Daudzi rūpniecisko, zinātnisko un medicīnisko radiofrekvenču (ISM-RF) izstrādājumu lietošanas gadījumi liecina, ka drukātās shēmas plate šo izstrādājumu izkārtojums ir pakļauts dažādiem defektiem.Cilvēki bieži atklāj, ka viena un tā pati IC, kas uzstādīta uz divām dažādām shēmas plates, darbības rādītāji būs ievērojami atšķirīgi. 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. Šajā rakstā, piemēram, fr-4 dielektriķis, 0.0625 collu biezs divslāņu PCB, shēmas plates zemējums. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Induktivitātes virziens

Kad divi induktori (vai pat divas PCB līnijas) atrodas tuvu viens otram, rodas savstarpēja induktivitāte. 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 ir kļūdas spriegums, kas ievadīts ķēdē B, IA ir strāva 1, kas iedarbojas uz A ķēdi. 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. Šim nolūkam, cik vien iespējams perpendikulāri viens otram, lūdzu, skatiet mazjaudas FSK superheterodīna uztvērēja novērtēšanas (EV) plates (MAX7042EVKIT) shēmas shēmu (2. attēls). 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. attēls. Tiek parādīti divi dažādi PCB izkārtojumi, no kuriem vienā elementi ir sakārtoti nepareizā virzienā (L1 un L3), bet otrs ir piemērotāks.

Apkopojot, ir jāievēro šādi principi:

Atstatumam starp induktivitāti jābūt pēc iespējas lielākam.

Induktori ir izvietoti taisnā leņķī, lai samazinātu pārrāvumu starp induktoriem.

Vadiet sakabi

Tāpat kā induktoru orientācija ietekmē magnētisko savienojumu, tā arī sakabe, ja vadi atrodas pārāk tuvu viens otram. Šāda veida izkārtojuma problēma rada arī tā saukto savstarpējo sajūtu. Viena no visvairāk uztrauktajām RF shēmas problēmām ir jutīgu sistēmas daļu, piemēram, ievades saskaņošanas tīkla, uztvērēja rezonanses kanāla, raidītāja antenas atbilstības tīkla, vadu savienošana utt.

Atgriešanās strāvas ceļam jābūt pēc iespējas tuvāk galvenajam strāvas ceļam, lai samazinātu starojuma magnētisko lauku. This arrangement helps to reduce the current loop area. Ideāls zemas pretestības ceļš atgriešanās strāvai parasti ir zemes apgabals zem svina – efektīvi ierobežo cilpas laukumu līdz reģionam, kur dielektriķa biezums tiek reizināts ar vadu garumu. Tomēr, ja zemes reģions ir sadalīts, cilpas laukums palielinās (3. attēls). 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. attēls. Pilnīga zemējuma zemēšana palīdz uzlabot sistēmas darbību

Faktiskajam induktoram svina virzienam ir arī būtiska ietekme uz magnētiskā lauka savienojumu. Ja jutīgas ķēdes vadiem jābūt tuvu viens otram, vislabāk ir izlīdzināt vadus vertikāli, lai samazinātu savienojumu (4. attēls). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Aizsardzības vadu konstrukcijai, lūdzu, skatiet zemējuma un zemējuma apstrādes sadaļu zemāk.

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

Galvenā RF shēmas izkārtojuma problēma parasti ir ķēdes neoptimālā raksturīgā pretestība, ieskaitot ķēdes komponentus un to savienojumus. Svins ar plānu vara pārklājumu ir līdzvērtīgs induktivitātes vadam un veido sadalītu kapacitāti ar citiem tuvumā esošajiem vadiem. Svinam ir arī induktivitātes un kapacitātes īpašības, kad tas iet caur caurumu.

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. Parazitārās kapacitātes ietekme parasti ir maza un parasti izraisa tikai ātrgaitas digitālo signālu malas (kas šajā rakstā nav aplūkots).

Lielākais cauruma efekts ir parazītiskā induktivitāte, ko izraisa atbilstošais starpsavienojuma režīms. 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 ir cauruma diametrs collās 2.

Kā izvairīties no dažādiem defektiem iespiesto plākšņu PCB izkārtojumā

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. Ideāli apvedceļa kondensatori nodrošina augstfrekvences īssavienojumus starp piegādes zonu un veidojumu, bet neideāli caurumi var ietekmēt zemas jutības ceļu starp veidojumu un piegādes zonu. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Ņemot vērā ISM-RF produkta specifisko darbības frekvenci, caurumi var nelabvēlīgi ietekmēt jutīgas shēmas, piemēram, rezonējošās kanālu shēmas, filtrus un atbilstošos tīklus.

Citas problēmas rodas, ja jutīgām ķēdēm ir kopīgi caurumi, piemēram, abām π tipa tīkla grupām. Piemēram, ievietojot ideālu caurumu, kas līdzvērtīgs vienreizējai induktivitātei, līdzvērtīga shēma ir diezgan atšķirīga no sākotnējās shēmas konstrukcijas (6. att.). 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. attēls. Ideāla pret neideālu arhitektūru, ķēdē ir potenciāli “signāla ceļi”.

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.

Svina garums

Maxim ISM-RF produktu dati bieži iesaka izmantot pēc iespējas īsākus augstfrekvences ieejas un izejas vadus, lai samazinātu zudumus un starojumu. No otras puses, šādus zaudējumus parasti izraisa neideāli parazītu parametri, tāpēc gan parazitārā induktivitāte, gan kapacitāte ietekmē ķēdes izkārtojumu, un pēc iespējas īsāka svina izmantošana palīdz samazināt parazītiskos 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. LAN/ maisītāja ķēdei ar 20nH induktoru un 3pF kondensatoru efektīvā komponenta vērtība tiks ievērojami ietekmēta, ja ķēde un komponentu izkārtojums ir ļoti kompakti.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Šo dokumentu 2003. gadā aizstāja ar IPC-2251 5, kas nodrošina precīzāku aprēķinu metodi dažādiem PCB vadiem. 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:

Formulā εr ir dielektriķa dielektriskā konstante, h ir svina augstums no slāņa, W ir svina platums un T ir svina biezums (7. att.). Ja w/h ir no 0.1 līdz 2.0 un εr ir no 1 līdz 15, šīs formulas aprēķina rezultāti ir diezgan precīzi.

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. Šajā piemērā mēs apspriežam klaiņojošo kapacitāti un induktivitāti. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Līdzīgi raksturīgo induktivitāti var aprēķināt no vienādojuma, izmantojot iepriekš minēto vienādojumu:

Piemēram, pieņemiet, ka PCB biezums ir 0.0625 collas. (h = 62.5 mil), 1 unce ar varu pārklāts svins (t = 1.35 mil), 0.01 collas. (w = 10 mil) un FR-4 tāfele. Ņemiet vērā, ka FR-4 ε R parasti ir 4.35 farad/m (F/m), bet var svārstīties no 4.0 F/m līdz 4.7 F/m. Šajā piemērā aprēķinātās īpašvērtības ir Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

AN ISM-RF konstrukcijai 12.7 mm (0.5 collas) vadu izkārtojuma garums uz tāfeles var radīt parazitārus parametrus aptuveni 0.5 pF un 9.3 nH (8. attēls). Parazītu parametru ietekme šajā līmenī uz uztvērēja rezonējošo kanālu (LC produkta variācija) var izraisīt 315MHz ± 2% vai 433.92 MHz ± 3.5% variāciju. Sakarā ar papildu kapacitāti un induktivitāti, ko izraisa svina parazitārā iedarbība, 315 MHz svārstību frekvences maksimums sasniedz 312.17 MHz, bet 433.92 MHz svārstību frekvences maksimums sasniedz 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. Aprēķiniet rezonanses ķēdes svārstību frekvenci, izmantojot vienādojumu:

Plāksnes rezonanses ķēdes novērtējumā jāiekļauj iepakojuma un izkārtojuma parazitārie efekti, un, aprēķinot 7.3 MHz rezonanses frekvenci, parazītiskie parametri ir attiecīgi 7.5PF un 315PF. Ņemiet vērā, ka LC produkts apzīmē vienotu kapacitāti.

Apkopojot, ir jāievēro šādi principi:

Saglabājiet vadu pēc iespējas īsāku.

Novietojiet atslēgu ķēdes pēc iespējas tuvāk ierīcei.

Galvenās sastāvdaļas tiek kompensētas atbilstoši faktiskajam izkārtojuma parazītismam.

Zemējuma un uzpildes apstrāde

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Šādi izlīdzinot visus elektriskos laukus, tiek iegūts labs ekranēšanas mehānisms.

Līdzstrāva vienmēr mēdz plūst pa zemas pretestības ceļu. Tādā pašā veidā augstfrekvences strāva galvenokārt plūst caur ceļu ar zemāko pretestību. 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).

Kā izvairīties no dažādiem defektiem iespiesto plākšņu PCB izkārtojumā

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. Nejauciet aizsarga vadu ar vadu, kas paredzēts atgriešanās strāvas nodrošināšanai. Šis izkārtojums var ieviest šķērsruna.

Kā izvairīties no dažādiem defektiem iespiesto plākšņu PCB izkārtojumā

FIG. 10. RF sistēmas konstrukcijai jāizvairās no peldošiem vara pārklātiem vadiem, it īpaši, ja ir nepieciešams vara apvalks.

Vara pārklājuma laukums nav iezemēts (peldošs) vai iezemēts tikai vienā galā, kas ierobežo tā efektivitāti. 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. Īsāk sakot, ja uz shēmas plates ir uzlikts vara apšuvuma gabals (bez ķēdes signāla elektroinstalācija), lai nodrošinātu vienmērīgu pārklājuma biezumu. Jāizvairās no vietām, kas pārklātas ar varu, jo tās ietekmē ķēdes dizainu.

Visbeidzot, noteikti apsveriet jebkuras zemes virsmas ietekmi antenas tuvumā. Jebkurai monopola antenai sistēmas līdzsvara ietvaros būs zemes apgabals, vadi un caurumi, un neideāli līdzsvara vadi ietekmēs antenas starojuma efektivitāti un virzienu (starojuma veidne). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Apkopojot, ir jāievēro šādi principi:

Nodrošiniet nepārtrauktas un zemas pretestības zemējuma zonas, cik vien iespējams.

Abi uzpildes līnijas gali ir iezemēti, un, cik vien iespējams, tiek izmantots caurumu bloks.

Nepludiniet vara pārklājumu ar vadu RF ķēdes tuvumā, nelieciet varu ap RF ķēdi.

Ja shēmas plates sastāvā ir vairāki slāņi, vislabāk ir ielikt zemi caurumā, kad signāla kabelis iet no vienas puses uz otru.

Pārmērīga kristāla kapacitāte

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Tāpēc ir jāievēro daži vispārīgi norādījumi, lai samazinātu kristāla tapas, spilventiņus, vadus vai savienojumus ar RF ierīcēm.

Jāievēro šādi principi:

Savienojumam starp kristālu un RF ierīci jābūt pēc iespējas īsākam.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Ja šunta parazitārā kapacitāte ir pārāk liela, noņemiet zemējuma zonu zem kristāla.

Plakanā elektroinstalācijas induktivitāte

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. Tāpēc lielākā daļa kontrolēto un augstu Q induktoru ir brūces tipa. Otrkārt, jūs varat izvēlēties daudzslāņu keramikas induktoru, daudzslāņu mikroshēmu kondensatoru ražotāji arī nodrošina šo produktu. Tomēr daži dizaineri vajadzības gadījumā izvēlas spirālveida induktorus. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Kur a ir spoles vidējais rādiuss collās; N ir pagriezienu skaits; C ir spoles serdes platums (maršrutētājs-rinner) collas. Kad spole c “0.2a 11, aprēķina metodes precizitāte ir 5%robežās.

Var izmantot kvadrātveida, sešstūra vai cita veida viena slāņa spirālveida induktorus. Var atrast ļoti labus tuvinājumus, lai modelētu plaknes induktivitāti uz integrālās shēmas plāksnēm. Lai sasniegtu šo mērķi, standarta Wheeler formula tiek pārveidota, lai iegūtu plaknes induktivitātes novērtēšanas metodi, kas piemērota maziem un kvadrātveida izmēriem 12.

Kur, ρ ir uzpildes attiecība :; N ir pagriezienu skaits, un dAVG ir vidējais diametrs :. Kvadrātveida spirālēm K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Ir daudz iemeslu, lai izvairītos no šāda veida induktora izmantošanas, kas parasti samazina induktivitātes vērtības telpas ierobežojumu dēļ. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Turklāt faktiskās induktivitātes vērtības ir grūti kontrolēt PCB ražošanas laikā, un induktivitāte mēdz arī savienot troksni ar citām ķēdes daļām.