Številni primeri uporabe industrijskih, znanstvenih in medicinskih radijskih frekvenc (ISM-RF) kažejo, da je tiskano vezje postavitev teh izdelkov je nagnjena k različnim napakam.Ljudje pogosto ugotovijo, da se bo isti IC, nameščen na dveh različnih vezjih, kazalniki učinkovitosti bistveno razlikovali. 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 tem prispevku je na primer dvoslojno tiskano vezje fr-4 z debelino 0.0625 inča, ozemljitev vezja. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Smer induktivnosti

Ko sta dva induktorja (ali celo dve vodi PCB) blizu drug drugega, bo prišlo do medsebojne induktivnosti. 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:

Kjer je YB napetost napake, vbrizgana v vezje B, je IA tok 1, ki deluje na vezje A. LM je zelo občutljiv na razmik med vezji, območje induktivne zanke (tj. Magnetni tok) in smer zanke. 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. V ta namen, čim bolj pravokotno drug na drugega, glejte postavitev vezja plošče za vrednotenje superheterodinskega sprejemnika (EV) nizke porabe (EV) (MAX7042EVKIT) (slika 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.

Slika 2. Prikazani sta dve različni postavitvi tiskanega vezja, od katerih ima eden elemente, razporejene v napačni smeri (L1 in L3), drugi pa je bolj primeren.

Če povzamemo, je treba upoštevati naslednja načela:

Razdalja med induktivnostjo mora biti čim daljša.

Induktorji so razporejeni pod pravim kotom, da se zmanjša preslušanje med induktorji.

Vodite sklopko

Tako kot orientacija induktorjev vpliva na magnetno sklopko, vpliva tudi sklopka, če so vodi preblizu drug drugemu. Tovrstni problem postavitve povzroča tudi tako imenovano medsebojno občutenje. Eden najbolj zaskrbljenih problemov RF vezja je ožičenje občutljivih delov sistema, kot so omrežje za usklajevanje vhodov, resonančni kanal sprejemnika, antensko omrežje oddajnika itd.

Pot povratnega toka mora biti čim bližje glavni tokovni poti, da se čim bolj zmanjša magnetno polje sevanja. This arrangement helps to reduce the current loop area. Idealna pot z nizkim uporom za povratni tok je običajno ozemljitveno območje pod vodilom – kar učinkovito omejuje območje zanke na območje, kjer se debelina dielektrika pomnoži z dolžino vodila. Če pa se območje tal razdeli, se območje zanke poveča (slika 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.

Slika 3. Popolno ozemljitev velike površine pomaga izboljšati delovanje sistema

Pri dejanskem induktorju ima smer vodila tudi pomemben vpliv na sklopko magnetnega polja. Če morajo biti vodila občutljivega tokokroga blizu drug drugemu, je najbolje, da vodnike poravnate navpično, da zmanjšate sklopko (slika 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Za zasnovo zaščitne žice glejte spodnji razdelek ozemljitve in obdelave polnjenja.

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.

Občutljive kable je treba namestiti navpično.

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

Grounding via

Glavna težava pri postavitvi RF vezja je ponavadi suboptimalna karakteristična impedanca vezja, vključno s komponentami vezja in njihovimi medsebojnimi povezavami. Kabel s tanko bakreno prevleko je enakovreden indukcijski žici in tvori porazdeljeno kapacitivnost z drugimi vodi v bližini. Pri prehodu skozi luknjo ima svinec tudi lastnosti induktivnosti in kapacitivnosti.

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. Učinek parazitske kapacitivnosti je na splošno majhen in običajno povzroči le nihanje robov pri hitrih digitalnih signalih (o čemer v tem prispevku ni govora).

Največji učinek skoznje luknje je parazitska induktivnost, ki jo povzroči ustrezen način medsebojne povezave. 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 premer luknje v palcih 2.

Kako se izogniti različnim napakam pri postavitvi tiskanih plošč na PCB

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. Idealni obvodni kondenzatorji zagotavljajo visokofrekvenčni kratek stik med dovodnim območjem in formacijo, vendar lahko neidealne skoznje luknje vplivajo na pot z nizko občutljivostjo med tvorbo in dovodno cono. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Glede na specifično delovno frekvenco izdelka ISM-RF lahko luknje negativno vplivajo na občutljiva vezja, kot so vezja resonančnih kanalov, filtri in ustrezna omrežja.

Druge težave nastanejo, če občutljiva vezja delijo luknje, na primer dva kraka omrežja π. Na primer, z namestitvijo idealne luknje, ki je enakovredna induktivnosti, se enakovredna shema precej razlikuje od prvotne zasnove vezja (slika 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

Slika 6. Idealne v primerjavi z neidealnimi arhitekturami, v vezju so možne “signalne poti”.

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.

Dolžina vodila

Maxim ISM-RF podatki o izdelkih pogosto priporočajo uporabo najkrajših možnih visokofrekvenčnih vhodnih in izhodnih vodov za zmanjšanje izgub in sevanja. Po drugi strani pa takšne izgube običajno povzročijo neidealni parazitski parametri, zato tako parazitska induktivnost kot kapacitivnost vplivata na postavitev vezja, uporaba najkrajšega možnega kabla pa pomaga zmanjšati parazitske 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. Za LAN/ mešalno vezje z indukcijskim motorjem 20nH in kondenzatorjem 3pF bo učinkovita vrednost komponente močno vplivala, če sta vezje in postavitev komponent zelo kompaktna.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Ta dokument je bil leta 2003 zamenjan z IPC-2251 5, ki zagotavlja natančnejšo metodo izračuna za različne vodile 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:

V formuli je εr dielektrična konstanta dielektrika, h je višina svinca iz sloja, W je širina vodila in T je debelina svinca (slika 7). Ko je w/h med 0.1 in 2.0 in εr med 1 in 15, so rezultati izračuna te formule precej natančni.

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 tem primeru razpravljamo o potepuški kapacitivnosti in induktivnosti. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Podobno je mogoče karakteristično induktivnost izračunati iz enačbe z uporabo zgornje enačbe:

Denimo na primer debelino PCB 0.0625 in. (h = 62.5 mil), 1 unča svinca prevlečenega z bakrom (t = 1.35 mil), 0.01 in. (w = 10 mil) in ploščo FR-4. Upoštevajte, da je ε R FR-4 običajno 4.35 farad/m (F/m), lahko pa se giblje od 4.0F/m do 4.7F/m. Lastne vrednosti, izračunane v tem primeru, so Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Za zasnovo AN ISM-RF lahko dolžina kablov 12.7 mm (0.5 palca) na plošči povzroči parazitske parametre približno 0.5 pF in 9.3 nH (slika 8). Učinek parazitskih parametrov na tej ravni na resonančni kanal sprejemnika (variacija produkta LC) lahko povzroči 315MHz ± 2% ali 433.92mhz ± 3.5% variacije. Zaradi dodatne kapacitivnosti in induktivnosti, ki jo povzroča parazitski učinek svinca, najvišja frekvenca nihanja 315 MHz doseže 312.17 mhz, najvišja frekvenca nihanja 433.92 mhz pa 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. Izračunajte frekvenco nihanja resonančnega vezja z enačbo:

Ocena resonančnega vezja plošče mora vključevati parazitske učinke paketa in postavitev, parazitski parametri pa so 7.3PF oziroma 7.5PF pri izračunu resonančne frekvence 315MHz. Upoštevajte, da izdelek LC predstavlja združeno kapacitivnost.

Če povzamemo, je treba upoštevati naslednja načela:

Naj bo vodstvo čim krajše.

Ključna vezja postavite čim bližje napravi.

Ključne komponente so kompenzirane glede na dejansko parazitnost postavitve.

Obdelava ozemljitve in polnjenja

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Izravnava vseh električnih polj na ta način daje dober zaščitni mehanizem.

Enosmerni tok vedno teče po poti nizkega upora. Na enak način visokofrekvenčni tok prednostno teče po poti z najmanjšim uporom. 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).

Kako se izogniti različnim napakam pri postavitvi tiskanih plošč na PCB

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. Zaščitne žice ne mešajte s kablom, ki je zasnovan tako, da zagotavlja pot povratnega toka. Ta ureditev lahko uvede preslušanje.

Kako se izogniti različnim napakam pri postavitvi tiskanih plošč na PCB

Sl. 10. Zasnova RF sistema se mora izogibati plavajočim bakrenim žicam, še posebej, če je potrebna bakrena obloga.

Območje, obloženo z bakrom, ni ozemljeno (plavajoče) ali ozemljeno le na enem koncu, kar omejuje njegovo učinkovitost. 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. Skratka, če je na vezje položen kos bakrene obloge (signalna napeljava brez vezja), da se zagotovi dosledna debelina prevleke. Izogibati se je treba bakrenim površinam, saj vplivajo na zasnovo vezja.

Nazadnje, ne pozabite pretehtati učinkov katere koli površine tal v bližini antene. Vsaka monopolna antena bo imela območje tal, ožičenje in luknje kot del ravnovesja sistema, neidealno ravnovesno ožičenje pa bo vplivalo na učinkovitost sevanja in smer antene (predloga sevanja). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Če povzamemo, je treba upoštevati naslednja načela:

Zagotovite čim bolj neprekinjena ozemljitvena območja z nizko upornostjo.

Oba konca polnilne črte sta ozemljena in kolikor je mogoče uporabljena matrika skozi luknje.

Ne plavajte bakreno obložene žice v bližini RF vezja, ne polagajte bakra okoli RF vezja.

Če tiskano vezje vsebuje več plasti, je najbolje, da tla položite skozi luknjo, ko signalni kabel preide z ene strani na drugo.

Prekomerna kristalna kapacitivnost

Parazitska kapacitivnost bo povzročila odstopanje frekvence kristala od ciljne vrednosti 9. Zato je treba upoštevati nekatere splošne smernice za zmanjšanje zmotne kapacitete kristalnih zatičev, blazinic, žic ali povezav z RF napravami.

Upoštevati je treba naslednja načela:

Povezava med kristalom in RF napravo mora biti čim krajša.

Ožičenje naj bo čim bližje drug drugemu.

Če je parazitska kapacitivnost šanta prevelika, odstranite ozemljitveno območje pod kristalom.

Ravna induktivnost ožičenja

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. Zato je večina nadzorovanih induktorjev z visokim Q tipa rane. Drugič, lahko izberete večplastni keramični induktor, proizvajalci večplastnih čipov kondenzatorjev ponujajo tudi ta izdelek. Kljub temu nekateri oblikovalci izbirajo spiralne induktorje, kadar je to potrebno. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Kjer je a povprečni polmer tuljave, v palcih; N število zavojev; C je širina jedra tuljave (usmerjevalnik-izpiralnik), v palcih. Ko je tuljava c “0.2a 11, je natančnost metode izračuna znotraj 5%.

Uporabite lahko enoslojne spiralne induktorje kvadratne, šesterokotne ali druge oblike. Za modeliranje ravninske induktivnosti na ploščah integriranega vezja je mogoče najti zelo dobre približke. Za dosego tega cilja se standardna Wheelerjeva formula spremeni tako, da se pridobi metoda ocenjevanja ravninske induktivnosti, primerna za majhne in kvadratne velikosti 12.

Kjer je ρ razmerje polnjenja :; N je število zavojev, dAVG pa povprečni premer :. Za kvadratne vijačnice je K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Obstaja veliko razlogov, da se izognete uporabi te vrste induktorja, kar običajno povzroči zmanjšane vrednosti induktivnosti zaradi omejitev prostora. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Poleg tega je med proizvodnjo tiskanih vezij težko nadzorovati dejanske vrednosti induktivnosti, induktivnost pa tudi povezuje hrup z drugimi deli vezja.