Numeroase cazuri de aplicare a produselor industriale, științifice și medicale cu frecvență radio (ISM-RF) arată că circuit imprimat bord aspectul acestor produse este predispus la diferite defecte.Oamenii găsesc adesea că același IC instalat pe două plăci de circuite diferite, indicatorii de performanță vor fi semnificativ diferiți. Variațiile în condițiile de funcționare, radiația armonică, capacitatea anti-interferențe și timpul de pornire pot explica importanța aspectului plăcii de circuite într-un design de succes.

Acest articol enumeră diferitele omisiuni de proiectare, discută cauzele fiecărei defecțiuni și oferă sugestii despre cum să evitați aceste defecte de proiectare. În această lucrare, fr-4 dielectric, PCB cu strat dublu cu grosime de 0.0625 in, de exemplu, împământarea plăcii de circuite. Funcționează în diferite benzi de frecvență între 315MHz și 915MHz, puterea Tx și Rx între -120dbm și + 13dBm.

Direcția de inductanță

Când doi inductori (sau chiar două linii PCB) sunt apropiați unul de celălalt, va avea loc inductivitatea reciprocă. Câmpul magnetic generat de curentul din primul circuit excită curentul din al doilea circuit (Figura 1). Acest proces este similar cu interacțiunea dintre bobinele primare și secundare ale unui transformator. Când doi curenți interacționează printr-un câmp magnetic, tensiunea generată este determinată de inductanța reciprocă LM:

Unde, YB este tensiunea de eroare injectată în circuitul B, IA este curentul 1 care acționează pe circuitul A. LM este foarte sensibil la distanța circuitului, zona buclei de inductanță (adică fluxul magnetic) și direcția buclei. Prin urmare, cel mai bun echilibru între dispunerea circuitului compact și cuplarea redusă este alinierea corectă a tuturor inductoarelor în direcție.

FIG. 1. Se poate vedea din liniile câmpului magnetic că inductanța reciprocă este legată de direcția de aliniere a inductanței

Direcția circuitului B este ajustată astfel încât bucla sa de curent să fie paralelă cu linia câmpului magnetic al circuitului A. În acest scop, cât mai perpendicular posibil unul pe celălalt, vă rugăm să consultați schema circuitului plăcii de evaluare a receptorului (EV) superheterodin FSK de mică putere (MAX7042EVKIT) (Figura 2). Cei trei inductori de pe placă (L3, L1 și L2) sunt foarte apropiați unul de celălalt, iar orientarea lor la 0 °, 45 ° și 90 ° ajută la reducerea inductanței reciproce.

Figura 2. Sunt prezentate două structuri PCB diferite, dintre care unul are elementele aranjate în direcția greșită (L1 și L3), în timp ce celălalt este mai potrivit.

Pentru a rezuma, trebuie respectate următoarele principii:

Distanța inductanței ar trebui să fie cât mai mare posibil.

Inductoarele sunt aranjate în unghi drept pentru a minimiza diafragma dintre inductoare.

Conduceți cuplajul

La fel cum orientarea inductoarelor afectează cuplajul magnetic, la fel și cuplajul dacă cablurile sunt prea apropiate unele de altele. Acest tip de problemă de aspect produce, de asemenea, ceea ce se numește senzație reciprocă. Una dintre cele mai preocupate probleme ale circuitului RF este cablarea părților sensibile ale sistemului, cum ar fi rețeaua de potrivire a intrării, canalul rezonant al receptorului, rețeaua de potrivire a antenei emițătorului etc.

Calea curentului de retur trebuie să fie cât mai aproape de calea curentului principal pentru a minimiza câmpul magnetic al radiației. Acest aranjament ajută la reducerea zonei curente a buclei. Calea ideală de rezistență scăzută pentru curentul de retur este, de obicei, regiunea solului sub plumb – limitând efectiv zona buclei la o regiune în care grosimea dielectricului este înmulțită cu lungimea plumbului. Cu toate acestea, dacă regiunea solului este împărțită, zona buclei crește (Figura 3). Pentru cablurile care trec prin regiunea împărțită, curentul de retur va fi forțat prin calea de rezistență ridicată, crescând foarte mult zona buclei de curent. Acest aranjament face, de asemenea, circuitele mai sensibile la inductanța reciprocă.

Figura 3. Împământarea completă pe suprafață mare ajută la îmbunătățirea performanței sistemului

Pentru un inductor propriu-zis, direcția conductoare are, de asemenea, un efect semnificativ asupra cuplării câmpului magnetic. Dacă cablurile unui circuit sensibil trebuie să fie apropiate unele de altele, cel mai bine este să aliniați cablurile pe verticală pentru a reduce cuplajul (Figura 4). Dacă nu este posibilă alinierea verticală, luați în considerare utilizarea unei linii de protecție. Pentru proiectarea firelor de protecție, vă rugăm să consultați secțiunea de tratare a împământării și umplerii de mai jos.

Figura 4. Similar cu Figura 1, prezintă cuplarea posibilă a liniilor câmpului magnetic.

Pentru a rezuma, la distribuirea plăcii trebuie respectate următoarele principii:

Împământarea completă trebuie asigurată sub plumb.

Conductoarele sensibile trebuie aranjate vertical.

Dacă cablurile trebuie aranjate în paralel, asigurați o distanță adecvată sau folosiți fire de protecție.

Împământare prin

Problema principală cu aspectul circuitului RF este de obicei impedanța caracteristică suboptimală a circuitului, inclusiv componentele circuitului și interconectările acestora. Conductorul cu un strat subțire de cupru este echivalent cu firul de inductanță și formează o capacitate distribuită cu alte conductoare din vecinătate. Plumbul prezintă, de asemenea, proprietăți de inductanță și capacitate când trece prin gaură.

Capacitatea găurii de trecere provine în principal din capacitatea formată între placarea de cupru pe partea laterală a placii de gaură traversantă și placarea de cupru de la sol, separată de un inel destul de mic. O altă influență vine de la cilindrul perforației metalice în sine. Efectul capacității parazitare este în general mic și, de obicei, provoacă doar variații de margine în semnalele digitale de mare viteză (ceea ce nu este discutat în această lucrare).

Cel mai mare efect al orificiului de trecere este inductanța parazită cauzată de modul de interconectare corespunzător. Deoarece majoritatea perforațiilor metalice din modelele de PCB RF au aceeași dimensiune ca și componentele aglomerate, efectul perforațiilor electrice poate fi estimat folosind o formulă simplă (FIG. 5):

Unde, LVIA este inductanță aglomerată prin gaură; H este înălțimea găurii de trecere, în inci; D este diametrul găurii de trecere, în inci 2.

Cum să evitați diferite defecte în aspectul PCB al plăcilor tipărite

FIG. 5. Secțiunea transversală PCB utilizată pentru a estima efectele parazite asupra structurilor orificiale

Inductanța parazită are adesea o mare influență asupra conexiunii condensatorilor de bypass. Condensatoarele de bypass ideale asigură scurtcircuite de înaltă frecvență între zona de alimentare și formațiune, dar găurile de trecere non-ideale pot afecta calea de sensibilitate scăzută dintre formațiune și zona de alimentare. Un orificiu tipic prin PCB (d = 10 mil, h = 62.5 mil) este aproximativ echivalent cu un inductor de 1.34 nH. Având în vedere frecvența specifică de funcționare a produsului ISM-RF, găurile traversante pot afecta negativ circuitele sensibile, cum ar fi circuitele cu canale rezonante, filtrele și rețelele de potrivire.

Alte probleme apar dacă circuitele sensibile împart găuri, cum ar fi cele două brațe ale unei rețele de tip π. De exemplu, prin plasarea unui orificiu ideal echivalent cu inductanța aglomerată, schema echivalentă este destul de diferită de proiectarea circuitului original (FIG. 6). Ca și în cazul diafragmei curentului comun 3, rezultând o inductanță reciprocă crescută, o diafragmă crescută și o alimentare avansată.

Cum să evitați problemele de proiectare PCB

Figura 6. Arhitecturi ideale versus non-ideale, există „căi de semnal” potențiale în circuit.

Pentru a rezuma, aspectul circuitului ar trebui să urmeze următoarele principii:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Filtrul sau rețeaua potrivită folosește găuri independente.

Note that a thinner PCB copper-clad will reduce the effect of parasitic inductance through the hole.

Lungimea plumbului

Datele despre produsul Maxim ISM-RF recomandă adesea utilizarea celor mai scurte conducte de intrare și ieșire de înaltă frecvență pentru a minimiza pierderile și radiațiile. Pe de altă parte, astfel de pierderi sunt de obicei cauzate de parametrii paraziți neideali, astfel încât atât inductanța parazită, cât și capacitatea afectează structura circuitului, iar utilizarea celui mai scurt cablu posibil ajută la reducerea parametrilor paraziți. De obicei, un cablu PCB de 10 mil lățime cu o distanță de 0.0625 în … De pe o placă FR4 produce o inductanță de aproximativ 19 nH / în și o capacitate distribuită de aproximativ 1 pF / în. Pentru un circuit LAN / mixer cu un inductor de 20nH și un condensator de 3pF, valoarea efectivă a componentei va fi foarte afectată atunci când circuitul și aspectul componentelor sunt foarte compacte.

Ipc-d-317a4 din „Institutul pentru circuite imprimate” oferă o ecuație standard din industrie pentru estimarea diferiților parametri de impedanță ai plăcii microstrip. Acest document a fost înlocuit în 2003 de IPC-2251 5, care oferă o metodă de calcul mai precisă pentru diferite cabluri PCB. Calculatoarele online sunt disponibile dintr-o varietate de surse, dintre care cele mai multe se bazează pe ecuații furnizate de IPC-2251. Laboratorul de compatibilitate electromagnetică de la Missouri Institute of Technology oferă o metodă foarte practică pentru calcularea impedanței 6 a cablului PCB.

Criteriile acceptate pentru calcularea impedanței liniilor microstrip sunt:

În formulă, εr este constanta dielectrică a dielectricului, h este înălțimea cablului din strat, W este lățimea cablului și T este grosimea cablului (FIG. 7). Când w / h este între 0.1 și 2.0 și εr este între 1 și 15, rezultatele de calcul ale acestei formule sunt destul de exacte.

Figura 7. Această figură este o secțiune transversală PCB (similară cu figura 5) și reprezintă structura utilizată pentru a calcula impedanța unei linii de microstrip.

Pentru a evalua efectul lungimii cablului, este mai practic să determinați efectul de dezacordare a circuitului ideal prin parametrii parazitari ai plumbului. În acest exemplu, discutăm capacitatea și inductanța rătăcită. Ecuația standard a capacității caracteristice pentru liniile microstrip este:

În mod similar, inductanța caracteristică poate fi calculată din ecuație utilizând ecuația de mai sus:

De exemplu, presupuneți o grosime PCB de 0.0625 în. (h = 62.5 mil), 1 uncie de plumb acoperit cu cupru (t = 1.35 mil), 0.01 în. (w = 10 mil) și o placă FR-4. Rețineți că ε R al FR-4 este de obicei 4.35 farad / m (F / m), dar poate varia de la 4.0F / m la 4.7F / m. Valorile proprii calculate în acest exemplu sunt Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / in.

Pentru un design ISM-RF, o lungime de aspect de 12.7 mm (0.5 in) a cablurilor de pe placă poate produce parametri paraziți de aproximativ 0.5 pF și 9.3 nH (Figura 8). Efectul parametrilor paraziți la acest nivel asupra canalului rezonant al receptorului (variația produsului LC) poate avea ca rezultat o variație de 315MHz ± 2% sau 433.92mhz ± 3.5%. Datorită capacității și inductanței suplimentare cauzate de efectul parazit al plumbului, vârful frecvenței de oscilație de 315 MHz ajunge la 312.17 MHz, iar vârful frecvenței de oscilare de 433.92 MHz atinge 426.6 MHz.

Un alt exemplu este canalul rezonant al receptorului superheterodin al lui Maxim (MAX7042). Componentele recomandate sunt 1.2pF și 30nH la 315MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Calculați frecvența de oscilație a circuitului rezonant utilizând ecuația:

Evaluarea circuitului rezonant al plăcii ar trebui să includă efectele parazite ale pachetului și ale aspectului, iar parametrii paraziți sunt 7.3PF și respectiv 7.5PF atunci când se calculează frecvența rezonantă de 315 MHz. Rețineți că produsul LC reprezintă capacitate forfetară.

Pentru a rezuma, trebuie respectate următoarele principii:

Păstrați plumbul cât mai scurt posibil.

Amplasați circuitele cheie cât mai aproape de dispozitiv.

Componentele cheie sunt compensate în funcție de parazitismul aspectului real.

Tratament de împământare și umplere

Pământul sau stratul de putere definește o tensiune de referință comună care furnizează energie tuturor părților sistemului printr-o cale de rezistență scăzută. Egalizarea tuturor câmpurilor electrice în acest mod produce un bun mecanism de ecranare.

Curentul continuu tinde întotdeauna să curgă de-a lungul unei căi de rezistență scăzută. În același mod, curentul de înaltă frecvență curge preferențial prin calea cu cea mai mică rezistență. Deci, pentru o linie standard de microstrip PCB deasupra formațiunii, curentul de retur încearcă să curgă în regiunea solului direct sub cablu. Așa cum este descris în secțiunea de cuplare a cablului de mai sus, zona de sol tăiat introduce diferite zgomote care cresc diafragma fie prin cuplarea câmpului magnetic, fie prin curenți convergenți (Figura 9).

Cum să evitați diferite defecte în aspectul PCB al plăcilor tipărite

FIG. 9. Păstrați formarea intactă cât mai mult posibil, altfel curentul de retur va provoca diafragma.

Pământul umplut, cunoscut și sub numele de linii de protecție, este utilizat în mod obișnuit în circuite în care împământarea continuă este dificil de așezat sau în care este necesară protecția circuitelor sensibile (FIG. 10). Efectul de protecție poate fi mărit prin plasarea orificiilor de împământare (adică matrice de găuri) la ambele capete ale cablului sau de-a lungul acestuia. 8. Nu amestecați firul de protecție cu cablul proiectat pentru a oferi o cale de curent de retur. Acest aranjament poate introduce diafragma.

Cum să evitați diferite defecte în aspectul PCB al plăcilor tipărite

FIG. 10. Proiectarea sistemului RF ar trebui să evite firele plutitoare placate cu cupru, mai ales dacă este necesară învelirea cu cupru.

Zona acoperită cu cupru nu este împământată (plutitoare) sau împământată doar la un capăt, ceea ce restrânge eficacitatea acesteia. În unele cazuri, poate provoca efecte nedorite prin formarea unei capacități parazitare care modifică impedanța cablării înconjurătoare sau creează o cale „latentă” între circuite. Pe scurt, dacă o bucată de placare de cupru (cablarea semnalului fără circuit) este așezată pe placa de circuit pentru a asigura o grosime consistentă a placării. Zonele îmbrăcate în cupru trebuie evitate, deoarece afectează proiectarea circuitului.

În cele din urmă, asigurați-vă că luați în considerare efectele oricărei zone de sol din apropierea antenei. Orice antenă monopol va avea regiunea la sol, cablajul și găurile ca parte a echilibrului sistemului, iar cablurile de echilibru neideal vor afecta eficiența radiației și direcția antenei (șablon de radiație). Prin urmare, zona solului nu trebuie plasată direct sub antena cu cablu PCB monopol.

Pentru a rezuma, trebuie respectate următoarele principii:

Asigurați zone de împământare continue și cu rezistență redusă, pe cât posibil.

Ambele capete ale liniei de umplere sunt împământate, iar o rețea de găuri de trecere este utilizată pe cât posibil.

Nu plutiți sârmă îmbrăcată în cupru lângă circuitul RF, nu așezați cupru în jurul circuitului RF.

Dacă placa de circuite conține mai multe straturi, cel mai bine este să puneți un sol prin gaură atunci când cablul de semnal trece dintr-o parte în alta.

Capacitate cristalină excesivă

Capacitatea parazită va face ca frecvența cristalului să devieze de la valoarea țintă 9. Prin urmare, ar trebui respectate câteva instrucțiuni generale pentru a reduce capacitatea de rătăcire a pinilor de cristal, tampoane, fire sau conexiuni la dispozitive RF.

Ar trebui respectate următoarele principii:

Conexiunea dintre cristal și dispozitivul RF ar trebui să fie cât mai scurtă posibil.

Păstrați cablajul unul de celălalt cât mai departe posibil.

Dacă capacitatea parazită de șunt este prea mare, îndepărtați regiunea de împământare de sub cristal.

Inductanță de cablare plană

Cablurile plane sau inductoarele spirale ale PCB nu sunt recomandate. Procesele tipice de fabricație a PCB au anumite inexactități, cum ar fi lățimea și toleranțele de spațiu, care afectează foarte mult acuratețea valorilor componentelor. Prin urmare, majoritatea inductoarelor Q controlate și înalte sunt de tipul plăgii. În al doilea rând, puteți alege inductor ceramic multistrat, producătorii de condensatori cu cip multistrat furnizează, de asemenea, acest produs. Cu toate acestea, unii designeri aleg inductoare spirale atunci când trebuie. Formula standard pentru calcularea inductanței spirale plane este de obicei formula 10 a lui Wheeler:

Unde, a este raza medie a bobinei, în inci; N este numărul de ture; C este lățimea miezului bobinei (router-rinner), în inci. Când bobina c „0.2a 11, precizia metodei de calcul este în limita a 5%.

Se pot utiliza inductoare spiralate cu un singur strat de forme pătrate, hexagonale sau de altă natură. Se pot găsi aproximări foarte bune pentru a modela inductanța plană pe waferele cu circuit integrat. Pentru a atinge acest obiectiv, formula standard Wheeler este modificată pentru a obține o metodă de estimare a inductanței plane adecvată pentru dimensiuni mici și pătrate 12.

Unde, ρ este raportul de umplere :; N este numărul de ture, iar dAVG este diametrul mediu :. Pentru elice pătrate, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Există multe motive pentru a evita utilizarea acestui tip de inductor, care de obicei conduc la valori reduse ale inductanței din cauza limitărilor de spațiu. Principalele motive pentru evitarea inductoarelor plane sunt geometria limitată și un control slab al dimensiunilor critice, ceea ce face imposibilă prezicerea valorilor inductorului. În plus, valorile reale ale inductanței sunt dificil de controlat în timpul producției de PCB, iar inductanța tinde, de asemenea, să cupleze zgomotul cu alte părți ale circuitului.