Banyak kes aplikasi produk frekuensi radio industri, saintifik, dan perubatan (ISM-RF) menunjukkan bahawa papan litar bercetak susun atur produk ini terdedah kepada pelbagai kecacatan.Orang sering mendapati bahawa IC yang sama dipasang pada dua papan litar yang berbeza, petunjuk prestasi akan jauh berbeza. 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. Dalam makalah ini, fr-4 dielectric, PCB lapisan ganda ketebalan 0.0625in sebagai contoh, pembumian papan litar. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Arah induktansi

Apabila dua induktor (atau bahkan dua garis PCB) saling berdekatan, induktansi bersama akan berlaku. 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:

Di mana, YB adalah voltan ralat yang disuntik ke litar B, IA adalah arus 1 yang bertindak pada litar A. LM sangat sensitif terhadap jarak litar, kawasan gelung induktansi (iaitu, fluks magnetik), dan arah gelung. 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. Untuk tujuan ini, setegak tegak antara satu sama lain, sila rujuk susun atur litar papan Evaluasi Penerima (EV) superheterodyne FSK berkuasa rendah (MAX7042EVKIT) (Gambar 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.

Gambar 2. Dua susun atur PCB yang berbeza ditunjukkan, salah satunya mempunyai elemen yang disusun dalam arah yang salah (L1 dan L3), sementara yang lain lebih sesuai.

Kesimpulannya, prinsip berikut harus dipatuhi:

Jarak induktansi harus sejauh mungkin.

Induktor disusun pada sudut tepat untuk meminimumkan crosstalk antara induktor.

Pimpin gandingan

Sama seperti orientasi induktor mempengaruhi gandingan magnetik, begitu juga dengan gandingan jika petunjuk terlalu dekat satu sama lain. Masalah susun atur seperti ini juga menghasilkan apa yang disebut saling sensasi. Salah satu masalah litar RF yang paling dibimbangkan ialah pendawaian bahagian sensitif sistem, seperti rangkaian padanan input, saluran resonan penerima, rangkaian pemadan antena pemancar, dll.

Laluan arus balik harus sedekat mungkin dengan jalan arus utama untuk meminimumkan medan magnet radiasi. This arrangement helps to reduce the current loop area. Jalur rintangan rendah yang ideal untuk arus balik biasanya merupakan kawasan tanah di bawah plumbum – dengan berkesan menghadkan kawasan gelung ke kawasan di mana ketebalan dielektrik dikalikan dengan panjang plumbum. Walau bagaimanapun, jika kawasan tanah terbelah, kawasan gelung meningkat (Gambar 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.

Rajah 3. Pembumian kawasan besar yang lengkap membantu meningkatkan prestasi sistem

Untuk induktor sebenar, arah plumbum juga mempunyai kesan yang signifikan terhadap gandingan medan magnet. Sekiranya plumbum litar sensitif mesti berdekatan antara satu sama lain, lebih baik menyelaraskan plag secara menegak untuk mengurangkan gandingan (Gambar 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Untuk reka bentuk wayar perlindungan, sila rujuk bahagian rawatan pembumian dan pengisian di bawah.

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

Masalah utama dengan susun atur litar RF biasanya adalah impedans ciri suboptimal litar, termasuk komponen litar dan hubungannya. Plumbum dengan lapisan tembaga nipis setara dengan wayar induktansi dan membentuk kapasitansi terdistribusi dengan petunjuk lain di sekitarnya. Plumbum juga menunjukkan sifat induktansi dan kapasitans ketika melewati lubang.

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. Kesan kapasitansi parasit pada amnya kecil dan biasanya hanya menyebabkan variasi tepi pada isyarat digital berkelajuan tinggi (yang tidak dibincangkan dalam makalah ini).

Kesan terbesar dari lubang melalui adalah induktansi parasit yang disebabkan oleh mod sambungan yang sesuai. 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 adalah garis pusat lubang, dalam inci 2.

Cara mengelakkan pelbagai kecacatan pada susun atur papan cetak PCB

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. Kapasitor pintasan yang ideal menyediakan litar pintas frekuensi tinggi antara zon bekalan dan formasi, tetapi lubang melalui yang tidak ideal dapat mempengaruhi jalan kepekaan rendah antara formasi dan zon bekalan. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Memandangkan frekuensi operasi khusus produk ISM-RF, lubang melalui dapat mempengaruhi rangkaian sensitif seperti litar saluran resonan, penapis, dan rangkaian yang sepadan.

Masalah lain timbul sekiranya litar sensitif berkongsi lubang, seperti kedua lengan rangkaian jenis π. Sebagai contoh, dengan meletakkan lubang ideal yang setara dengan induktansi berkelok-kelok, skema setara agak berbeza dengan reka bentuk litar asal (Gambar 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

Gambar 6. Senibina yang ideal berbanding yang tidak ideal, terdapat “jalur isyarat” yang berpotensi di litar.

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.

Panjang plumbum

Data produk Maxim ISM-RF sering mengesyorkan penggunaan input dan output frekuensi tinggi sesingkat mungkin untuk mengurangkan kerugian dan radiasi. Sebaliknya, kerugian tersebut biasanya disebabkan oleh parameter parasit yang tidak ideal, jadi induktansi parasit dan kapasitansi mempengaruhi susun atur litar, dan menggunakan timbal sesingkat mungkin membantu mengurangkan parameter parasit. 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. Untuk rangkaian LAN / pengadun dengan induktor 20nH dan kapasitor 3pF, nilai komponen berkesan akan sangat terjejas apabila litar dan susun atur komponen sangat padat.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Dokumen ini diganti pada tahun 2003 oleh IPC-2251 5, yang menyediakan kaedah pengiraan yang lebih tepat untuk pelbagai petunjuk PCB. 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:

Dalam formula, εr adalah pemalar dielektrik dielektrik, h adalah ketinggian plumbum dari stratum, W adalah lebar plumbum, dan T adalah ketebalan plumbum (Gambar 7). Apabila w / h antara 0.1 dan 2.0 dan εr antara 1 dan 15, hasil pengiraan formula ini cukup tepat.

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. Dalam contoh ini, kita membincangkan kapasitansi dan induktansi sesat. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Begitu juga, induktansi ciri dapat dikira dari persamaan dengan menggunakan persamaan di atas:

Sebagai contoh, anggap ketebalan PCB 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 auns timbal bersalut tembaga (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil), dan papan FR-4. Perhatikan bahawa ε R dari FR-4 biasanya 4.35 farad / m (F / m), tetapi dapat berkisar antara 4.0F / m hingga 4.7F / m. Nilai eigen yang dikira dalam contoh ini ialah Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / in.

Untuk reka bentuk AN ISM-RF, panjang susun atur 12.7mm (0.5in) pada papan boleh menghasilkan parameter parasit sekitar 0.5pF dan 9.3nH (Rajah 8). Pengaruh parameter parasit pada tahap ini pada saluran resonan penerima (variasi produk LC) boleh mengakibatkan variasi 315MHz ± 2% atau 433.92mhz ± 3.5%. Kerana kapasitans dan induktansi tambahan yang disebabkan oleh kesan parasit plumbum, puncak frekuensi ayunan 315MHz mencapai 312.17mhz, dan puncak frekuensi ayunan 433.92mhz mencapai 426.6mhz.

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. Hitung frekuensi ayunan litar resonan dengan menggunakan persamaan:

Penilaian litar resonan plat harus merangkumi kesan parasit dari bungkusan dan susun atur, dan parameter parasit masing-masing adalah 7.3PF dan 7.5PF ketika mengira frekuensi resonan 315MHz. Perhatikan bahawa produk LC mewakili kapasitansi berkumpul.

Kesimpulannya, prinsip berikut mesti dipatuhi:

Pastikan pendahulunya sesingkat mungkin.

Letakkan litar kunci sedekat mungkin dengan peranti.

Komponen utama dikompensasikan mengikut parasitisme susun atur sebenar.

Rawatan pembumian dan pengisian

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Menyamakan semua medan elektrik dengan cara ini menghasilkan mekanisme pelindung yang baik.

Arus terus selalu cenderung mengalir di sepanjang jalan rintangan rendah. Dengan cara yang sama, arus frekuensi tinggi mengalir melalui jalan dengan rintangan terendah. 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).

Cara mengelakkan pelbagai kecacatan pada susun atur papan cetak PCB

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. Jangan campurkan wayar pelindung dengan plumbum yang direka untuk memberikan jalan arus balik. Susunan ini dapat memperkenalkan crosstalk.

Cara mengelakkan pelbagai kecacatan pada susun atur papan cetak PCB

RAJAH. 10. Reka bentuk sistem RF harus mengelakkan wayar berpakaian tembaga terapung, terutama jika sarung tembaga diperlukan.

Kawasan berpakaian tembaga tidak dibumikan (terapung) atau dibumikan hanya pada satu hujung, yang membatasi keberkesanannya. 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. Singkatnya, jika sekeping pelapis tembaga (pendawaian isyarat bukan litar) diletakkan di papan litar untuk memastikan ketebalan penyaduran yang konsisten. Kawasan berpakaian tembaga harus dielakkan kerana mempengaruhi reka bentuk litar.

Akhir sekali, pastikan anda mempertimbangkan kesan kawasan tanah yang berdekatan dengan antena. Mana-mana antena monopole akan mempunyai kawasan tanah, pendawaian dan lubang sebagai bahagian keseimbangan sistem, dan pendawaian keseimbangan yang tidak ideal akan mempengaruhi kecekapan radiasi dan arah antena (templat radiasi). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Kesimpulannya, prinsip berikut harus dipatuhi:

Sediakan zon pembumian berterusan dan rintangan rendah sejauh mungkin.

Kedua-dua hujung saluran pengisian dibumikan, dan susunan lubang melalui digunakan sejauh mungkin.

Jangan letakkan wayar berpakaian tembaga berhampiran litar RF, jangan letakkan tembaga di sekitar litar RF.

Sekiranya papan litar mengandungi beberapa lapisan, lebih baik meletakkan tanah melalui lubang ketika kabel isyarat melintas dari satu sisi ke sisi lain.

Kapasitansi kristal yang berlebihan

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Oleh itu, beberapa panduan umum harus diikuti untuk mengurangkan kapasiti pin kristal, pad, wayar, atau sambungan ke peranti RF.

Prinsip-prinsip berikut harus dipatuhi:

Sambungan antara peranti kristal dan RF harus sesingkat mungkin.

Jauhkan pendawaian antara satu sama lain sejauh mungkin.

Sekiranya kapasitansi parasit shunt terlalu besar, lepaskan kawasan pembumian di bawah kristal.

Induktansi pendawaian planar

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. Oleh itu, induktor Q yang paling terkawal dan tinggi adalah jenis luka. Kedua, anda boleh memilih induktor seramik multilayer, pengeluar kapasitor cip multilayer juga menyediakan produk ini. Walaupun begitu, sebilangan pereka memilih induktor spiral apabila terpaksa. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Di mana, a adalah jejari purata gegelung, dalam inci; N ialah bilangan giliran; C adalah lebar inti gegelung (router-rinner), dalam inci. Ketika gegelung c “0.2a 11, ketepatan kaedah pengiraan berada dalam 5%.

Induktor lingkaran tunggal berbentuk segi empat, heksagon, atau bentuk lain boleh digunakan. Pendekatan yang sangat baik dapat didapati untuk memodelkan induktansi satah pada wafer litar bersepadu. Untuk mencapai matlamat ini, formula Wheeler standard diubahsuai untuk mendapatkan kaedah anggaran induktansi satah yang sesuai untuk ukuran kecil dan ukuran persegi 12.

Di mana, ρ adalah nisbah pengisian:; N ialah bilangan putaran, dan dAVG adalah diameter purata:. Untuk heliks persegi, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Terdapat banyak sebab untuk mengelakkan penggunaan induktor jenis ini, yang biasanya mengakibatkan penurunan nilai induktansi kerana keterbatasan ruang. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Di samping itu, nilai induktansi sebenarnya sukar dikawal semasa pengeluaran PCB, dan induktansi juga cenderung menimbulkan kebisingan ke bahagian litar yang lain.