Многочисленные случаи применения промышленных, научных и медицинских радиочастот (ISM-RF) показывают, что печатная плата компоновка этих изделий подвержена различным дефектам.Люди часто обнаруживают, что одна и та же ИС, установленная на двух разных платах, показатели производительности будут существенно отличаться. Различия в условиях эксплуатации, гармоническом излучении, помехоустойчивости и времени запуска могут объяснить важность компоновки печатной платы для успешного проектирования.

В этой статье перечислены различные упущения в конструкции, обсуждаются причины каждого сбоя и даются предложения о том, как их избежать. В этой статье, диэлектрик fr-4, двухслойная печатная плата толщиной 0.0625 дюйма в качестве примера, заземление печатной платы. Работа в разных диапазонах частот от 315 МГц до 915 МГц, мощность передачи и приема от -120 дБм до +13 дБм.

Направление индуктивности

Когда две катушки индуктивности (или даже две линии на печатной плате) расположены близко друг к другу, возникает взаимная индуктивность. Магнитное поле, создаваемое током в первой цепи, возбуждает ток во второй цепи (рис. 1). Этот процесс аналогичен взаимодействию между первичной и вторичной обмотками трансформатора. When two currents interact through a magnetic field, the voltage generated is determined by mutual inductance LM:

Где YB – это напряжение ошибки, подаваемое в цепь B, IA – ток 1, действующий на цепь A. LM очень чувствителен к расстоянию между контурами, площади контура индуктивности (т. Е. Магнитному потоку) и направлению контура. Следовательно, лучший баланс между компактной компоновкой схемы и уменьшенной связью – это правильное выравнивание всех индукторов в одном направлении.

ИНЖИР. 1. Из силовых линий магнитного поля видно, что взаимная индуктивность связана с направлением выравнивания индуктивности.

Направление контура B регулируется так, чтобы его токовая петля была параллельна силовой линии магнитного поля контура A. Для этого, как можно перпендикулярно друг другу, обратитесь к схеме схемы маломощной платы оценки супергетеродинного приемника (EV) FSK (MAX7042EVKIT) (Рисунок 2). Три индуктора на плате (L3, L1 и L2) расположены очень близко друг к другу, а их ориентация под углом 0 °, 45 ° и 90 ° помогает уменьшить взаимную индуктивность.

Рис. 2. Показаны две разные компоновки печатной платы, в одной из которых элементы расположены в неправильном направлении (L1 и L3), а другая более подходит.

Подводя итог, следует придерживаться следующих принципов:

Расстояние между индуктивностями должно быть максимально возможным.

Катушки индуктивности расположены под прямым углом, чтобы минимизировать перекрестные помехи между катушками индуктивности.

Ведите муфту

Так же, как ориентация индукторов влияет на магнитную связь, то же самое влияет на связь, если выводы расположены слишком близко друг к другу. Такая проблема компоновки также вызывает то, что называется взаимным чувством. Одной из наиболее серьезных проблем РЧ-цепи является подключение чувствительных частей системы, таких как входная согласующая цепь, резонансный канал приемника, согласующая антенна передатчика и т. Д.

Путь обратного тока должен быть как можно ближе к пути основного тока, чтобы минимизировать магнитное поле излучения. Такое расположение помогает уменьшить площадь токовой петли. Идеальным путем с низким сопротивлением для обратного тока обычно является область заземления под выводом, что эффективно ограничивает площадь контура областью, где толщина диэлектрика умножается на длину провода. Однако, если область заземления разделена, площадь петли увеличивается (рисунок 3). Для выводов, проходящих через разделенную область, обратный ток будет проходить через путь с высоким сопротивлением, что значительно увеличивает площадь токовой петли. This arrangement also makes circuit leads more susceptible to mutual inductance.

Рис. 3. Полное заземление большой площади помогает повысить производительность системы.

В реальной катушке индуктивности направление выводов также оказывает значительное влияние на связь магнитного поля. Если выводы чувствительной цепи должны быть близко друг к другу, лучше всего выровнять выводы вертикально, чтобы уменьшить связь (Рисунок 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Информацию о конструкции защитного провода см. В разделе о заземлении и заполнении ниже.

Рисунок 4. Подобно рисунку 1, показано возможное соединение силовых линий магнитного поля.

Подводя итог, следует соблюдать следующие принципы при раздаче тарелки:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Чувствительные провода следует располагать вертикально.

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

Заземление через

Основная проблема с компоновкой ВЧ-схемы обычно заключается в неоптимальном характеристическом импедансе схемы, включая компоненты схемы и их соединения. Вывод с тонким медным покрытием эквивалентен проводу индуктивности и образует распределенную емкость с другими выводами поблизости. Вывод также проявляет свойства индуктивности и емкости при прохождении через отверстие.

Емкость в сквозном отверстии в основном возникает из-за емкости, образованной между медной оболочкой на стороне площадки для сквозного отверстия и медной оболочкой на земле, разделенной довольно небольшим кольцом. Другое влияние оказывает цилиндр самой металлической перфорации. Влияние паразитной емкости обычно невелико и обычно вызывает только изменение фронта высокоскоростных цифровых сигналов (что не обсуждается в этой статье).

Самый большой эффект сквозного отверстия – паразитная индуктивность, вызванная соответствующим режимом соединения. Поскольку большинство металлических перфораций в конструкциях радиочастотных печатных плат имеют тот же размер, что и сосредоточенные компоненты, влияние электрических перфораций можно оценить с помощью простой формулы (рис. 5):

Where, LVIA is lumped inductance through hole; H – высота сквозного отверстия в дюймах; D – диаметр сквозного отверстия в дюймах 2.

Как избежать различных дефектов в разводке печатных плат

ИНЖИР. 5. Поперечное сечение печатной платы, используемое для оценки паразитного воздействия на сквозные конструкции.

Паразитная индуктивность часто оказывает большое влияние на подключение байпасных конденсаторов. Идеальные байпасные конденсаторы обеспечивают высокочастотные короткие замыкания между зоной питания и пластом, но неидеальные сквозные отверстия могут повлиять на низкочувствительный путь между пластом и зоной питания. Типичное сквозное отверстие в печатной плате (d = 10 мил, h = 62.5 мил) примерно эквивалентно катушке индуктивности 1.34 нГн. Учитывая конкретную рабочую частоту продукта ISM-RF, сквозные отверстия могут отрицательно повлиять на чувствительные цепи, такие как цепи резонансных каналов, фильтры и согласующие цепи.

Другие проблемы возникают, если чувствительные схемы имеют общие дыры, такие как два плеча сети π-типа. Например, при размещении идеального отверстия, эквивалентного сосредоточенной индуктивности, эквивалентная схема сильно отличается от исходной схемы (фиг. 6). Как и в случае перекрестных помех на общем пути 3 тока, что приводит к увеличению взаимной индуктивности, увеличению перекрестных помех и сквозных помех.

How to avoid PCB design problems

Рис. 6. Идеальные и неидеальные архитектуры: в схеме есть потенциальные «сигнальные пути».

Подводя итог, компоновка схемы должна соответствовать следующим принципам:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Фильтр или согласующая сеть используют независимые сквозные отверстия.

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

Длина поводка

Данные продукта Maxim ISM-RF часто рекомендуют использовать как можно более короткие высокочастотные входы и выходы для минимизации потерь и излучения. С другой стороны, такие потери обычно вызваны неидеальными паразитными параметрами, поэтому паразитная индуктивность и емкость влияют на схему схемы, а использование кратчайшего возможного вывода помогает снизить паразитные параметры. Обычно вывод печатной платы шириной 10 мил на расстоянии 0.0625 дюйма… от платы FR4 дает индуктивность приблизительно 19 нГн / дюйм и распределенную емкость приблизительно 1 пФ / дюйм. Для схемы LAN / смесителя с катушкой индуктивности 20 нГн и конденсатором 3 пФ эффективное значение компонента будет сильно зависеть от очень компактной схемы и компоновки компонентов.

Ipc-d-317a4 в «Институте печатных схем» предоставляет стандартное промышленное уравнение для оценки различных параметров импеданса микрополосковой печатной платы. В 2003 году этот документ был заменен документом IPC-2251 5, который обеспечивает более точный метод расчета для различных выводов печатной платы. Онлайн-калькуляторы доступны из различных источников, большинство из которых основано на уравнениях, предоставленных 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:

В формуле εr – диэлектрическая проницаемость диэлектрика, h – высота вывода из пласта, W – ширина вывода, а T – толщина вывода (фиг. 7). Когда w / h составляет от 0.1 до 2.0, а εr составляет от 1 до 15, результаты расчета по этой формуле достаточно точны.

Рисунок 7. Этот рисунок представляет собой поперечное сечение печатной платы (аналогично рисунку 5) и представляет структуру, используемую для расчета импеданса микрополосковой линии.

Чтобы оценить влияние длины выводов, более практично определить эффект расстройки идеальной схемы по паразитным параметрам выводов. В этом примере мы обсуждаем паразитную емкость и индуктивность. Стандартное уравнение характеристической емкости для микрополосковых линий:

Аналогичным образом характеристическая индуктивность может быть рассчитана из уравнения, используя приведенное выше уравнение:

Например, предположим, что толщина печатной платы составляет 0.0625 дюйма. (h = 62.5 мил), 1 унция свинца с медным покрытием (t = 1.35 мил), 0.01 дюйма (w = 10 мил) и плату FR-4. Обратите внимание, что ε R FR-4 обычно составляет 4.35 фарад / м (Ф / м), но может варьироваться от 4.0 до 4.7 ф / м. Собственные значения, вычисленные в этом примере, равны Z0 = 134 ω, C0 = 1.04 пФ / дюйм, L0 = 18.7 нГн / дюйм.

Для конструкции AN ISM-RF длина выводов на плате 12.7 мм (0.5 дюйма) может привести к паразитным параметрам примерно 0.5 пФ и 9.3 нГн (рисунок 8). Влияние паразитных параметров на этом уровне на резонансный канал приемника (изменение продукта LC) может привести к изменению 315 МГц ± 2% или 433.92 МГц ± 3.5%. Из-за дополнительной емкости и индуктивности, вызванной паразитным эффектом вывода, пик частоты колебаний 315 МГц достигает 312.17 МГц, а пик частоты колебаний 433.92 МГц достигает 426.6 МГц.

Другой пример – резонансный канал супергетеродинного приемника Максима (MAX7042). Рекомендуемые компоненты: 1.2 пФ и 30 нГн при 315 МГц; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Рассчитайте частоту колебаний резонансного контура, используя уравнение:

Оценка резонансного контура пластины должна включать паразитные эффекты корпуса и компоновки, а паразитные параметры составляют 7.3 пФ и 7.5 пФ соответственно при расчете резонансной частоты 315 МГц. Обратите внимание, что произведение LC представляет сосредоточенную емкость.

Подводя итог, необходимо соблюдать следующие принципы:

Держите поводок как можно короче.

Размещайте ключевые схемы как можно ближе к устройству.

Компенсация ключевых компонентов происходит по фактической паразитности компоновки.

Заземление и заливка

Уровень заземления или питания определяет общее опорное напряжение, которое подает питание на все части системы по низкоомному пути. Уравнивание всех электрических полей таким образом создает хороший защитный механизм.

Постоянный ток всегда имеет тенденцию течь по пути с низким сопротивлением. Таким же образом ток высокой частоты предпочтительно течет по пути с наименьшим сопротивлением. 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).

Как избежать различных дефектов в разводке печатных плат

ИНЖИР. 9. Сохраняйте формацию нетронутой, насколько это возможно, иначе обратный ток вызовет перекрестные помехи.

Заливка заземления, также известная как защитные линии, обычно используется в цепях, где непрерывное заземление сложно проложить или где требуется экранирование чувствительных цепей (рис. 10). Эффект экранирования можно усилить, разместив заземляющие отверстия (т. Е. Группы отверстий) на обоих концах провода или вдоль провода. 8. Не перепутайте защитный провод с проводом, предназначенным для обеспечения пути обратного тока. Такое расположение может привести к перекрестным помехам.

Как избежать различных дефектов в разводке печатных плат

ИНЖИР. 10. В конструкции ВЧ-системы не следует допускать плавающих проводов с медной оболочкой, особенно если требуется медная оболочка.

Область, покрытая медью, не заземлена (плавающая) или заземлена только с одного конца, что ограничивает ее эффективность. В некоторых случаях это может вызвать нежелательные эффекты, образуя паразитную емкость, которая изменяет импеданс окружающей проводки или создает «скрытый» путь между цепями. Короче говоря, если на печатную плату проложить кусок медного покрытия (сигнальная проводка без схемы), чтобы обеспечить постоянную толщину покрытия. Следует избегать участков, покрытых медью, поскольку они влияют на конструкцию схемы.

Наконец, не забудьте принять во внимание влияние любого участка земли рядом с антенной. Любая монопольная антенна будет иметь область заземления, проводку и отверстия как часть системы равновесия, а неидеальная равновесная проводка будет влиять на эффективность излучения и направление антенны (шаблон излучения). Следовательно, заземляющая площадка не должна располагаться непосредственно под выводной антенной на монопольной печатной плате.

Подводя итог, следует придерживаться следующих принципов:

По возможности обеспечьте непрерывные зоны заземления с низким сопротивлением.

Оба конца линии розлива заземлены, и по возможности используется массив сквозных отверстий.

Не кладите медный провод рядом с радиочастотной цепью, не кладите медь вокруг радиочастотной цепи.

Если печатная плата состоит из нескольких слоев, лучше всего проложить сквозное отверстие для заземления, когда сигнальный кабель проходит от одной стороны к другой.

Чрезмерная емкость кристалла

Паразитная емкость приведет к отклонению частоты кристалла от целевого значения 9. Поэтому следует соблюдать некоторые общие рекомендации, чтобы уменьшить паразитную емкость контактов кристалла, контактных площадок, проводов или соединений с ВЧ-устройствами.

Следует придерживаться следующих принципов:

Соединение между кристаллом и ВЧ-устройством должно быть как можно короче.

Держите провода друг от друга как можно дальше.

Если паразитная емкость шунта слишком велика, удалите область заземления под кристаллом.

Индуктивность планарной проводки

Плоская проводка или спиральные индукторы на печатной плате не рекомендуются. Типичные процессы производства печатных плат имеют определенные неточности, такие как допуски по ширине и пространству, которые сильно влияют на точность значений компонентов. Поэтому большинство регулируемых индукторов с высокой добротностью являются намотанными. Во-вторых, вы можете выбрать многослойный керамический индуктор, производители многослойных чип-конденсаторов также предоставляют этот продукт. Тем не менее, некоторые дизайнеры выбирают спиральные индукторы, когда это необходимо. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Где, а – средний радиус катушки в дюймах; N – количество витков; C – ширина сердечника катушки (маршрутизатор-ринер) в дюймах. При катушке c “0.2a 11 точность метода расчета находится в пределах 5%.

Могут использоваться однослойные спиральные индукторы квадратной, шестиугольной или другой формы. Можно найти очень хорошие приближения для моделирования планарной индуктивности на пластинах интегральных схем. Для достижения этой цели стандартная формула Уиллера модифицируется для получения метода оценки плоской индуктивности, подходящего для малых размеров и размеров квадрата 12.

Где, ρ – степень заполнения :; N – количество витков, а dAVG – средний диаметр :. Для квадратных спиралей K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Есть много причин избегать использования этого типа индуктора, что обычно приводит к уменьшению значений индуктивности из-за нехватки места. Основными причинами отказа от использования плоских индукторов являются ограниченная геометрия и плохой контроль критических размеров, что делает невозможным прогнозирование значений индукторов. Кроме того, фактические значения индуктивности трудно контролировать во время производства печатных плат, и индуктивность также имеет тенденцию связывать шум с другими частями схемы.