengan. Salah sawijining masalah sirkuit RF sing paling penting yaiku kabel bagean sensitif sistem, kayata jaringan sing cocog karo input, saluran resonan panrima, jaringan sing cocog antena saka pemancar, lsp.

Jalur saiki bali kudu cedhak karo jalur arus utama sing bisa kanggo minimalake medan magnet radiasi. Pangaturan iki mbantu nyuda area loop saiki. Jalur resistensi rendah sing ideal kanggo arus bali biasane wilayah lemah ing sangisore timbal – kanthi efektif mbatesi area loop menyang wilayah sing kekandelan dielektrik dikalikan karo dawa timbal. Nanging, yen wilayah ngisor dipisahake, area loop bakal tambah (Gambar 3). Kanggo petunjuk sing ngliwati wilayah pamisah, arus bali bakal dipeksa liwat jalur resistensi dhuwur, nambah area loop saiki. Pangaturan iki uga ndadekake sirkuit luwih rentan marang induktansi bebarengan.

Gambar 3. Panyebaran area sing amba bisa nambah kinerja sistem

Kanggo induktor nyata, arah timbal uga duwe pengaruh sing signifikan ing kopling medan magnet. Yen timbal sirkuit sensitif kudu cedhak, luwih becik nyelarasake arah vertikal kanggo nyuda kopling (Gambar 4). Yen keselarasan vertikal ora bisa ditindakake, coba gunakake garis penjaga. Kanggo desain kawat proteksi, waca bagian perawatan grounding lan ngisi ing ngisor iki.

Gambar 4. Mirip karo Gambar 1, nuduhake kemungkinan kopling garis medan magnet.

Kanggo ngringkes, prinsip ing ngisor iki kudu ditindakake nalika piring disebar:

Grounding lengkap kudu mesthekake ing ngisor iki.

Pandhuan sensitif kudu disusun kanthi vertikal.

Yen petunjuk kasebut kudu diatur kanthi paralel, priksa jarak sing cukup utawa gunakake kabel pengawal.

Grounding liwat

Masalah utama karo tata letak sirkuit RF biasane impedansi karakteristik suboptimal saka sirkuit, kalebu komponen sirkuit lan interkoneksi. Plumbum kanthi lapisan tembaga tipis padha karo kawat induktansi lan mbentuk kapasitansi sing disebar karo lead liyane ing sekitar. Timah uga nuduhake induktansi lan sifat kapasitansi nalika nembus bolongan.

Kapasitansi liwat-bolongan utamane asale saka kapasitansi sing dibentuk ing antarane klambi tembaga ing sisih pinggir bolongan liwat lan klambi tembaga ing lemah, dipisahake karo cincin sing cukup cilik. Another influence comes from the cylinder of the metal perforation itself. Pengaruh kapasitansi parasit umume cilik lan biasane mung nyebabake variasi pinggiran sinyal digital kanthi kecepatan dhuwur (sing ora dibahas ing makalah iki).

Efek paling gedhe saka bolongan liwat yaiku induktansi parasit sing disebabake dening mode interkoneksi sing cocog. Amarga umume perforasi logam ing desain RF PCB ukurane padha karo komponen lumped, efek perforasi listrik bisa diramal nggunakake formula sederhana (Gbr. 5):

LVIA yaiku induktansi lumped liwat bolongan; H minangka dhuwure bolongan, ing inci; D diameteripun bolongan, ing inci 2.

Cara ngindhari macem-macem cacat ing tata letak PCB saka papan cetak

GAMBAR 5. Penampang PCB digunakake kanggo ngira efek parasit ing struktur bolongan

Induktansi parasit asring duwe pengaruh gedhe ing sambungan kapasitor bypass. Kapasitor bypass sing cocog nyedhiyakake sirkuit cendhak frekuensi dhuwur ing antarane zona pasokan lan formasi, nanging bolongan liwat sing ora ideal bisa mengaruhi jalur sensitivitas rendah ing antarane formasi lan zona pasokan. PCB khas liwat bolongan (d = 10 mil, h = 62.5 mil) kira-kira padha karo induktor 1.34nH. Amarga frekuensi operasi tartamtu kanggo produk ISM-RF, bolongan liwat bisa nyebabake sirkuit sensitif kayata sirkuit, filter, lan jaringan sing cocog.

Masalah liyane muncul yen sirkuit sensitif nuduhake bolongan, kayata loro tangan jaringan tipe π. Contone, kanthi nyelehake bolongan becik sing padha karo induktansi lumped, skema setara cukup beda karo desain sirkuit asli (Gambar 6). Kaya crosstalk saka jalur saiki sing umum 3, sing nyebabake tambah induktansi bebarengan, nambah crosstalk lan feed-through.

Cara ngindhari masalah desain PCB

Gambar 6. Arsitektur sing cocog vs. ora ideal, ana potensial “jalur sinyal” ing sirkuit kasebut.

Kanggo ngringkes, tata letak sirkuit kudu ngetutake prinsip ing ngisor iki:

Mesthekake pemodelan induktansi liwat-bolongan ing wilayah sing sensitif.

Filter utawa jaringan sing cocog nggunakake bolongan bebas.

Elinga yen klambi tembaga PCB sing luwih tipis bakal nyuda efek induktansi parasit liwat bolongan.

Dawane timbal

Data produk Maxim ISM-RF asring nyaranake nggunakake input lan output frekuensi paling cendhak sing bisa nyebabake nyuda kerugian lan radiasi. Saliyane, kerugian kaya biasane disebabake parametri parasit sing ora ideal, mula kalorone induktansi lan kapasitansi parasit mengaruhi tata letak sirkuit, lan nggunakake timah paling cendhak bisa nyuda paramet parasit. Biasane, timbal PCB jembaré 10 mil kanthi jarak 0.0625in… ​​Saka papan FR4 ngasilake induktansi udakara 19nH / in lan kapasitansi distribusi udakara 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 ing ‘Institute for Printed Circuits’ nyedhiyakake persamaan standar industri kanggo ngira macem-macem paramèter impedansi PCB mikrostrip. Dokumen iki diganti ing taun 2003 dening IPC-2251 5, sing nyedhiyakake cara pitungan sing luwih akurat kanggo macem-macem lead PCB. Kalkulator online kasedhiya saka macem-macem sumber, umume adhedhasar persamaan sing diwenehake IPC-2251. Lab Kompatibilitas Elektromagnetik ing Institut Teknologi Missouri nyedhiyakake cara sing praktis banget kanggo ngitung impedansi timbal PCB 6.

Kriteria sing ditampa kanggo ngitung impedansi garis mikrostrip yaiku:

Ing rumus, εr minangka konstanta dielektrik saka dielektrik, h yaiku dhuwur timbal saka stratum, W yaiku jembar timah, lan T yaiku kekandelan timah (Gambar 7). Nalika w / h ana ing antarane 0.1 lan 2.0 lan εr antarane 1 lan 15, asil pitungan saka rumus iki cukup akurat.

Gambar 7. Tokoh iki minangka bagean salib PCB (padha karo Gambar 5) lan nggambarake struktur sing digunakake kanggo ngetung impedansi garis mikrostrip.

Kanggo ngevaluasi efek dawa timbal, luwih praktis kanggo nemtokake efek detuning sirkuit ideal kanthi paramèter parasit timbal. Ing conto iki, kita ngrembug babagan capacitance stray lan induktansi. Persamaan standar kapasitas karakteristik kanggo garis mikrostrip yaiku:

Kajaba iku, induktansi karakteristik bisa diwilang saka persamaan kanthi nggunakake persamaan ing ndhuwur:

Contone, nganggep kekandelan PCB 0.0625. (h = 62.5 mil), timbal dilapisi tembaga 1 ons (t = 1.35 mil), 0.01 inci. (w = 10 mil), lan papan FR-4. Elinga yen ε R saka FR-4 biasane 4.35 farad / m (F / m), nanging bisa diwiwiti saka 4.0F / m nganti 4.7F / m. Nilai eigen sing diwilang ing conto iki yaiku Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / ing.

Kanggo desain ISM-RF, dawa tata letak 12.7mm (0.5in) ing papan bisa ngasilake paramèter parasit udakara 0.5pF lan 9.3nH (Gambar 8). Pengaruh parameter parasit ing level iki ing saluran resonan panrima (variasi produk LC) bisa nyebabake 315MHz ± 2% utawa 433.92mhz ± 3.5% variasi. Amarga capacitance tambahan lan induktansi sing disebabake efek parasit timah, pucuk frekuensi osilasi 315MHz tekan 312.17mhz, lan pucuk frekuensi osilasi 433.92mhz tekan 426.6mhz.

Contone liyane yaiku saluran resonan panrima superheterodyne Maxim (MAX7042). Komponen sing disaranake yaiku 1.2pF lan 30nH ing 315MHz; Ing 433.92MHz, iku 0pF lan 16nH. Ngetung frekuensi osilasi sirkuit resonan kanthi nggunakake persamaan:

Evaluasi sirkuit resonan piring kudu kalebu efek parasit saka paket lan tata letak, lan parameter parasit masing-masing 7.3PF lan 7.5PF nalika ngitung frekuensi resonan 315MHz. Elinga yen produk LC nggambarake capacitance lumped.

Kanggo ngringkes, prinsip ing ngisor iki kudu ditindakake:

Terusake timbal supaya bisa cekak.

Selehake sirkuit tombol supaya cedhak karo piranti.

Komponen kunci diwenehi kompensasi miturut parasitisme tata letak sing nyata.

Perawatan lemah lan ngisi

Landasan utawa lapisan listrik nemtokake voltase referensi umum sing nyedhiyakake tenaga menyang kabeh bagean sistem liwat jalur resistensi sing kurang. Merata kabeh medan listrik kanthi cara iki ngasilake mekanisme tameng sing apik.

Arus langsung mesthi cenderung mili ing dalan resistansi sing kurang. In the same way, high-frequency current preferentially flows through the path with the lowest resistance. Dadi, kanggo garis mikrostrip PCB standar ing ndhuwur tatanan, arus bali nyoba mili menyang wilayah dhasar ing sangisore timbal. Kaya sing diandharake ing bagean kopling timbal ing ndhuwur, area sing dipotong ngenalake macem-macem swara sing nambah crosstalk liwat kopling medan magnetik utawa kanthi ngubungake arus (Gambar 9).

Cara ngindhari macem-macem cacat ing tata letak PCB saka papan cetak

GAMBAR 9. Supaya formasi tetep utuh, bisa uga yen arus balik bakal nyebabake crosstalk.

Lemah sing diisi, uga dikenal minangka garis pengawal, umume digunakake ing sirkuit yen landhesan landhesan angel diselehake utawa ing endi dibutuhake sirkuit sensitif kanggo nglindhungi (Gbr. 10). Efek tameng bisa ditambah kanthi nyelehake bolongan dhasar (yaiku susunan bolongan) ing loro pucuk utawa ing sadawane timbal. 8. Aja nyampur kabel pengawal karo timah sing dirancang kanggo menehi jalur saiki. Pangaturan iki bisa ngenalake crosstalk.

Cara ngindhari macem-macem cacat ing tata letak PCB saka papan cetak

GAMBAR 10. Desain sistem RF kudu ngindhari kabel klambi tembaga sing ngambang, luwih-luwih yen sheathing tembaga dibutuhake.

Wilayah sing nganggo tembaga ora didhasarake (ngambang) utawa mung didhasarake ing salah sawijining pucuk, sing mbatesi efektifitas. Ing sawetara kasus, bisa nyebabake efek sing ora dikarepake kanthi nggawe kapasitansi parasit sing ngganti impedansi kabel sekitar utawa nggawe jalur “laten” ing antarane sirkuit. Cekakipun, yen potongan klambi tembaga (kabel sinyal non-sirkuit) dilebokake ing papan sirkuit kanggo mesthekake kekandelan plating sing konsisten. Wilayah sing nganggo tembaga kudu dihindari amarga kena pengaruh desain sirkuit.

Pungkasan, sampeyan kudu mriksa efek saka area ngisor ing antena. Antena monopole bakal duwe wilayah dhasar, kabel lan bolongan minangka bagean saka keseimbangan sistem, lan kabel keseimbangan sing ora becik bakal mengaruhi efisiensi radiasi lan arah antena (template radiasi). Mula, area lemah ora dilebokake langsung ing ngisor antena timbal PCB monopole.

Kanggo ngringkes, prinsip ing ngisor iki kudu ditindakake:

Nyedhiyakake zona dhasar sing terus-terusan lan tahan sithik nganti bisa.

Loro-lorone garis pengisi diukum, lan larik liwat-bolongan digunakake nganti bisa.

Aja ngambang kawat klambi tembaga cedhak sirkuit RF, aja nyelehake tembaga ing sirkuit RF.

Yen papan sirkuit ngemot pirang-pirang lapisan, luwih becik nyelehake bolongan nalika kabel sinyal liwat saka sisih liyane.

Kapasitas kristal sing gedhe banget

Kapasitansi parasitansi bakal nyebabake frekuensi kristal nyimpang saka nilai target 9. Mula, sawetara pandhuan umum kudu ditindakake kanggo nyuda capacitance pin saka pin kristal, bantalan, kabel, utawa sambungan menyang piranti RF.

Prinsip-prinsip ing ngisor iki kudu ditindakake:

Sambungan antarane piranti kristal lan RF mesthine bisa cekak.

Jaga kabel saka saben liyane supaya bisa.

Yen kapasitansi parasit shunt gedhe banget, copot wilayah dhasar ing ngisor kristal kasebut.

Induktansi kabel planar

Kabel planar utawa induktor spiral PCB ora disaranake. Proses pabrikan PCB khas nduwe akurasi tartamtu, kayata toleransi jembar lan papan, sing mengaruhi akurasi nilai komponen. Mula, induktor Q sing paling dikontrol lan dhuwur yaiku jinis tatu. Kapindho, sampeyan bisa milih induktor keramik multilayer, produsen kapasitor chip multilayer uga nyedhiyakake produk iki. Nanging, sawetara desainer milih induktor spiral nalika kudu. Formula standar kanggo ngetung induktansi spiral planar biasane rumus Wheeler 10:

Ing endi, radius rata-rata koil, ing inci; N minangka nomer puteran; C yaiku jembaré inti koil (router-rinner), ing inci. Nalika koil c “0.2a 11, akurasi metode pitungan kasebut ana ing 5%.

Induktor spiral lapisan siji kanthi bentuk persegi, heksagonal, utawa liyane bisa digunakake. Perkiraan sing apik banget bisa ditemokake kanggo model induktansi planar ing wafer sirkuit terintegrasi. Kanggo nggayuh tujuan iki, rumus Wheeler standar diowahi kanggo entuk metode estimasi induktansi pesawat sing cocog kanggo ukuran cilik lan ukuran 12.

Endi, ρ yaiku rasio ngisi :; N minangka nomer puteran, lan dAVG minangka diameter rata-rata:. Kanggo heliks persegi, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Ana akeh alasan supaya ora nggunakake jinis induktor iki, sing biasane nyebabake nyuda angka induktansi amarga watesan ruang. Alasan utama supaya induktor planar yaiku geometri winates lan kontrol dimensi kritis sing kurang, mula ora bisa ngramal nilai induktor. Kajaba iku, angka induktansi nyata angel dikontrol sajrone produksi PCB, lan induktansi uga cenderung rame ing bagean liya saka sirkuit.