Өнеркәсіптік, ғылыми және медициналық радиожиілік (ISM-RF) өнімдерін қолданудың көптеген жағдайлары көрсетеді баспа платасы бұл өнімдердің орналасуы әр түрлі ақауларға бейім.Адамдар жиі бір IC екі түрлі тақтаға орнатылғанын біледі, өнімділік көрсеткіштері айтарлықтай өзгеше болады. 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. Бұл мақалада fr-4 диэлектрикі, қалыңдығы 0.0625 дюймдік екі қабатты ПХД мысал ретінде, схеманың жерге тұйықталуы. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Индуктивтілік бағыты

Екі индуктор (немесе тіпті екі ПХД желісі) бір -біріне жақын болған кезде өзара индуктивтілік пайда болады. 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:

Мұндағы, YB – В тізбегіне енгізілген қателік кернеуі, IA – А тізбегіне әсер ететін ток 1. LM тізбектер арасындағы интервалға, индуктивтілік циклінің аймағына (яғни магниттік ағынға) және ілмек бағытына өте сезімтал. 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. Осы мақсатта, бір -біріне мүмкіндігінше перпендикуляр, төмен қуатты FSK супергетеродинді қабылдағышты бағалау (EV) тақтасының схемасын қараңыз (MAX7042EVKIT) (2 -сурет). 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.

Сурет 2. ПХД екі түрлі орналасуы көрсетілген, олардың бірінде элементтері дұрыс емес бағытта орналасқан (L1 және L3), ал екіншісі қолайлы.

Қорытындылай келе, келесі принциптерді сақтау қажет:

Индуктивтілік аралығы мүмкіндігінше алыс болуы керек.

Индукторлар арасындағы қиылысуды азайту үшін индукторлар тік бұрыштарда орналасқан.

Іліністі басқарыңыз

Индукторлардың бағытталуы магниттік байланысқа әсер ететіні сияқты, егер сымдар бір -біріне тым жақын болса, муфтаның әсері де болады. Мұндай орналасу мәселесі өзара сезім деп аталатын нәрсені тудырады. РЖ тізбегінің ең көп мазалайтын мәселелерінің бірі – жүйенің сезімтал бөліктерінің сымдары, мысалы кірісті сәйкестендіру желісі, қабылдағыштың резонанстық арнасы, таратқыштың антеннаны сәйкестендіру желісі.

Радиациялық магнит өрісін азайту үшін кері ток жолы негізгі ток жолына мүмкіндігінше жақын болуы керек. This arrangement helps to reduce the current loop area. Кері ток үшін идеалды төмен қарсылық жолы әдетте сымның астындағы жер аймағы болып табылады – диэлектриктің қалыңдығы сымның ұзындығына көбейтілетін аймаққа ілмек аймағын тиімді түрде шектейді. Алайда, егер жер аймағы бөлінсе, ілмек аймағы ұлғаяды (3 -сурет). 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.

3 -сурет. Толық көлемді жерге тұйықтау жүйенің жұмысын жақсартуға көмектеседі

Нақты индуктор үшін қорғасын бағыты магнит өрісінің қосылуына да айтарлықтай әсер етеді. Егер сезімтал тізбектің сымдары бір -біріне жақын болуы керек болса, онда іліністі азайту үшін сымдарды тігінен туралаған дұрыс (4 -сурет). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Қорғаныс сымының конструкциясын білу үшін төмендегі жерге қосу мен толтыруды өңдеу бөлімін қараңыз.

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.

Сезімтал сымдар тігінен орналасуы керек.

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

Grounding via

РЖ тізбегінің орналасуының негізгі мәселесі әдетте тізбек компоненттері мен олардың өзара байланысын қоса алғанда, тізбектің оптималды сипаттамалық кедергісі болып табылады. Жіңішке мыс қаптамасы бар қорғасын индуктивті сымға тең және жақын жерде басқа сымдармен бөлінген сыйымдылықты құрайды. Қорғасын саңылаудан өткенде индуктивтілік пен сыйымдылық қасиеттерін де көрсетеді.

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. Паразиттік сыйымдылықтың әсері әдетте шамалы және әдетте тек жоғары жылдамдықты цифрлық сигналдардың өзгеруіне әкеледі (бұл мақалада талқыланбаған).

Өткізгіштің ең үлкен әсері-сәйкес байланыс режимінен туындаған паразиттік индуктивтілік. 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 – тесік диаметрі, дюйм 2.

Баспа тақталарының ПХД орналасуында әр түрлі ақауларды болдырмау

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. Идеалды айналып өтетін конденсаторлар жеткізу аймағы мен қабат арасындағы жоғары жиілікті қысқа тұйықталуды қамтамасыз етеді, бірақ саңылаулар идеалды емес, қабат пен қоректену аймағы арасындағы сезімталдығы төмен жолға әсер етуі мүмкін. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. ISM-RF өнімінің нақты жұмыс жиілігін ескере отырып, тесіктер резонанстық арналар тізбектері, сүзгілер және сәйкес келетін желілер сияқты сезімтал тізбектерге теріс әсер етуі мүмкін.

Басқа проблемалар туындайды, егер сезімтал тізбектер саңылауларды, мысалы, қос қолды π типті желі. Мысалы, түйінделген индуктивтілікке эквивалентті саңылауды орналастыру арқылы эквивалентті схема схеманың бастапқы конструкциясынан айтарлықтай ерекшеленеді (6 -сурет). As with crosstalk of common current path 3, resulting in increased mutual inductance, increased crosstalk and feed-through.

How to avoid PCB design problems

Сурет 6. Идеалды және идеалды емес архитектурада схемада әлеуетті «сигнал жолдары» бар.

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.

Сымның ұзындығы

Maxim ISM-RF өнімінің мәліметтері шығындар мен сәулеленуді азайтуға мүмкіндік беретін қысқа жиілікті кіріс пен шығыс жолдарын қолдануды ұсынады. Екінші жағынан, мұндай жоғалтулар әдетте идеалды емес паразиттік параметрлерден туындайды, сондықтан паразиттік индуктивтілік те, сыйымдылық та тізбектің орналасуына әсер етеді, ал мүмкіндігінше қысқа өткізгішті қолдану паразиттік параметрлерді төмендетуге көмектеседі. 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. 20nH индукторы мен 3pF конденсаторы бар LAN/ миксер тізбегі үшін тізбек пен компоненттердің орналасуы өте ықшам болған кезде тиімді компонент мәні қатты әсер етеді.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Бұл құжат 2003 жылы IPC-2251 5-ке ауыстырылды, ол әр түрлі ПХД сымдарын есептеудің дәл әдісін ұсынады. 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:

Формулада εr – диэлектриктің диэлектрлік тұрақтысы, h – қорғасынның қабаттан биіктігі, W – өткізгіштің ені, ал Т – қорғасынның қалыңдығы (7 -сурет). W/сағ 0.1 мен 2.0 аралығында, ал εr 1 мен 15 аралығында болғанда, бұл формуланың есептеу нәтижелері өте дәл болады.

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. Бұл мысалда біз адасқан сыйымдылық пен индуктивтілікті қарастырамыз. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Сол сияқты сипаттамалық индуктивтілікті жоғарыдағы теңдеудің көмегімен теңдеуден есептеуге болады:

Мысалы, ПХД қалыңдығы 0.0625ин. (h = 62.5 миль), 1 унция мыс қапталған қорғасын (t = 1.35 миль), 0.01ин. (w = 10 миль), және FR-4 тақтасы. Назар аударыңыз, FR-4 ε R әдетте 4.35 фарад/м (F/m), бірақ 4.0F/m-4.7F/m аралығында болуы мүмкін. Бұл мысалда есептелген меншікті мәндер Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

AN ISM-RF конструкциясы үшін тақтадағы сымдардың ұзындығы 12.7 мм (0.5 дюйм) шамамен 0.5pF және 9.3nH паразиттік параметрлерді шығара алады (8-сурет). Бұл деңгейдегі паразиттік параметрлердің қабылдағыштың резонанстық каналына әсері (LC өнімінің өзгеруі) 315МГц ± 2% немесе 433.92мГц ± 3.5% вариацияға әкелуі мүмкін. Қорғасынның паразиттік әсерінен туындаған қосымша сыйымдылық пен индуктивтіліктің арқасында 315МГц тербеліс жиілігінің шыңы 312.17мГц -ке, ал 433.92мГц тербеліс жиілігінің шыңы 426.6мГц -ке жетеді.

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. Резонанстық тізбектің тербеліс жиілігін мына теңдеу арқылы есептеңдер:

Пластинаның резонанстық схемасын бағалау пакеттің және орналасудың паразиттік әсерлерін қамтуы тиіс, ал 7.3МГц резонансты жиілікті есептегенде паразиттік параметрлер сәйкесінше 7.5PF және 315PF құрайды. LC өнімі жинақталған сыйымдылықты білдіретінін ескеріңіз.

Қорытындылау үшін келесі принциптерді сақтау қажет:

Жетекшіні мүмкіндігінше қысқа ұстаңыз.

Кілт тізбектерін құрылғыға мүмкіндігінше жақын орналастырыңыз.

Негізгі компоненттер паразитизмнің нақты орналасуына сәйкес өтеледі.

Жерге қосу және толтыру

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Барлық электр өрістерін осылайша теңестіру жақсы қорғаныш механизмін шығарады.

Тұрақты ток әрқашан төмен қарсылықпен жүреді. Дәл осылай, жоғары жиілікті ток ең төменгі кедергісі бар жолмен өтеді. 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).

Баспа тақталарының ПХД орналасуында әр түрлі ақауларды болдырмау

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. Қорғаныс сымын қайтару ток жолын қамтамасыз етуге арналған сыммен араластырмаңыз. Бұл келісім қиылысуды енгізе алады.

Баспа тақталарының ПХД орналасуында әр түрлі ақауларды болдырмау

ІНЖІР. 10. РЖ жүйесі конструкциясы жүзбелі мыс қапталған сымдардан аулақ болуы керек, әсіресе мыс қаптамасы қажет болса.

Мыс қапталған аймақ жерге тұйықталмайды (қалқымалы) немесе жерге тұйықталмайды, бұл оның тиімділігін шектейді. 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. Қысқаша айтқанда, егер дәнекерлеу тақтасына дәнекерлеу қалыңдығын қамтамасыз ету үшін мыс қаптамасының бөлігі (тізбекті емес сигнал сымдары) салынса. Мыс қапталған жерлерден аулақ болу керек, себебі олар конструкцияға әсер етеді.

Ақырында, антеннаға жақын кез келген жердің әсерін ескеруді ұмытпаңыз. Кез келген монополиялық антеннаның жүйелік тепе-теңдіктің бөлігі ретінде жердегі сымдары мен тесіктері болады, ал идеалды емес тепе-теңдік сымдары радиацияның тиімділігіне және антеннаның бағытына әсер етеді (радиациялық шаблон). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Қорытындылай келе, келесі принциптерді сақтау қажет:

Мүмкіндігінше үздіксіз және төмен қарсылықты жерге қосу аймақтарын қамтамасыз етіңіз.

Толтыру желісінің екі ұшы да жерге тұйықталған және мүмкіндігінше тесік массиві қолданылады.

РЖ тізбегінің жанында мыс қапталған сымды қалқып жүрмеңіз, мыс тізбегінің айналасына қоймаңыз.

Егер тізбекте бірнеше қабаттар болса, сигнал кабелі бір жағынан екінші жаққа өткенде, тесік арқылы жер төсеген дұрыс.

Шамадан тыс кристалды сыйымдылық

Паразиттік сыйымдылық кристалл жиілігінің 9 мәнінен ауытқуына әкеледі. Сондықтан кристалды түйреуіштердің, жастықтардың, сымдардың немесе РЖ құрылғыларына қосылудың сыйымдылығын төмендету үшін кейбір жалпы нұсқауларды орындау қажет.

Келесі принциптерді сақтау қажет:

Кристалл мен РЖ құрылғысы арасындағы байланыс мүмкіндігінше қысқа болуы керек.

Сымдарды бір -бірінен мүмкіндігінше алыс ұстаңыз.

Егер шунт паразиттік сыйымдылығы тым үлкен болса, кристалдың астындағы жерге тұйықтау аймағын алып тастаңыз.

Жазықтық сымдардың индуктивтілігі

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. Сондықтан басқарылатын және жоғары Q индукторларының көпшілігі жара түріне жатады. Екіншіден, сіз көп қабатты керамикалық индукторды таңдай аласыз, көп қабатты чипті конденсатор өндірушілері де осы өнімді ұсынады. Соған қарамастан, кейбір дизайнерлер қажет болғанда спиральды индукторларды таңдайды. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Мұндағы, a – катушканың орташа радиусы, дюйммен; N – бұрылыстар саны; C-катушка өзегінің ені (маршрутизатор-риннер), дюйммен. Кезде катушка c “0.2a 11, есептеу әдісінің дәлдігі 5%шегінде.

Квадрат, алты қырлы немесе басқа пішіндердің бір қабатты спиральды индукторларын қолдануға болады. Интегралды схемалы пластиналардағы жазықтық индуктивтілікті модельдеу үшін өте жақсы жуықтауларды табуға болады. Бұл мақсатқа жету үшін кішігірім өлшемі мен шаршы өлшемі 12 үшін қолайлы жазықтық индуктивтілігін бағалау әдісін алу үшін Wheeler стандартты формуласы өзгертіледі.

Мұндағы, ρ – толтыру коэффициенті :; N – бұрылыстар саны, ал dAVG – орташа диаметрі:. Квадрат спираль үшін K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Индуктивтіліктің бұл түрін пайдаланудан аулақ болудың көптеген себептері бар, бұл әдетте кеңістік шектеулеріне байланысты индуктивтілік мәндерінің төмендеуіне әкеледі. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Сонымен қатар, индуктивтіліктің нақты мәндерін ПХД өндіру кезінде бақылау қиын, ал индуктивтілік сонымен қатар тізбектің басқа бөліктеріне шуды қосады.