Liczne przypadki zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych produktów wykorzystujących częstotliwość radiową (ISM-RF) pokazują, że Płytka drukowana układ tych produktów jest podatny na różne wady.Ludzie często stwierdzają, że ten sam układ scalony zainstalowany na dwóch różnych płytkach drukowanych, wskaźniki wydajności będą się znacznie różnić. 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. W tym artykule dielektryk fr-4, dwuwarstwowa płytka PCB o grubości 0.0625 cala jako przykład, uziemienie płytki drukowanej. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Kierunek indukcyjności

Gdy dwie cewki indukcyjne (lub nawet dwie linie PCB) są blisko siebie, wystąpi indukcyjność wzajemna. 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:

Gdzie YB jest napięciem błędu wprowadzonym do obwodu B, IA jest prądem 1 działającym na obwód A. LM jest bardzo wrażliwy na odstępy między obwodami, obszar pętli indukcyjności (tj. strumień magnetyczny) i kierunek pętli. 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. W tym celu, możliwie prostopadle do siebie, należy zapoznać się z układem obwodów płytki oceny odbiornika superheterodynowego FSK o małej mocy (EV) (MAX7042EVKIT) (Rysunek 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.

Rysunek 2. Pokazano dwa różne układy PCB, z których jeden ma elementy ułożone w niewłaściwym kierunku (L1 i L3), podczas gdy drugi jest bardziej odpowiedni.

Podsumowując, należy przestrzegać następujących zasad:

Rozstaw indukcyjności powinien być jak największy.

Cewki indukcyjne są rozmieszczone pod kątem prostym, aby zminimalizować przesłuchy między cewkami.

Poprowadź sprzęgło

Tak jak orientacja cewek indukcyjnych wpływa na sprzężenie magnetyczne, tak samo dzieje się ze sprzężeniem, jeśli przewody są zbyt blisko siebie. Ten rodzaj problemu z układem powoduje również to, co nazywa się wzajemnym odczuciem. Jednym z najbardziej niepokojących problemów obwodu RF jest okablowanie wrażliwych części systemu, takich jak sieć dopasowania wejść, kanał rezonansowy odbiornika, sieć dopasowania anteny nadajnika itp.

Ścieżka prądu powrotnego powinna znajdować się jak najbliżej głównej ścieżki prądu, aby zminimalizować promieniowanie pola magnetycznego. This arrangement helps to reduce the current loop area. Idealną ścieżką o niskiej rezystancji dla prądu powrotnego jest zwykle obszar uziemienia poniżej przewodu — skutecznie ograniczając obszar pętli do obszaru, w którym grubość dielektryka jest mnożona przez długość przewodu. Jeśli jednak obszar uziemienia jest podzielony, obszar pętli zwiększa się (rysunek 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.

Rysunek 3. Całkowite uziemienie dużego obszaru pomaga poprawić wydajność systemu

W przypadku rzeczywistej cewki indukcyjnej kierunek wyprowadzenia ma również znaczący wpływ na sprzężenie pola magnetycznego. Jeśli przewody czułego obwodu muszą znajdować się blisko siebie, najlepiej jest ustawić przewody pionowo, aby zmniejszyć sprzężenie (Rysunek 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Aby uzyskać informacje na temat konstrukcji przewodu ochronnego, należy zapoznać się z poniższym rozdziałem dotyczącym uziemienia i napełniania.

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.

Wrażliwe przewody powinny być ułożone pionowo.

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

Grounding via

Głównym problemem związanym z układem obwodu RF jest zwykle nieoptymalna impedancja charakterystyczna obwodu, w tym elementów obwodu i ich połączeń. Przewód z cienką powłoką miedzianą jest odpowiednikiem przewodu indukcyjnego i tworzy rozproszoną pojemność z innymi przewodami w pobliżu. Ołów wykazuje również właściwości indukcyjności i pojemności, gdy przechodzi przez otwór.

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. Efekt pojemności pasożytniczej jest generalnie niewielki i zwykle powoduje jedynie zmienność krawędzi w szybkich sygnałach cyfrowych (co nie jest omawiane w tym artykule).

Największym efektem otworu przelotowego jest indukcyjność pasożytnicza spowodowana odpowiednim trybem połączenia. 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 to średnica otworu przelotowego w calach 2.

Jak uniknąć różnych defektów w układzie płytek drukowanych?

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. Idealne kondensatory obejściowe zapewniają zwarcia o wysokiej częstotliwości między strefą zasilania a formacją, ale nieidealne otwory przelotowe mogą wpływać na ścieżkę o niskiej czułości między formacją a strefą zasilania. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Biorąc pod uwagę określoną częstotliwość roboczą produktu ISM-RF, otwory przelotowe mogą niekorzystnie wpływać na wrażliwe obwody, takie jak obwody kanałów rezonansowych, filtry i sieci dopasowujące.

Inne problemy pojawiają się, gdy wrażliwe obwody współdzielą dziury, takie jak dwa ramiona sieci typu π. Na przykład, umieszczając idealny otwór równoważny indukcyjności skupionej, równoważny schemat różni się znacznie od oryginalnego projektu obwodu (RYS. 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

Rysunek 6. Architektura idealna kontra nieidealna, w obwodzie istnieją potencjalne „ścieżki sygnału”.

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.

Długość ołowiu

Dane produktów Maxim ISM-RF często zalecają stosowanie możliwie najkrótszych przewodów wejściowych i wyjściowych wysokiej częstotliwości w celu zminimalizowania strat i promieniowania. Z drugiej strony, takie straty są zwykle spowodowane nieidealnymi parametrami pasożytniczymi, więc zarówno indukcyjność pasożytnicza, jak i pojemność wpływają na układ obwodu, a zastosowanie jak najkrótszego przewodu pomaga zmniejszyć parametry pasożytnicze. 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. W przypadku obwodu LAN/miksera z cewką indukcyjną 20nH i kondensatorem 3pF, efektywna wartość komponentu będzie miała duży wpływ, gdy obwód i układ komponentów są bardzo zwarte.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Dokument ten został zastąpiony w 2003 r. przez IPC-2251 5, który zapewnia dokładniejszą metodę obliczeń dla różnych przewodów 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:

We wzorze εr jest stałą dielektryczną dielektryka, h jest wysokością doprowadzenia od warstwy, W jest szerokością doprowadzenia, a T jest grubością doprowadzenia (fig. 7). Gdy w/h wynosi od 0.1 do 2.0, a εr od 1 do 15, wyniki obliczeń tego wzoru są dość dokładne.

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. W tym przykładzie omawiamy pojemność rozproszenia i indukcyjność. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Podobnie indukcyjność charakterystyczną można obliczyć z równania, korzystając z powyższego równania:

Na przykład załóżmy, że grubość płytki PCB wynosi 0.0625 cala. (h = 62.5 mil), 1 uncja miedzianego ołowiu (t = 1.35 mil), 0.01 cala. (w = 10 mil) i płytkę FR-4. Należy zauważyć, że εR FR-4 wynosi zazwyczaj 4.35 farada/m (F/m), ale może mieścić się w zakresie od 4.0 F/m do 4.7 F/m. Wartości własne obliczone w tym przykładzie to Z0 = 134 ω, C0 = 1.04 pF/cal, L0 = 18.7 nH/cal.

W przypadku projektu AN ISM-RF długość układu wyprowadzeń na płytce o długości 12.7 mm (0.5 cala) może generować parametry pasożytnicze około 0.5 pF i 9.3 nH (rysunek 8). Wpływ parametrów pasożytniczych na tym poziomie na kanał rezonansowy odbiornika (zmiana produktu LC) może skutkować zmiennością 315MHz ±2% lub 433.92mhz ±3.5%. Ze względu na dodatkową pojemność i indukcyjność wywołaną pasożytniczym efektem wyprowadzenia szczyt częstotliwości oscylacji 315MHz osiąga 312.17mhz, a szczyt częstotliwości 433.92mhz osiąga 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. Oblicz częstotliwość drgań obwodu rezonansowego za pomocą równania:

Ocena obwodu rezonansowego płytki powinna uwzględniać pasożytnicze efekty pakietu i układu, a parametry pasożytnicze wynoszą odpowiednio 7.3 PF i 7.5 PF przy obliczaniu częstotliwości rezonansowej 315 MHz. Zauważ, że produkt LC reprezentuje pojemność skupioną.

Podsumowując, należy przestrzegać następujących zasad:

Postaraj się, aby smyczek był jak najkrótszy.

Umieść obwody kluczykowe jak najbliżej urządzenia.

Kluczowe komponenty są kompensowane zgodnie z rzeczywistym pasożytnictwem układu.

Zabieg uziemiający i wypełniający

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Wyrównanie w ten sposób wszystkich pól elektrycznych zapewnia dobry mechanizm ekranowania.

Prąd stały zawsze ma tendencję do płynięcia ścieżką o niskiej rezystancji. W ten sam sposób prąd o wysokiej częstotliwości przepływa preferencyjnie przez ścieżkę o najniższej rezystancji. 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).

Jak uniknąć różnych defektów w układzie płytek drukowanych?

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. Nie mieszać przewodu ochronnego z przewodem zaprojektowanym w celu zapewnienia ścieżki prądu powrotnego. Taki układ może wprowadzić przesłuch.

Jak uniknąć różnych defektów w układzie płytek drukowanych?

FIGA. 10. Projekt systemu RF powinien unikać pływających przewodów miedzianych, zwłaszcza jeśli wymagana jest miedziana osłona.

Obszar pokryty miedzią nie jest uziemiony (pływający) lub uziemiony tylko na jednym końcu, co ogranicza jego skuteczność. 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. Krótko mówiąc, jeśli na płytce drukowanej jest ułożony kawałek miedzi (okablowanie sygnałowe nieobwodowe), aby zapewnić stałą grubość poszycia. Należy unikać obszarów pokrytych miedzią, ponieważ mają one wpływ na projekt obwodu.

Na koniec pamiętaj, aby wziąć pod uwagę wpływ dowolnego obszaru naziemnego w pobliżu anteny. Każda antena jednobiegunowa będzie miała obszar uziemienia, okablowanie i otwory jako część równowagi systemu, a nieidealne okablowanie równowagi wpłynie na wydajność promieniowania i kierunek anteny (szablon promieniowania). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Podsumowując, należy przestrzegać następujących zasad:

W miarę możliwości należy zapewnić strefy uziemienia ciągłego io niskiej rezystancji.

Oba końce linii napełniającej są uziemione, a w miarę możliwości stosuje się układ otworów przelotowych.

Nie należy unosić miedzianego drutu w pobliżu obwodu RF, nie układać miedzi wokół obwodu RF.

Jeśli płytka drukowana zawiera wiele warstw, najlepiej jest przełożyć uziemienie przez otwór, gdy kabel sygnałowy przechodzi z jednej strony na drugą.

Nadmierna pojemność kryształu

Pojemność pasożytnicza spowoduje odchylenie częstotliwości kryształu od wartości docelowej 9. Dlatego należy przestrzegać pewnych ogólnych wytycznych, aby zmniejszyć błądzącą pojemność kryształowych pinów, podkładek, przewodów lub połączeń z urządzeniami RF.

Należy przestrzegać następujących zasad:

Połączenie między kryształem a urządzeniem RF powinno być jak najkrótsze.

Trzymaj przewody od siebie tak daleko, jak to możliwe.

Jeśli pojemność pasożytnicza bocznika jest zbyt duża, usuń obszar uziemienia poniżej kryształu.

Indukcyjność okablowania planarnego

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. Dlatego większość kontrolowanych i wysokiej Q cewki indukcyjne są typu rany. Po drugie, możesz wybrać wielowarstwową ceramiczną cewkę indukcyjną, producenci wielowarstwowych kondensatorów chipowych również dostarczają ten produkt. Niemniej jednak niektórzy projektanci wybierają cewki spiralne, kiedy muszą. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Gdzie a jest średnim promieniem cewki w calach; N to liczba zwojów; C to szerokość rdzenia cewki (routera) w calach. Gdy cewka c „0.2a 11, dokładność metody obliczeniowej mieści się w granicach 5%.

Można stosować jednowarstwowe cewki spiralne o kształcie kwadratowym, sześciokątnym lub innym. Bardzo dobre przybliżenia można znaleźć w modelowaniu indukcyjności planarnej na płytkach układu scalonego. Aby osiągnąć ten cel, standardową formułę Wheelera modyfikuje się, aby uzyskać metodę estymacji indukcyjności płaskiej odpowiednią dla małych rozmiarów i kwadratów 12.

Gdzie ρ jest współczynnikiem wypełnienia:; N to liczba zwojów, a dAVG to średnia średnica:. Dla helis kwadratowych K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Istnieje wiele powodów, dla których należy unikać stosowania tego typu cewki indukcyjnej, co zwykle powoduje zmniejszenie wartości indukcyjności ze względu na ograniczenia przestrzeni. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Ponadto rzeczywiste wartości indukcyjności są trudne do kontrolowania podczas produkcji PCB, a indukcyjność również ma tendencję do sprzęgania szumów z innymi częściami obwodu.