Talrijke toepassingsgevallen van industriële, wetenschappelijke en medische radiofrequentieproducten (ISM-RF) tonen aan dat de printplaat lay-out van deze producten is gevoelig voor verschillende defecten.Mensen vinden vaak dat dezelfde IC op twee verschillende printplaten is geïnstalleerd, prestatie-indicatoren zullen aanzienlijk verschillen. 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. In dit artikel, fr-4 diëlektricum, 0.0625 inch dik dubbellaagse PCB als voorbeeld, de aarding van de printplaat. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Inductie richting:

Wanneer twee smoorspoelen (of zelfs twee PCB-lijnen) dicht bij elkaar liggen, treedt wederzijdse inductantie op. 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:

Waar YB de foutspanning is die in circuit B wordt geïnjecteerd, is IA de stroom 1 die op circuit A werkt. LM is erg gevoelig voor circuitafstand, inductantielusgebied (dwz magnetische flux) en lusrichting. 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. Raadpleeg voor dit doel, zo loodrecht mogelijk op elkaar, de circuitlay-out van het FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV)-bord met laag vermogen (MAX7042EVKIT) (Figuur 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.

Figuur 2. Er worden twee verschillende printlay-outs getoond, waarvan de ene de elementen in de verkeerde richting heeft gerangschikt (L1 en L3), terwijl de andere meer geschikt is.

Samenvattend moeten de volgende principes worden gevolgd:

De inductantie-afstand moet zo groot mogelijk zijn.

Inductoren zijn onder een rechte hoek gerangschikt om overspraak tussen inductoren te minimaliseren.

Leid de koppeling

Net zoals de oriëntatie van inductoren de magnetische koppeling beïnvloedt, geldt dit ook voor de koppeling als de draden te dicht bij elkaar liggen. Dit soort lay-outproblemen produceert ook wat wederzijdse sensatie wordt genoemd. Een van de meest bezorgde problemen van het RF-circuit is de bedrading van gevoelige delen van het systeem, zoals het ingangsaanpassingsnetwerk, het resonantiekanaal van de ontvanger, het antenne-aanpassingsnetwerk van de zender, enz.

Het retourstroompad moet zo dicht mogelijk bij het hoofdstroompad liggen om het magnetische stralingsveld te minimaliseren. This arrangement helps to reduce the current loop area. Het ideale pad met lage weerstand voor de retourstroom is meestal het aardingsgebied onder de leiding – waardoor het lusgebied effectief wordt beperkt tot een gebied waar de dikte van het diëlektricum wordt vermenigvuldigd met de lengte van de leiding. Als het grondgebied echter wordt gesplitst, neemt het lusgebied toe (Figuur 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.

Afbeelding 3. Volledige aarding van grote oppervlakken helpt de systeemprestaties te verbeteren

Voor een echte inductor heeft de leidingrichting ook een significant effect op de magnetische veldkoppeling. Als de draden van een gevoelig circuit dicht bij elkaar moeten liggen, is het het beste om de draden verticaal uit te lijnen om de koppeling te verminderen (Figuur 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Raadpleeg voor het ontwerp van de beschermingsdraad het gedeelte over aarding en vulling hieronder.

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.

Gevoelige leads moeten verticaal worden gerangschikt.

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

Grounding via

Het grootste probleem met de lay-out van RF-circuits is meestal de suboptimale karakteristieke impedantie van het circuit, inclusief de circuitcomponenten en hun onderlinge verbindingen. De kabel met een dunne koperen coating is gelijk aan de inductantiedraad en vormt een verdeelde capaciteit met andere kabels in de buurt. De leiding vertoont ook inductantie- en capaciteitseigenschappen wanneer deze door het gat gaat.

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. Het effect van parasitaire capaciteit is over het algemeen klein en veroorzaakt meestal alleen randvariatie in snelle digitale signalen (wat in dit artikel niet wordt besproken).

Het grootste effect van het doorgaande gat is de parasitaire inductantie die wordt veroorzaakt door de bijbehorende verbindingsmodus. 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 is de diameter van het doorgaande gat, in inches 2.

Hoe verschillende defecten in de PCB-lay-out van printplaten te voorkomen?

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. Ideale bypass-condensatoren zorgen voor hoogfrequente kortsluitingen tussen de voedingszone en de formatie, maar niet-ideale doorgaande gaten kunnen het pad met lage gevoeligheid tussen de formatie en de voedingszone beïnvloeden. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Gezien de specifieke werkfrequentie van het ISM-RF-product, kunnen de doorgaande gaten een nadelige invloed hebben op gevoelige circuits zoals resonantiekanaalcircuits, filters en bijpassende netwerken.

Andere problemen ontstaan ​​als gevoelige circuits gaten delen, zoals de twee armen van een π-type netwerk. Door bijvoorbeeld een ideaal gat te plaatsen dat equivalent is aan gebundelde inductantie, verschilt het equivalente schema behoorlijk van het oorspronkelijke circuitontwerp (FIG. 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

Afbeelding 6. Ideale vs. niet-ideale architecturen, er zijn potentiële “signaalpaden” in het circuit.

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.

De lengte van de lead

Maxim ISM-RF-productgegevens raden vaak aan om de kortst mogelijke hoogfrequente invoer- en uitvoerkabels te gebruiken om verliezen en straling te minimaliseren. Aan de andere kant worden dergelijke verliezen meestal veroorzaakt door niet-ideale parasitaire parameters, dus zowel parasitaire inductantie als capaciteit beïnvloeden de circuitlay-out, en het gebruik van de kortst mogelijke kabel helpt om de parasitaire parameters te verminderen. 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. Voor een LAN/mixercircuit met een 20nH-inductor en een 3pF-condensator, zal de effectieve componentwaarde sterk worden beïnvloed wanneer het circuit en de componentlay-out zeer compact zijn.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Dit document is in 2003 vervangen door IPC-2251 5, dat een nauwkeurigere berekeningsmethode biedt voor verschillende PCB-kabels. 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:

In de formule is εr de diëlektrische constante van het diëlektricum, is h de hoogte van de draad vanaf de laag, W is de breedte van de draad en T is de dikte van de draad (FIG. 7). Wanneer w/h tussen 0.1 en 2.0 ligt en εr tussen 1 en 15 ligt, zijn de berekeningsresultaten van deze formule vrij nauwkeurig.

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. In dit voorbeeld bespreken we verdwaalde capaciteit en inductantie. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Evenzo kan de karakteristieke inductantie worden berekend uit de vergelijking met behulp van de bovenstaande vergelijking:

Ga bijvoorbeeld uit van een PCB-dikte van 0.0625 inch. (h = 62.5 mil), 1 ounce met koper beklede lood (t = 1.35 mil), 0.01 inch. (w = 10 mil), en een FR-4-bord. Merk op dat de εR van FR-4 typisch 4.35 farad/m (F/m) is, maar kan variëren van 4.0F/m tot 4.7F/m. De in dit voorbeeld berekende eigenwaarden zijn Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Voor een ISM-RF-ontwerp kan een lay-outlengte van 12.7 mm (0.5 inch) aan kabels op het bord parasitaire parameters produceren van ongeveer 0.5 pF en 9.3 nH (Figuur 8). Het effect van parasitaire parameters op dit niveau op het resonantiekanaal van de ontvanger (variatie van het LC-product) kan resulteren in een variatie van 315 MHz ± 2% of 433.92 mhz ± 3.5%. Vanwege de extra capaciteit en inductantie veroorzaakt door het parasitaire effect van de kabel, bereikt de piek van de 315MHz-oscillatiefrequentie 312.17mhz en de piek van de 433.92mhz-oscillatiefrequentie 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. Bereken de oscillatiefrequentie van het resonantiecircuit met behulp van de vergelijking:

De evaluatie van het resonantiecircuit van de plaat moet de parasitaire effecten van het pakket en de lay-out omvatten, en de parasitaire parameters zijn respectievelijk 7.3PF en 7.5PF bij het berekenen van de 315MHz-resonantiefrequentie. Merk op dat het LC-product een gebundelde capaciteit vertegenwoordigt.

Samenvattend moeten de volgende principes worden gevolgd:

Houd de leiding zo kort mogelijk.

Plaats sleutelcircuits zo dicht mogelijk bij het apparaat.

Sleutelcomponenten worden gecompenseerd volgens het werkelijke lay-outparasitisme.

Aardings- en vulbehandeling

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Door alle elektrische velden op deze manier gelijk te maken, ontstaat een goed afschermingsmechanisme.

Gelijkstroom heeft altijd de neiging om langs een pad met lage weerstand te stromen. Op dezelfde manier stroomt hoogfrequente stroom bij voorkeur door het pad met de laagste weerstand. 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).

Hoe verschillende defecten in de PCB-lay-out van printplaten te voorkomen?

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. Meng de beschermdraad niet met de draad die is ontworpen om een ​​retourstroompad te bieden. Deze opstelling kan overspraak introduceren.

Hoe verschillende defecten in de PCB-lay-out van printplaten te voorkomen?

Afb. 10. Het ontwerp van het RF-systeem moet zwevende met koper beklede draden vermijden, vooral als koperen mantels vereist zijn.

Het met koper beklede gebied is niet geaard (zwevend) of slechts aan één uiteinde geaard, wat de effectiviteit ervan beperkt. 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. Kortom, als er een stuk koperen bekleding (niet-circuitsignaalbedrading) op de printplaat wordt gelegd om een ​​consistente plaatdikte te garanderen. Met koper beklede gebieden moeten worden vermeden omdat ze het circuitontwerp beïnvloeden.

Houd ten slotte rekening met de effecten van elk grondgebied in de buurt van de antenne. Elke monopoolantenne zal het grondgebied, de bedrading en de gaten hebben als onderdeel van het systeemevenwicht, en niet-ideale evenwichtsbedrading zal de stralingsefficiëntie en richting van de antenne beïnvloeden (stralingssjabloon). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Samenvattend moeten de volgende principes worden gevolgd:

Zorg voor doorlopende en laagohmige aardingszones voor zover mogelijk.

Beide uiteinden van de vullijn zijn geaard en er wordt zoveel mogelijk gebruik gemaakt van een doorlopende array.

Laat geen met koper beklede draad in de buurt van het RF-circuit drijven, leg geen koper rond het RF-circuit.

Als de printplaat meerdere lagen bevat, is het het beste om een ​​grondgat te leggen wanneer de signaalkabel van de ene naar de andere kant loopt.

Overmatige kristalcapaciteit

Parasitaire capaciteit zorgt ervoor dat de kristalfrequentie afwijkt van de doelwaarde 9. Daarom moeten enkele algemene richtlijnen worden gevolgd om de parasitaire capaciteit van kristalpennen, pads, draden of verbindingen met RF-apparaten te verminderen.

De volgende principes moeten worden gevolgd:

De verbinding tussen het kristal en het RF-apparaat moet zo kort mogelijk zijn.

Houd de bedrading zo ver mogelijk uit elkaar.

Als de parasitaire capaciteit van de shunt te groot is, verwijder dan het aardingsgebied onder het kristal.

Vlakke bedradingsinductantie:

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. Daarom zijn de meeste gecontroleerde en hoge Q-inductoren van het wondtype. Ten tweede kunt u kiezen voor een meerlagige keramische inductor, fabrikanten van meerlagige chipcondensatoren leveren dit product ook. Niettemin kiezen sommige ontwerpers voor spiraalsmoorspoelen wanneer dat moet. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Waarbij a de gemiddelde straal van de spoel is, in inches; N is het aantal beurten; C is de breedte van de spoelkern (router-rinner), in inches. Wanneer de spoel c “0.2a 11 is, is de nauwkeurigheid van de berekeningsmethode binnen 5%.

Er kunnen enkellaagse spiraalinductoren met vierkante, zeshoekige of andere vormen worden gebruikt. Er kunnen zeer goede benaderingen worden gevonden voor het modelleren van vlakke inductantie op wafers met geïntegreerde schakelingen. Om dit doel te bereiken, wordt de standaard Wheeler-formule aangepast om een ​​schattingsmethode voor de vlakke inductie te verkrijgen die geschikt is voor kleine en vierkante 12.

Waar, ρ is de vulverhouding:; N is het aantal windingen en dAVG is de gemiddelde diameter:. Voor vierkante helices, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Er zijn veel redenen om het gebruik van dit type inductor te vermijden, wat meestal resulteert in verminderde inductantiewaarden vanwege ruimtebeperkingen. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Bovendien zijn de werkelijke inductantiewaarden moeilijk te regelen tijdens de productie van PCB’s, en inductantie heeft ook de neiging om ruis te koppelen aan andere delen van het circuit.