Daugybė pramoninių, mokslinių ir medicininių radijo dažnių (ISM-RF) produktų taikymo atvejų rodo, kad spausdintinė plokštė šių gaminių išdėstymas yra linkęs į įvairius defektus.Žmonės dažnai pastebi, kad tas pats IC, sumontuotas dviejose skirtingose ​​plokštėse, našumo rodikliai bus žymiai skirtingi. 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. Šiame dokumente, pavyzdžiui, fr-4 dielektrinis, 0.0625 colio storio dvigubo sluoksnio PCB, plokštės įžeminimas. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Induktyvumo kryptis

Kai du induktoriai (ar net dvi PCB linijos) yra arti vienas kito, atsiras abipusis induktyvumas. 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:

Kur YB yra klaidos įtampa, įpurškiama į B grandinę, IA yra srovė 1, veikianti A grandinę. LM yra labai jautrus grandinių tarpus, induktyvumo kilpos sritį (ty magnetinį srautą) ir kilpos kryptį. 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. Norėdami tai padaryti, kuo statmeniau vienas kitam, žiūrėkite mažos galios FSK superheterodino imtuvo vertinimo (EV) plokštės (MAX7042EVKIT) grandinės schemą (2 pav.). 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.

2 paveikslas. Parodyti du skirtingi PCB išdėstymai, kurių vieno elementai išdėstyti neteisinga kryptimi (L1 ir L3), o kitas yra tinkamesnis.

Apibendrinant reikia laikytis šių principų:

Atstumas tarp induktyvumo turėtų būti kuo didesnis.

Induktoriai yra išdėstyti stačiu kampu, kad būtų sumažintas susiliejimas tarp induktorių.

Vedkite movą

Kaip induktorių orientacija įtakoja magnetinę jungtį, taip ir jungtis, jei laidai yra per arti vienas kito. Tokia išdėstymo problema taip pat sukelia vadinamąjį abipusį pojūtį. Viena iš labiausiai rūpimų RF grandinės problemų yra jautrių sistemos dalių, tokių kaip įvesties atitikimo tinklas, rezonansinis imtuvo kanalas, siųstuvo antenos tinklas ir kt., Laidų prijungimas.

Grįžtamoji srovė turi būti kuo arčiau pagrindinio srovės kelio, kad radiacijos magnetinis laukas būtų kuo mažesnis. This arrangement helps to reduce the current loop area. Idealus mažo pasipriešinimo kelias grįžtamai srovei paprastai yra įžeminimo sritis žemiau švino – efektyviai apriboja kilpos plotą iki srities, kurioje dielektriko storis padauginamas iš laido ilgio. Tačiau, jei žemės sritis yra padalinta, kilpos plotas padidėja (3 pav.). 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 pav. Visiškas didelio ploto įžeminimas padeda pagerinti sistemos veikimą

Tikrojo induktoriaus atveju švino kryptis taip pat turi didelį poveikį magnetinio lauko jungčiai. Jei jautrios grandinės laidai turi būti arti vienas kito, geriausia išlyginti laidus vertikaliai, kad sumažėtų jungtis (4 pav.). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Apsauginės vielos konstrukcijos ieškokite žemiau esančiame įžeminimo ir užpildymo apdorojimo skyriuje.

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

Pagrindinė RF grandinės išdėstymo problema paprastai yra neoptimali charakteristinė grandinės varža, įskaitant grandinės komponentus ir jų jungtis. Švinas su plona vario danga yra lygiavertis induktyvumo vielai ir sudaro paskirstytą talpą su kitais netoliese esančiais laidais. Švinas taip pat pasižymi induktyvumo ir talpos savybėmis, kai eina per skylę.

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. Parazitinės talpos poveikis paprastai yra nedidelis ir paprastai sukelia tik greitųjų skaitmeninių signalų briaunų skirtumus (apie tai šiame dokumente nekalbama).

Didžiausias skylės poveikis yra parazitinis induktyvumas, kurį sukelia atitinkamas sujungimo būdas. 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 yra skylės skersmuo 2 coliais.

Kaip išvengti įvairių spausdintų plokščių PCB išdėstymo defektų

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. Idealūs aplinkkelio kondensatoriai užtikrina aukšto dažnio trumpąjį jungimą tarp tiekimo zonos ir formavimo, tačiau ne idealios pralaidumo angos gali paveikti mažo jautrumo kelią tarp formavimo ir tiekimo zonos. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Atsižvelgiant į specifinį ISM-RF gaminio veikimo dažnį, skylės gali neigiamai paveikti jautrias grandines, tokias kaip rezonansinių kanalų grandinės, filtrai ir tinkantys tinklai.

Kitos problemos kyla, jei jautrios grandinės turi bendras skyles, pvz., Dvi π tipo tinklo svirtis. Pavyzdžiui, įdėjus idealią skylę, prilygstančią vienkartinei induktyvumui, lygiavertė schema visiškai skiriasi nuo pradinės schemos (6 pav.). As with crosstalk of common current path 3, resulting in increased mutual inductance, increased crosstalk and feed-through.

How to avoid PCB design problems

6 pav. Idealios ir ne idealios architektūros, grandinėje yra potencialių „signalo takų“.

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.

Švino ilgis

„Maxim ISM-RF“ produkto duomenys dažnai rekomenduoja naudoti kuo trumpesnius aukšto dažnio įvesties ir išvesties laidus, kad būtų sumažinti nuostoliai ir radiacija. Kita vertus, tokius nuostolius dažniausiai sukelia ne idealūs parazitiniai parametrai, todėl tiek parazitinė induktyvumas, tiek talpa turi įtakos grandinės išdėstymui, o naudojant kuo trumpesnį laidą, galima sumažinti parazitinius parametrus. 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. Jei LAN/ maišytuvo grandinė su 20nH induktoriumi ir 3pF kondensatoriumi, efektyvi komponento vertė bus labai paveikta, kai grandinė ir komponentų išdėstymas yra labai kompaktiški.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Šis dokumentas 2003 m. Pakeistas IPC-2251 5, kuris suteikia tikslesnį įvairių PCB laidų skaičiavimo metodą. 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:

Formulėje εr yra dielektriko dielektrinė konstanta, h yra švino aukštis nuo sluoksnio, W yra švino plotis ir T yra švino storis (7 pav.). Kai w/h yra nuo 0.1 iki 2.0, o εr yra nuo 1 iki 15, šios formulės skaičiavimo rezultatai yra gana tikslūs.

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. Šiame pavyzdyje aptariame klaidingą talpą ir induktyvumą. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Panašiai būdingą induktyvumą galima apskaičiuoti iš lygties, naudojant aukščiau pateiktą lygtį:

Pavyzdžiui, tarkime, kad PCB storis yra 0.0625 colio. (h = 62.5 mil.), 1 uncija variu padengto švino (t = 1.35 mil), 0.01 colio. (w = 10 mil) ir FR-4 lentą. Atkreipkite dėmesį, kad FR-4 ε R paprastai yra 4.35 farad/m (F/m), tačiau gali svyruoti nuo 4.0 F/m iki 4.7 F/m. Šiame pavyzdyje apskaičiuotos savybės yra Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

AN ISM-RF konstrukcijoje 12.7 mm (0.5 colio) laidų išdėstymo ilgis ant plokštės gali sukelti maždaug 0.5 pF ir 9.3 nH parazitinius parametrus (8 pav.). Šio lygio parazitinių parametrų poveikis rezonansiniam imtuvo kanalui (LC produkto kitimas) gali sukelti 315MHz ± 2% arba 433.92 MHz ± 3.5% kitimą. Dėl papildomos talpos ir induktyvumo, kurį sukelia parazitinis švino poveikis, 315MHz virpesių dažnio pikas pasiekia 312.17 MHz, o 433.92 MHz virpesių dažnio pikas – 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; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Apskaičiuokite rezonansinės grandinės virpesių dažnį naudodami lygtį:

Plokštelės rezonansinės grandinės įvertinimas turėtų apimti pakuotės ir išdėstymo parazitinį poveikį, o skaičiuojant 7.3MHz rezonansinį dažnį parazitiniai parametrai yra atitinkamai 7.5PF ir 315PF. Atkreipkite dėmesį, kad LC produktas reiškia vienkartinę talpą.

Apibendrinant reikia laikytis šių principų:

Laikykite laidą kuo trumpesnį.

Padėkite raktų grandines kuo arčiau įrenginio.

Pagrindiniai komponentai kompensuojami pagal faktinį išdėstymo parazitavimą.

Įžeminimo ir užpildymo apdorojimas

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Tokiu būdu išlyginant visus elektrinius laukus gaunamas geras ekranavimo mechanizmas.

Nuolatinė srovė visada linkusi tekėti mažo pasipriešinimo keliu. Tuo pačiu būdu aukšto dažnio srovė pirmiausia teka mažiausios varžos keliu. 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).

Kaip išvengti įvairių spausdintų plokščių PCB išdėstymo defektų

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. Nemaišykite apsauginio laido su laidu, skirtu užtikrinti grįžtamąją srovę. Šis susitarimas gali įvesti kryžminį pokalbį.

Kaip išvengti įvairių spausdintų plokščių PCB išdėstymo defektų

Fig. 10. RF sistemos konstrukcija turėtų vengti plūduriuojančių vario plakiruotų laidų, ypač jei reikia vario apvalkalo.

Variu dengta zona nėra įžeminta (plaukiojanti) arba įžeminta tik iš vieno galo, o tai riboja jos efektyvumą. 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. Trumpai tariant, jei vario apvalkalo gabalas (ne grandinės signalo laidai) yra uždėtas ant plokštės, kad būtų užtikrintas pastovus dengimo storis. Reikėtų vengti variu dengtų vietų, nes jos turi įtakos grandinės konstrukcijai.

Galiausiai būtinai atsižvelkite į bet kokios žemės, esančios šalia antenos, poveikį. Bet kurios monopolinės antenos sistemos pusiausvyros dalis bus įžeminimo sritis, laidai ir skylės, o ne idealios pusiausvyros laidai paveiks antenos spinduliuotės efektyvumą ir kryptį (radiacijos šablonas). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Apibendrinant reikia laikytis šių principų:

Kiek įmanoma, užtikrinkite nuolatines ir mažo pasipriešinimo įžeminimo zonas.

Abu pildymo linijos galai yra įžeminti, ir, kiek įmanoma, naudojama skylių masyvas.

Neplaukite varine plakiruota viela šalia RF grandinės, nedėkite vario aplink RF grandinę.

Jei plokštėje yra keli sluoksniai, geriausia nutiesti žemę per skylę, kai signalo kabelis pereina iš vienos pusės į kitą.

Per didelė kristalų talpa

Dėl parazitinės talpos kristalų dažnis nukryps nuo tikslinės vertės 9. Todėl reikia laikytis kai kurių bendrų gairių, kad sumažintumėte kristalų kaiščių, trinkelių, laidų ar jungčių prie radijo dažnių įtaisų pralaidumą.

Reikėtų laikytis šių principų:

Ryšys tarp kristalo ir RF įrenginio turi būti kuo trumpesnis.

Laikykite laidus kuo toliau vienas nuo kito.

Jei šunto parazitinė talpa yra per didelė, pašalinkite įžeminimo sritį žemiau kristalo.

Plokščias laidų induktyvumas

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. Todėl dauguma kontroliuojamų ir didelio Q induktorių yra žaizdų tipo. Antra, galite pasirinkti daugiasluoksnį keraminį induktorių, daugiasluoksnių lustinių kondensatorių gamintojai taip pat pateikia šį produktą. Nepaisant to, kai kurie dizaineriai pasirenka spiralinius induktorius, kai to reikia. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Kur, a yra vidutinis ritės spindulys, coliais; N yra apsisukimų skaičius; C yra ritės šerdies plotis (maršrutizatorius-rinner), coliais. Kai ritė c “0.2a 11, skaičiavimo metodo tikslumas yra 5%.

Galima naudoti vieno sluoksnio spiralines kvadratinių, šešiakampių ar kitų formų induktorius. Galima rasti labai gerų apytikslių plokštuminės induktyvumo modeliavimo integruotų grandinių plokštelėse. Siekiant šio tikslo, standartinė „Wheeler“ formulė modifikuojama taip, kad būtų gautas plokštumos induktyvumo įvertinimo metodas, tinkantis mažam ir kvadrato dydžiui 12.

Kur ρ yra užpildymo santykis :; N yra apsisukimų skaičius, o dAVG – vidutinis skersmuo:. Kvadratiniams sraigtams K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Yra daug priežasčių, dėl kurių reikėtų vengti naudoti tokio tipo induktorius, dėl kurių paprastai sumažėja induktyvumo vertės dėl erdvės apribojimų. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Be to, faktines induktyvumo vertes sunku kontroliuoti gaminant PCB, o induktyvumas taip pat linkęs susieti triukšmą su kitomis grandinės dalimis.