სამრეწველო, სამეცნიერო და სამედიცინო რადიოსიხშირული (ISM-RF) პროდუქტების მრავალრიცხოვანი გამოყენების შემთხვევები აჩვენებს, რომ PRINTED CIRCUIT ფორუმში ამ პროდუქტების განლაგება მიდრეკილია სხვადასხვა დეფექტებისკენ.ადამიანები ხშირად აღმოაჩენენ, რომ ერთი და იგივე IC დამონტაჟებულია ორ სხვადასხვა მიკროსქემის დაფაზე, შესრულების ინდიკატორები მნიშვნელოვნად განსხვავდება. 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. ამ ნაშრომში, fr-4 დიელექტრიკული, 0.0625in სისქის ორმაგი ფენის PCB მაგალითად, მიკროსქემის დაფის დამიწება. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

ინდუქციური მიმართულება

როდესაც ორი ინდუქტორი (ან თუნდაც ორი PCB ხაზი) ​​ერთმანეთთან ახლოს არის, წარმოიქმნება ურთიერთინდუქციულობა. 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:

სადაც, YB არის შეცდომის ძაბვა, რომელიც შეყვანილია წრეში B, IA არის მიმდინარე 1, რომელიც მოქმედებს წრეზე 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. ამ მიზნით, რაც შეიძლება პერპენდიკულარულად ერთმანეთის მიმართ, მიმართეთ დაბალი სიმძლავრის FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) დაფის მიკროსქემის განლაგებას (MAX7042EVKIT) (სურათი 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.

სურათი 2. ნაჩვენებია ორი განსხვავებული PCB განლაგება, რომელთაგან ერთს აქვს არასწორი მიმართულებით განლაგებული ელემენტები (L1 და L3), ხოლო მეორე უფრო შესაფერისია.

მოკლედ რომ ვთქვათ, უნდა დაიცვან შემდეგი პრინციპები:

ინდუქციური ინტერვალი უნდა იყოს მაქსიმალურად.

ინდუქტორები განლაგებულია სწორი კუთხით, რათა მინიმუმამდე დაიყვანოს ინდუქტორებს შორის შეწყვეტა.

წარმართეთ დაწყვილება

ისევე, როგორც ინდუქტორების ორიენტაცია გავლენას ახდენს მაგნიტურ დაწყვილებაზე, ასევე მოქმედებს დაწყვილება, თუ ლიდერები ძალიან ახლოს არიან ერთმანეთთან. ამგვარი განლაგების პრობლემა ასევე წარმოქმნის იმას, რასაც ორმხრივი შეგრძნება ჰქვია. RF მიკროსქემის ერთ -ერთი ყველაზე შემაშფოთებელი პრობლემაა სისტემის მგრძნობიარე ნაწილების გაყვანილობა, როგორიცაა შეყვანის შესატყვისი ქსელი, მიმღების რეზონანსული არხი, გადამცემის ანტენის შესატყვისი ქსელი და ა.

დასაბრუნებელი დენის ბილიკი რაც შეიძლება ახლოს უნდა იყოს ძირითად მიმდინარე ბილიკთან რადიაციული მაგნიტური ველის შესამცირებლად. This arrangement helps to reduce the current loop area. დაბრუნების დენის იდეალური დაბალი წინააღმდეგობის გზა, როგორც წესი, არის ტყვიის ქვემოთ მდებარე გრუნტის რეგიონი – ეფექტურად ზღუდავს მარყუჟის არე იმ რეგიონს, სადაც დიელექტრიკის სისქე მრავლდება ტყვიის სიგრძეზე. თუმცა, თუ მიწის რეგიონი გაყოფილია, მარყუჟის ფართობი იზრდება (სურათი 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.

დიაგრამა 3. სრული ფართობის დამიწება ხელს უწყობს სისტემის მუშაობის გაუმჯობესებას

ფაქტობრივი ინდუქტორისთვის, ტყვიის მიმართულებას ასევე აქვს მნიშვნელოვანი გავლენა მაგნიტური ველის დაწყვილებაზე. თუ მგრძნობიარე მიკროსქემის სადენები ერთმანეთთან ახლოს უნდა იყოს, უმჯობესია მიერთებები შეამცირონ დაწყვილების შესამცირებლად (სურათი 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. დამცავი მავთულის დიზაინისთვის გთხოვთ, იხილოთ ქვემოთ დამიწების და შევსების დამუშავების განყოფილება.

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

RF სქემის განლაგების მთავარი პრობლემა, როგორც წესი, არის მიკროსქემის სუბოპტიმალური დამახასიათებელი წინაღობა, სქემის კომპონენტების ჩათვლით და მათი ურთიერთკავშირი. ტყვია სპილენძის თხელი საფარით არის ინდუქციური მავთულის ექვივალენტი და ქმნის განაწილებულ ტევადობას სიახლოვეს სხვა ლიდერებთან. ტყვიას ასევე აქვს ინდუქციურობის და ტევადობის თვისებები, როდესაც ის გადის ხვრელში.

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. პარაზიტული ტევადობის ეფექტი ზოგადად მცირეა და ჩვეულებრივ იწვევს მხოლოდ მაღალსიჩქარიანი ციფრული სიგნალების ზღვარის ცვალებადობას (რაც ამ ნაშრომში არ არის განხილული).

ხვრელის ყველაზე დიდი ეფექტი არის პარაზიტული ინდუქცია, რომელიც გამოწვეულია შესაბამისი ურთიერთდაკავშირების რეჟიმში. 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 არის დიამეტრი გამჭოლი, ინჩში 2.

როგორ ავიცილოთ თავიდან დეფექტები დაბეჭდილი დაფების PCB განლაგებაში

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. იდეალური შემოვლითი კონდენსატორები უზრუნველყოფენ მაღალი სიხშირის მოკლე ჩართვას მიწოდების ზონასა და ფორმირებას შორის, მაგრამ არა იდეალურმა გამჭოლი ხვრელებმა შეიძლება გავლენა მოახდინონ წარმოქმნასა და მიწოდების ზონას შორის დაბალი მგრძნობელობის გზაზე. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. ISM-RF პროდუქტის სპეციფიკური მუშაობის სიხშირის გათვალისწინებით, ხვრელებმა შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს მგრძნობიარე სქემებზე, როგორიცაა რეზონანსული არხის სქემები, ფილტრები და შესაბამისი ქსელები.

სხვა პრობლემები წარმოიქმნება, თუ მგრძნობიარე სქემები იზიარებენ ხვრელებს, როგორიცაა π – ტიპის ქსელის ორი მკლავი. მაგალითად, დაგროვილი ინდუქციურობის ექვივალენტური იდეალური ხვრელის განთავსებით, ეკვივალენტური სქემა საკმაოდ განსხვავდება საწყისი სქემის დიზაინისგან (სურ. 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

სურათი 6. იდეალური არაიდეალური არქიტექტურის წინააღმდეგ, წრეში არის პოტენციური „სიგნალის ბილიკები“.

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.

ტყვიის სიგრძე

Maxim ISM-RF პროდუქტის მონაცემები ხშირად გვირჩევს უმოკლეს შესაძლო მაღალი სიხშირის შეყვანისა და გამომავალი საშუალებების გამოყენებას დანაკარგებისა და რადიაციის მინიმიზაციის მიზნით. მეორეს მხრივ, ასეთი დანაკარგები ჩვეულებრივ გამოწვეულია არაიდეალური პარაზიტული პარამეტრებით, ამიტომ პარაზიტული ინდუქტიურობა და ტევადობა გავლენას ახდენს მიკროსქემის განლაგებაზე და უმოკლეს შესაძლო ტყვიის გამოყენება ხელს უწყობს პარაზიტული პარამეტრების შემცირებას. 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. LAN/ მიქსერის სქემისთვის 20nH ინდუქტორით და 3pF კონდენსატორით, კომპონენტის ეფექტურ ღირებულებაზე დიდი გავლენა იქონიებს, როდესაც წრე და კომპონენტის განლაგება ძალიან კომპაქტური იქნება.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. ეს დოკუმენტი შეიცვალა 2003 წელს IPC-2251 5-ით, რომელიც ითვალისწინებს PCB- ის სხვადასხვა მიწოდების უფრო ზუსტ გამოთვლის მეთოდს. 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:

ფორმულაში εr არის დიელექტრიკის დიელექტრიკული მუდმივა, h არის ტყვიის სიმაღლე ფენიდან, W არის ტყვიის სიგანე და T არის ტყვიის სისქე (სურ. 7). როდესაც w/h არის 0.1 -დან 2.0 -მდე და εr არის 1 -დან 15 -მდე, ამ ფორმულის გაანგარიშების შედეგები საკმაოდ ზუსტია.

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. ამ მაგალითში ჩვენ განვიხილავთ მაწანწალა ტევადობას და ინდუქციურობას. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

ანალოგიურად, დამახასიათებელი ინდუქციურობა შეიძლება გამოითვალოს განტოლებიდან ზემოაღნიშნული განტოლების გამოყენებით:

მაგალითად, დავუშვათ PCB სისქე 0.0625 ინ. (h = 62.5 მლნ), 1 უნცია სპილენძით დაფარული ტყვია (t = 1.35 მლნ), 0.01 ინ. (w = 10 მლნ) და FR-4 დაფა. გაითვალისწინეთ, რომ FR-4– ის ε R ჩვეულებრივ 4.35 ფარად/მ (F/m), მაგრამ შეიძლება იყოს 4.0F/m– დან 4.7F/m– მდე. ამ მაგალითში გამოთვლილი საკუთრივ ღირებულებებია Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

AN ISM-RF დიზაინისთვის, დაფაზე 12.7 მმ (0.5 ინ) განლაგების სიგრძეს შეუძლია აწარმოოს პარაზიტული პარამეტრები დაახლოებით 0.5pF და 9.3nH (სურათი 8). ამ დონის პარაზიტული პარამეტრების ზემოქმედება მიმღების რეზონანსულ არხზე (LC პროდუქტის ვარიაცია) შეიძლება გამოიწვიოს 315MHz ± 2% ან 433.92mhz ± 3.5% ვარიაცია. ტყვიის პარაზიტული ეფექტით გამოწვეული დამატებითი ტევადობისა და ინდუქციის გამო, 315MHz რხევის სიხშირის პიკი აღწევს 312.17 მჰც -ს, ხოლო 433.92 მჰც რხევის სიხშირის პიკი 426.6 მჰც -ს.

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. გამოთვალეთ რეზონანსული წრის რხევის სიხშირე განტოლების გამოყენებით:

ფირფიტის რეზონანსული წრედის შეფასება უნდა შეიცავდეს პაკეტის პარაზიტულ ეფექტებს და განლაგებას, ხოლო პარაზიტული პარამეტრები არის შესაბამისად 7.3PF და 7.5PF შესაბამისად 315MHz რეზონანსული სიხშირის გამოთვლისას. გაითვალისწინეთ, რომ LC პროდუქტი წარმოადგენს ერთიან სიმძლავრეს.

მოკლედ რომ ვთქვათ, უნდა დაიცვან შემდეგი პრინციპები:

შეინარჩუნეთ ლიდერობა რაც შეიძლება მოკლედ.

განათავსეთ გასაღები სქემები მოწყობილობასთან რაც შეიძლება ახლოს.

ძირითადი კომპონენტები ანაზღაურდება ფაქტობრივი განლაგების პარაზიტიზმის მიხედვით.

დამიწების და შევსების მკურნალობა

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. ამ გზით ყველა ელექტრული ველის გათანაბრება წარმოქმნის კარგ დამცავ მექანიზმს.

პირდაპირი დენი ყოველთვის მიედინება დაბალი წინააღმდეგობის ბილიკზე. ანალოგიურად, მაღალი სიხშირის დენი უპირატესად მიედინება ყველაზე დაბალი წინააღმდეგობის მქონე ბილიკზე. 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).

როგორ ავიცილოთ თავიდან დეფექტები დაბეჭდილი დაფების PCB განლაგებაში

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. არ აურიოთ დამცავი მავთული ტყვიასთან, რომელიც შექმნილია დასაბრუნებელი მიმდინარე ბილიკის უზრუნველსაყოფად. ამ შეთანხმებას შეუძლია შემოიტანოს ჯვრისწერა.

როგორ ავიცილოთ თავიდან დეფექტები დაბეჭდილი დაფების PCB განლაგებაში

ნახ. 10. RF სისტემის დიზაინი თავიდან უნდა აიცილოს მცურავი სპილენძის მოპირკეთებული მავთულები, განსაკუთრებით იმ შემთხვევაში, თუ სპილენძის გარსია საჭირო.

სპილენძით მოპირკეთებული ტერიტორია დამიწებული (მცურავი) ან დასაბუთებული მხოლოდ ერთ ბოლოზეა, რაც ზღუდავს მის ეფექტურობას. 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. მოკლედ რომ ვთქვათ, თუ სპილენძის საფარი (არასამთავრობო წრიული სიგნალის გაყვანილობა) დაიდება მიკროსქემის დაფაზე, რათა უზრუნველყოს მოპირკეთების თანმიმდევრული სისქე. თავიდან უნდა იქნას აცილებული სპილენძით მოპირკეთებული ადგილები, რადგან ისინი გავლენას ახდენენ სქემის დიზაინზე.

დაბოლოს, დარწმუნდით, რომ განიხილეთ ანტენის მახლობლად ნებისმიერი მიწის ფართობის ეფექტი. ნებისმიერ მონოპოლურ ანტენას ექნება მიწის ნაკვეთი, გაყვანილობა და ხვრელები, როგორც სისტემის წონასწორობის ნაწილი, ხოლო არა იდეალური წონასწორობის გაყვანილობა გავლენას მოახდენს რადიაციის ეფექტურობაზე და ანტენის მიმართულებაზე (რადიაციული შაბლონი). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

მოკლედ რომ ვთქვათ, უნდა დაიცვან შემდეგი პრინციპები:

შეძლებისდაგვარად უზრუნველყოს უწყვეტი და დაბალი წინააღმდეგობის დამიწების ზონები.

შემავსებელი ხაზის ორივე ბოლო დამიწებულია და შეძლებისდაგვარად გამოიყენება ხვრელის მასივი.

არ ააფრქვიოთ სპილენძით მოპირკეთებული მავთული RF- ს წრესთან ახლოს, არ დადოთ სპილენძი RF წრის გარშემო.

თუ მიკროსქემის დაფა შეიცავს რამოდენიმე ფენას, უმჯობესია მიწა ჩაყაროს ხვრელში, როდესაც სიგნალის კაბელი გადადის ერთი მხრიდან მეორეზე.

გადაჭარბებული კრისტალური ტევადობა

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. აქედან გამომდინარე, უნდა დაიცვან ზოგადი მითითებები, რათა შემცირდეს ბროლის ქინძისთავების, ბალიშების, სადენების ან RF მოწყობილობებთან კავშირების გადაადგილების მოცულობა.

უნდა დაიცვან შემდეგი პრინციპები:

კრისტალსა და RF მოწყობილობას შორის კავშირი უნდა იყოს რაც შეიძლება მოკლე.

შეძლებისდაგვარად შეინახეთ გაყვანილობა ერთმანეთისგან.

თუ შუნტის პარაზიტული ტევადობა ძალიან დიდია, ამოიღეთ დამიწების რეგიონი კრისტალის ქვემოთ.

პლანარული გაყვანილობის ინდუქცია

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. ამიტომ, ყველაზე კონტროლირებადი და მაღალი Q ინდუქტორები ჭრილობის ტიპია. მეორეც, თქვენ შეგიძლიათ აირჩიოთ მრავალ ფენის კერამიკული ინდუქტორი, მრავალ ფენის ჩიპების კონდენსატორის მწარმოებლები ასევე უზრუნველყოფენ ამ პროდუქტს. მიუხედავად ამისა, ზოგიერთი დიზაინერი საჭიროების შემთხვევაში ირჩევს სპირალურ ინდუქტორებს. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

სად, a არის კოჭის საშუალო რადიუსი, ინჩებში; N არის ბრუნების რაოდენობა; C არის კოჭის ბირთვის სიგანე (როუტერი-გამრეცხი), ინჩში. როდესაც coil c “0.2a 11, გამოთვლის მეთოდის სიზუსტე 5%–ის ფარგლებშია.

კვადრატული, ექვსკუთხა ან სხვა ფორმის ერთ ფენის სპირალური ინდუქტორები შეიძლება გამოყენებულ იქნას. ძალიან კარგი მიახლოებები შეიძლება მოიძებნოს ინტეგრირებული წრიული ვაფლის პლანტარული ინდუქციის მოდელირებისთვის. ამ მიზნის მისაღწევად, ვილერის სტანდარტული ფორმულა შეცვლილია მცირე ზომის და კვადრატული ზომისთვის შესაფერისი სიბრტყის ინდუქციურობის შეფასების მეთოდის მისაღებად.

სად, ρ არის შევსების თანაფარდობა :; N არის ბრუნების რაოდენობა და dAVG არის საშუალო დიამეტრი:. კვადრატული ხვეულებისთვის, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

ბევრი მიზეზი არსებობს, რათა თავიდან ავიცილოთ ამ ტიპის ინდუქტორი, რაც ჩვეულებრივ იწვევს სივრცის შეზღუდვის გამო ინდუქციურობის მნიშვნელობების შემცირებას. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. გარდა ამისა, ფაქტობრივი ინდუქციურობის მნიშვნელობების კონტროლი ძნელია PCB წარმოების დროს, ხოლო ინდუქციურობა ასევე ახასიათებს ხმაურის შეერთებას მიკროსქემის სხვა ნაწილებთან.