Početné prípady použitia priemyselných, vedeckých a lekárskych rádiofrekvenčných produktov (ISM-RF) ukazujú, že vytlačená obvodová doska rozloženie týchto produktov je náchylné na rôzne chyby.Ľudia často zisťujú, že ten istý integrovaný obvod nainštalovaný na dvoch rôznych doskách s plošnými spojmi, sa budú ukazovatele výkonu výrazne líšiť. 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. V tomto dokumente je dielektrikum fr-4, dvojvrstvová doska plošných spojov s hrúbkou 0.0625 palca, ako napríklad uzemnenie dosky plošných spojov. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Smer indukčnosti

Keď sú dva induktory (alebo dokonca dve vedenia DPS) blízko seba, dôjde k vzájomnej indukčnosti. 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:

Kde YB je chybové napätie vstreknuté do obvodu B, IA je prúd 1 pôsobiaci na obvod A. LM is very sensitive to circuit spacing, inductance loop area (i.e., magnetic flux), and loop direction. 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. Za týmto účelom, pokiaľ možno kolmo na seba, pozrite sa na usporiadanie obvodov dosky s nízkym výkonom FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) (MAX7042EVKIT) (obrázok 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.

Obrázok 2. Sú zobrazené dve rôzne rozloženia DPS, z ktorých jedno má prvky usporiadané v zlom smere (L1 a L3), zatiaľ čo druhé je vhodnejšie.

To sum up, the following principles should be followed:

Rozstup indukčnosti by mal byť čo najďalej.

Induktory sú usporiadané v pravom uhle, aby sa minimalizoval presluch medzi induktormi.

Veďte spojku

Rovnako ako orientácia induktorov ovplyvňuje magnetickú väzbu, má vplyv aj spojka, ak sú vodiče príliš blízko seba. Tento druh problému s rozložením tiež vytvára to, čo sa nazýva vzájomný pocit. Jedným z najčastejších problémov RF obvodu je zapojenie citlivých častí systému, ako sú vstupná zhodná sieť, rezonančný kanál prijímača, anténna zhodná sieť vysielača atď.

Cesta spätného prúdu by mala byť čo najbližšie k hlavnej prúdovej dráhe, aby sa minimalizovalo magnetické pole žiarenia. This arrangement helps to reduce the current loop area. Ideálna cesta nízkeho odporu pre spätný prúd je zvyčajne zemná oblasť pod zvodom – účinne obmedzuje oblasť slučky na oblasť, kde je hrúbka dielektrika vynásobená dĺžkou zvodu. Ak je však pozemná oblasť rozdelená, oblasť slučky sa zvýši (obrázok 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.

Obrázok 3. Kompletné uzemnenie veľkej plochy pomáha zlepšiť výkon systému

Pri skutočnom induktore má smer elektródy tiež významný vplyv na väzbu magnetického poľa. Ak musia byť vodiče citlivého obvodu blízko seba, je najlepšie zarovnať ich zvisle, aby sa znížila väzba (obrázok 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. For protection wire design, please refer to the grounding and filling treatment section below.

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

Hlavným problémom usporiadania obvodov RF je zvyčajne neoptimálna charakteristická impedancia obvodu vrátane súčastí obvodu a ich prepojení. Elektróda s tenkým medeným povlakom je ekvivalentná indukčnému vodiču a tvorí distribuovanú kapacitu s inými elektródami v okolí. Pri prechode dierou zvod tiež vykazuje indukčné a kapacitné vlastnosti.

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. Účinok parazitickej kapacity je spravidla malý a zvyčajne spôsobuje iba kolísanie okrajov vo vysokorýchlostných digitálnych signáloch (o čom sa v tejto práci nehovorí).

Najväčším účinkom priechodného otvoru je parazitická indukčnosť spôsobená zodpovedajúcim režimom prepojenia. 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 je priemer priechodnej diery v palcoch 2.

Ako sa vyhnúť rôznym chybám v rozložení plošných spojov plošných spojov

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. Ideálne obtokové kondenzátory poskytujú vysokofrekvenčné skraty medzi napájacou zónou a formáciou, ale neideálne priechodné otvory môžu ovplyvniť cestu s nízkou citlivosťou medzi formáciou a napájacou zónou. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Vzhľadom na špecifickú prevádzkovú frekvenciu produktu ISM-RF môžu priechodné otvory nepriaznivo ovplyvňovať citlivé obvody, ako sú obvody rezonančných kanálov, filtre a zodpovedajúce siete.

Ďalšie problémy nastávajú, ak citlivé obvody zdieľajú otvory, ako napríklad dve ramená siete typu π. Napríklad umiestnením ideálneho otvoru ekvivalentného hrudkovanej indukčnosti je ekvivalentná schéma úplne odlišná od pôvodného návrhu obvodu (obr. 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

Obrázok 6. Ideálne vs. neideálne architektúry, v obvode existujú potenciálne „signálové cesty“.

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.

Dĺžka olova

Údaje o výrobkoch Maxim ISM-RF často odporúčajú používať čo najkratšie vysokofrekvenčné vstupné a výstupné vedenia, aby sa minimalizovali straty a žiarenie. Na druhej strane sú tieto straty zvyčajne spôsobené neideálnymi parazitickými parametrami, takže parazitná indukčnosť aj kapacita ovplyvňujú rozloženie obvodu a použitie čo najkratšieho vedenia pomáha znižovať parazitické parametre. 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. V prípade obvodu LAN/ mixéra s induktorom 20nH a kondenzátorom 3pF bude efektívna hodnota komponentu výrazne ovplyvnená, keď je usporiadanie obvodu a komponentu veľmi kompaktné.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Tento dokument bol v roku 2003 nahradený IPC-2251 5, ktorý poskytuje presnejšiu metódu výpočtu pre rôzne zvody 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:

Vo vzorci je εr dielektrická konštanta dielektrika, h je výška zvodu od vrstvy, W je šírka zvodu a T je hrúbka zvodu (obr. 7). Keď je w/h medzi 0.1 a 2.0 a εr je medzi 1 a 15, výsledky výpočtu tohto vzorca sú celkom presné.

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. V tomto prípade diskutujeme o rozptylovej kapacite a indukčnosti. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Podobne je možné z rovnice vypočítať charakteristickú indukčnosť pomocou vyššie uvedenej rovnice:

Predpokladajme napríklad hrúbku DPS 0.0625 palca. (h = 62.5 mil.), 1 unca medeného povlaku olova (t = 1.35 mil), 0.01 palca (w = 10 mil.) a doska FR-4. Všimnite si toho, že e R FR-4 je typicky 4.35 farad/m (F/m), ale môže sa pohybovať od 4.0 F/m do 4.7 F/m. Vlastné hodnoty vypočítané v tomto prípade sú Z0 = 134 co, Co = 0 pF/in, L1.04 = 0 nH/in.

Pri konštrukcii AN ISM-RF môže 12.7 mm (0.5 palcová) dĺžka vodičov na doske produkovať parazitické parametre približne 0.5 pF a 9.3 nH (obrázok 8). Účinok parazitických parametrov na tejto úrovni na rezonančný kanál prijímača (variácia produktu LC) môže mať za následok odchýlku 315 MHz ± 2% alebo 433.92 MHz ± 3.5%. Vzhľadom na dodatočnú kapacitu a indukčnosť spôsobenú parazitným účinkom elektródy dosahuje vrchol oscilačnej frekvencie 315 MHz 312.17 MHz a vrchol oscilačnej frekvencie 433.92 MHz dosahuje 426.6 MHz.

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. Vypočítajte oscilačnú frekvenciu rezonančného obvodu pomocou rovnice:

Vyhodnotenie rezonančného obvodu dosky by malo zahŕňať parazitické efekty obalu a rozloženia a pri výpočte rezonančnej frekvencie 7.3 MHz sú parazitické parametre 7.5 PF a 315 PF. Všimnite si, že produkt LC predstavuje sústredenú kapacitu.

Aby sme to zhrnuli, je potrebné dodržať nasledujúce zásady:

Vedenie udržujte čo najkratšie.

Kľúčové obvody umiestnite čo najbližšie k zariadeniu.

Kľúčové komponenty sú kompenzované podľa skutočného parazitizmu rozloženia.

Uzemnenie a ošetrenie výplne

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Vyrovnaním všetkých elektrických polí týmto spôsobom vzniká dobrý tieniaci mechanizmus.

Jednosmerný prúd má vždy tendenciu prúdiť po ceste s nízkym odporom. Rovnako tak vysokofrekvenčný prúd prednostne preteká cestou s najnižším odporom. 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).

Ako sa vyhnúť rôznym chybám v rozložení plošných spojov plošných spojov

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. Nemiešajte ochranný vodič s elektródou navrhnutou tak, aby poskytovala cestu spätného prúdu. Toto usporiadanie môže zaviesť presluchy.

Ako sa vyhnúť rôznym chybám v rozložení plošných spojov plošných spojov

Obr. 10. Konštrukcia systému RF by sa mala vyhýbať plávajúcim medeným plášťom drôtov, najmä ak je požadované medené opláštenie.

Medená oblasť nie je uzemnená (plávajúca) ani uzemnená iba na jednom konci, čo obmedzuje jej účinnosť. 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. Stručne povedané, ak je na doske plošných spojov položený kus medeného plášťa (nekruhové signálne vedenie), aby sa zaistila konzistentná hrúbka pokovovania. Je potrebné vyhnúť sa oblastiam pokrytým meďou, pretože ovplyvňujú návrh obvodu.

Nakoniec nezabudnite vziať do úvahy účinky akejkoľvek pozemnej oblasti v blízkosti antény. Akákoľvek monopólová anténa bude mať zemnú oblasť, káble a otvory ako súčasť systémovej rovnováhy a neideálne rovnovážné vedenie ovplyvní účinnosť žiarenia a smer antény (vzor žiarenia). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

To sum up, the following principles should be followed:

Pokiaľ je to možné, poskytnite nepretržité uzemňovacie zóny s nízkym odporom.

Oba konce plniacej linky sú uzemnené a pokiaľ je to možné, používa sa sústava priechodných otvorov.

Neplavte medený drôt v blízkosti RF obvodu, nepokladajte meď okolo RF obvodu.

Ak obvodová doska obsahuje viac vrstiev, je najlepšie položiť uzemňovací otvor, keď signálny kábel prechádza z jednej strany na druhú.

Nadmerná kapacita kryštálov

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Preto by ste mali dodržať niektoré všeobecné pokyny na zníženie rozptylovej kapacity kryštálových kolíkov, podložiek, vodičov alebo pripojení k RF zariadeniam.

Mali by sa dodržiavať tieto zásady:

Spojenie medzi kryštálom a RF zariadením by malo byť čo najkratšie.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Ak je paralelná parazitná kapacita príliš veľká, odstráňte uzemňovaciu oblasť pod kryštálom.

Planar wiring inductance

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. Preto je väčšina kontrolovaných induktorov a induktorov s vysokým Q vinutá. Za druhé, môžete si vybrať viacvrstvový keramický induktor, výrobcovia viacvrstvových čipových kondenzátorov poskytujú aj tento výrobok. Napriek tomu niektorí dizajnéri volia špirálové induktory, keď musia. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Kde a je priemerný polomer cievky v palcoch; N je počet závitov; C je šírka jadra cievky (router-rinner) v palcoch. Keď cievka c “0.2a 11, presnosť metódy výpočtu je v rámci 5%.

Môžu byť použité jednovrstvové špirálové induktory štvorcových, šesťuholníkových alebo iných tvarov. Na modelovanie planárnej indukčnosti na doštičkách s integrovaným obvodom je možné nájsť veľmi dobré aproximácie. Aby sa dosiahol tento cieľ, štandardný Wheelerov vzorec je upravený tak, aby získal metódu odhadu rovinnej indukčnosti vhodnú pre malé a štvorcové veľkosti 12.

Kde ρ je pomer plnenia :; N je počet závitov a dAVG je priemerný priemer :. Pre štvorcové špirály K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Existuje mnoho dôvodov, prečo sa vyhnúť používaniu tohto typu induktora, čo zvyčajne vedie k zníženiu hodnôt indukčnosti v dôsledku priestorových obmedzení. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Skutočné hodnoty indukčnosti sú navyše pri výrobe DPS ťažko kontrolovateľné a indukčnosť má tiež tendenciu spájať šum s inými časťami obvodu.