Rastet e shumta të aplikimit të produkteve të radio frekuencave industriale, shkencore dhe mjekësore (ISM-RF) tregojnë se shtypura qark bordit paraqitja e këtyre produkteve është e prirur për defekte të ndryshme.Njerëzit shpesh zbulojnë se i njëjti IC i instaluar në dy tabela të ndryshme qarku, treguesit e performancës do të jenë dukshëm të ndryshëm. Ndryshimet në kushtet e funksionimit, rrezatimi harmonik, aftësia kundër ndërhyrjes dhe koha e fillimit mund të shpjegojnë rëndësinë e paraqitjes së bordit të qarkut në një dizajn të suksesshëm.

Ky artikull rendit lëshimet e ndryshme të projektimit, diskuton shkaqet e secilit dështim dhe jep sugjerime se si të shmangen këto defekte të projektimit. Në këtë punim, fr-4 dielektrike, me një trashësi 0.0625 inç PCB të dyfishtë si shembull, tokëzimi i bordit të qarkut. Funksionon në breza të ndryshëm frekuencash midis 315MHz dhe 915MHz, fuqia Tx dhe Rx midis -120dbm dhe +13dBm.

Drejtimi i induktivitetit

Kur dy induktorë (ose edhe dy linja PCB) janë afër njëri -tjetrit, do të ndodhë induktancë reciproke. Fusha magnetike e krijuar nga rryma në qarkun e parë ngacmon rrymën në qarkun e dytë (Figura 1). Ky proces është i ngjashëm me ndërveprimin midis mbështjelljeve parësore dhe dytësore të një transformatori. Kur dy rryma ndërveprojnë përmes një fushe magnetike, tensioni i gjeneruar përcaktohet nga induktiviteti i ndërsjellë LM:

Ku, YB është tensioni i gabimit i injektuar në qarkun B, IA është rryma 1 që vepron në qarkun A. LM është shumë e ndjeshme ndaj ndarjes së qarkut, zonës së lakut të induktancës (p.sh., fluksit magnetik) dhe drejtimit të lakut. Prandaj, ekuilibri më i mirë midis paraqitjes së qarkut kompakt dhe bashkimit të zvogëluar është shtrirja e saktë e të gjithë induktorëve në drejtim.

FIK. 1. Nga linjat e fushës magnetike mund të shihet se induktiviteti reciprok lidhet me drejtimin e shtrirjes së induktancës

Drejtimi i qarkut B është rregulluar në mënyrë që laku i tij aktual të jetë paralel me vijën e fushës magnetike të qarkut A. Për këtë qëllim, sa më pingul me njëri -tjetrin, ju lutemi referojuni paraqitjes së qarkut të tabelës me fuqi të ulët FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) (MAX7042EVKIT) (Figura 2). Tre induktorët në tabelë (L3, L1 dhe L2) janë shumë afër njëri -tjetrit, dhe orientimi i tyre në 0 °, 45 ° dhe 90 ° ndihmon në zvogëlimin e induktancës reciproke.

Figura 2. Janë paraqitur dy paraqitje të ndryshme të PCB, njëra prej të cilave ka elementët e rregulluar në drejtim të gabuar (L1 dhe L3), ndërsa tjetra është më e përshtatshme.

Për ta përmbledhur, parimet e mëposhtme duhet të ndiqen:

Hapësira e induktancës duhet të jetë sa më shumë që të jetë e mundur.

Induktorët janë rregulluar në kënde të drejta për të minimizuar kryqëzimin midis induktorëve.

Drejtoni bashkimin

Ashtu si orientimi i induktorëve ndikon në bashkimin magnetik, ashtu edhe bashkimi nëse drejtuesit janë shumë afër njëri -tjetrit. Ky lloj problemi i paraqitjes prodhon gjithashtu atë që quhet ndjesi reciproke. Një nga problemet më të shqetësuara të qarkut RF është instalimi i pjesëve të ndjeshme të sistemit, të tilla si rrjeti i përputhjes së hyrjes, kanali tingëllues i marrësit, rrjeti i përputhjes së antenave të transmetuesit, etj.

Rruga e rrymës së kthimit duhet të jetë sa më afër rrugës kryesore aktuale për të minimizuar fushën magnetike të rrezatimit. Ky rregullim ndihmon për të zvogëluar zonën aktuale të lakut. Rruga ideale e rezistencës së ulët për rrymën e kthimit është zakonisht rajoni i tokës nën plumb – duke kufizuar në mënyrë efektive zonën e lakut në një rajon ku trashësia e dielektrikut shumëzohet me gjatësinë e plumbit. Sidoqoftë, nëse rajoni i tokës është i ndarë, zona e lakut rritet (Figura 3). Për drejtimet që kalojnë nëpër rajonin e ndarë, rryma e kthimit do të detyrohet përmes shtegut të rezistencës së lartë, duke rritur shumë zonën aktuale të lakut. Ky rregullim gjithashtu i bën drejtimet e qarkut më të ndjeshëm ndaj induktancës reciproke.

Figura 3. Tokëzimi i plotë i sipërfaqes së madhe ndihmon në përmirësimin e performancës së sistemit

Për një induktor aktual, drejtimi i plumbit gjithashtu ka një efekt të rëndësishëm në bashkimin e fushës magnetike. Nëse drejtuesit e një qarku të ndjeshëm duhet të jenë pranë njëri -tjetrit, është mirë që të drejtoni drejtuesit vertikalisht për të zvogëluar bashkimin (Figura 4). Nëse shtrirja vertikale nuk është e mundur, merrni parasysh përdorimin e një linje mbrojtëse. Për dizajnin e telave mbrojtës, ju lutemi referojuni seksionit të trajtimit të tokëzimit dhe mbushjes më poshtë.

Figura 4. Ngjashëm me Figurën 1, tregon bashkimin e mundshëm të linjave të fushës magnetike.

Për ta përmbledhur, parimet e mëposhtme duhet të ndiqen kur pjata shpërndahet:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Lidhjet e ndjeshme duhet të vendosen vertikalisht.

Nëse prizat duhet të vendosen paralelisht, siguroni një hapësirë ​​të përshtatshme ose përdorni tela mbrojtës.

Tokëzimi nëpërmjet

Problemi kryesor me paraqitjen e qarkut RF është zakonisht rezistenca e ulët karakteristike e qarkut, duke përfshirë përbërësit e qarkut dhe ndërlidhjet e tyre. Plumbi me një shtresë të hollë bakri është ekuivalente me telin e induktancës dhe formon një kapacitet të shpërndarë me plumba të tjerë në afërsi. Plumbi gjithashtu shfaq vetitë e induktivitetit dhe kapacitetit ndërsa kalon nëpër vrimë.

Kapaciteti i vrimës vjen kryesisht nga kapaciteti i formuar midis veshjes së bakrit në anën e jastëkut dhe veshjes së bakrit në tokë, të ndarë nga një unazë mjaft e vogël. Një ndikim tjetër vjen nga cilindri i vetë shpimit të metalit. Efekti i kapacitetit parazitar është përgjithësisht i vogël dhe zakonisht shkakton vetëm ndryshim të skajit në sinjalet dixhitale me shpejtësi të lartë (gjë që nuk diskutohet në këtë punim).

Efekti më i madh i vrimës është induktiviteti parazitar i shkaktuar nga mënyra përkatëse e ndërlidhjes. Për shkak se shumica e perforimeve metalike në modelet e PCB RF janë të së njëjtës madhësi me përbërësit e grumbulluar, efekti i perforimeve elektrike mund të vlerësohet duke përdorur një formulë të thjeshtë (FIG. 5):

Ku, LVIA është induktancë e grumbulluar përmes vrimës; H është lartësia e vrimës, në inç; D është diametri i vrimës, në inç 2.

Si të shmangni defekte të ndryshme në paraqitjen e pllakave të shtypura të PCB

FIK. 5. Seksioni kryq PCB i përdorur për të vlerësuar efektet parazitare në strukturat përmes vrimave

Induktiviteti parazitar shpesh ka një ndikim të madh në lidhjen e kondensatorëve të anashkalimit. Kondensatorët idealë të anashkalimit sigurojnë qarqe të shkurtra me frekuencë të lartë midis zonës së furnizimit dhe formimit, por vrimat jo ideale mund të ndikojnë në rrugën me ndjeshmëri të ulët midis formimit dhe zonës së furnizimit. Një PCB tipike përmes vrimës (d = 10 mil, h = 62.5 mil) është afërsisht ekuivalente me një induktor 1.34nH. Duke pasur parasysh frekuencën specifike të funksionimit të produktit ISM-RF, vrimat përmes mund të ndikojnë negativisht në qarqet e ndjeshme siç janë qarqet rezonante të kanaleve, filtrat dhe rrjetet që përputhen.

Probleme të tjera lindin nëse qarqet e ndjeshme ndajnë vrima, të tilla si dy krahët e një rrjeti të tipit π. Për shembull, duke vendosur një vrimë ideale ekuivalente me induktancën e grumbulluar, skema ekuivalente është krejt e ndryshme nga modeli i qarkut origjinal (FIG. 6). Ashtu si me kryqëzimin e shtegut të zakonshëm të rrymës 3, që rezulton në rritjen e induktivitetit reciprok, rritjen e kryqëzimit dhe shpërndarjen.

Si të shmangni problemet e projektimit të PCB

Figura 6. Arkitekturat ideale kundrejt atyre jo ideale, ka “shtigje sinjali” të mundshme në qark.

Për ta përmbledhur, paraqitja e qarkut duhet të ndjekë parimet e mëposhtme:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Filtri ose rrjeti që përputhet përdor vrima të pavarura.

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

Gjatësia e plumbit

Të dhënat e produktit Maxim ISM-RF shpesh rekomandojnë përdorimin e hyrjeve dhe daljeve më të shkurtra të mundshme me frekuencë të lartë për të minimizuar humbjet dhe rrezatimin. Nga ana tjetër, humbje të tilla zakonisht shkaktohen nga parametra parazitë jo idealë, kështu që induktanca dhe kapaciteti parazitar ndikojnë në paraqitjen e qarkut, dhe përdorimi i plumbit më të shkurtër të mundshëm ndihmon në zvogëlimin e parametrave parazitë. Në mënyrë tipike, një plumb PCB i gjerë 10 mil me një distancë prej 0.0625in… ​​Nga një bord FR4 prodhon një induktancë prej përafërsisht 19nH/in dhe një kapacitet të shpërndarë afërsisht 1pF/in. Për një qark LAN/ mikser me një induktor 20nH dhe një kondensator 3pF, vlera efektive e komponentit do të ndikohet shumë kur qarku dhe paraqitja e komponentit janë shumë kompakte.

Ipc-d-317a4 në ‘Instituti për Qarqet e Shtypura’ siguron një ekuacion standard të industrisë për vlerësimin e parametrave të ndryshëm të rezistencës së PCB mikrostrip. Ky dokument u zëvendësua në 2003 me IPC-2251 5, i cili siguron një metodë më të saktë të llogaritjes për drejtuesit e ndryshëm të PCB. Llogaritësit në internet janë në dispozicion nga një sërë burimesh, shumica e të cilave bazohen në ekuacionet e ofruara nga IPC-2251. Laboratori i Përputhshmërisë Elektromagnetike në Institutin e Teknologjisë në Misuri ofron një metodë shumë praktike për llogaritjen e rezistencës së plumbit të PCB 6.

Kriteret e pranuara për llogaritjen e rezistencës së linjave mikrostrip janë:

Në formulën, εr është konstanta dielektrike e dielektrikut, h është lartësia e plumbit nga shtresa, W është gjerësia e plumbit dhe T është trashësia e plumbit (FIG. 7). Kur w/h është midis 0.1 dhe 2.0 dhe εr është midis 1 dhe 15, rezultatet e llogaritjes së kësaj formule janë mjaft të sakta.

Figura 7. Kjo figurë është një seksion kryq PCB (e ngjashme me Figurën 5) dhe përfaqëson strukturën e përdorur për të llogaritur rezistencën e një linje mikrostrip.

Për të vlerësuar efektin e gjatësisë së plumbit, është më praktike të përcaktohet efekti shpërthyes i qarkut ideal nga parametrat parazitikë të plumbit. Në këtë shembull, ne diskutojmë kapacitetin dhe induktancën e humbur. Ekuacioni standard i kapacitetit karakteristik për linjat mikrostrip është:

Në mënyrë të ngjashme, induktiviteti karakteristik mund të llogaritet nga ekuacioni duke përdorur ekuacionin e mësipërm:

Për shembull, supozoni një trashësi PCB prej 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 ons plumb i veshur me bakër (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil), dhe një dërrasë FR-4. Vini re se εR e FR-4 është zakonisht 4.35 farad/m (F/m), por mund të shkojë nga 4.0F/m në 4.7F/m. Vlerat e veta të llogaritura në këtë shembull janë Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

Për një dizajn AN ISM-RF, një gjatësi paraqitjeje 12.7mm (0.5in) e pllakave në tabelë mund të prodhojë parametra parazitë prej afërsisht 0.5pF dhe 9.3nH (Figura 8). Efekti i parametrave parazitë në këtë nivel në kanalin rezonant të marrësit (ndryshimi i produktit LC) mund të rezultojë në 315MHz ± 2% ose 433.92mhz ± 3.5% variacion. Për shkak të kapacitetit dhe induktancës shtesë të shkaktuar nga efekti parazitar i plumbit, kulmi i frekuencës së lëkundjes 315MHz arrin 312.17mhz, dhe kulmi i frekuencës së lëkundjes 433.92mhz arrin 426.6mhz.

Një shembull tjetër është kanali tingëllues i marrësit superheterodyne të Maxim (MAX7042). Komponentët e rekomanduar janë 1.2pF dhe 30nH në 315MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Llogaritni frekuencën e lëkundjeve të qarkut rezonant duke përdorur ekuacionin:

Vlerësimi i qarkut tingëllues të pllakës duhet të përfshijë efektet parazitare të paketës dhe paraqitjen, dhe parametrat parazitë janë 7.3PF dhe 7.5PF respektivisht kur llogaritet frekuenca rezonante 315MHz. Vini re se produkti LC përfaqëson kapacitet të grumbulluar.

Për ta përmbledhur, parimet e mëposhtme duhet të ndiqen:

Mbani drejtimin sa më të shkurtër të jetë e mundur.

Vendosni qarqet kryesore në pajisjen sa më afër që të jetë e mundur.

Komponentët kryesorë kompensohen sipas parazitizmit aktual të paraqitjes.

Trajtimi i tokëzimit dhe mbushjes

Shtresa e tokëzimit ose fuqisë përcakton një tension të përbashkët referimi që furnizon me energji të gjitha pjesët e sistemit përmes një rruge rezistence të ulët. Barazimi i të gjitha fushave elektrike në këtë mënyrë prodhon një mekanizëm të mirë mbrojtës.

Rryma e drejtpërdrejtë gjithmonë tenton të rrjedhë përgjatë një shtegu me rezistencë të ulët. Në të njëjtën mënyrë, rryma me frekuencë të lartë preferohet të kalojë nëpër rrugën me rezistencën më të ulët. 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).

Si të shmangni defekte të ndryshme në paraqitjen e pllakave të shtypura të PCB

FIK. 9. Mbajeni formacionin të paprekur sa më shumë që të jetë e mundur, përndryshe rryma e kthimit do të shkaktojë kryqëzim.

Toka e mbushur, e njohur gjithashtu si linja mbrojtëse, përdoret zakonisht në qarqet ku tokëzimi i vazhdueshëm është i vështirë për t’u vendosur ose ku kërkohet mbrojtja e qarqeve të ndjeshme (FIG. 10). Efekti mbrojtës mund të rritet duke vendosur vrima tokëzimi (p.sh. vargje vrimash) në të dy skajet e plumbit ose përgjatë plumbit. 8 Mos e përzieni tela mbrojtëse me plumb të krijuar për të siguruar një shteg të rrymës së kthimit. Ky rregullim mund të prezantojë kryqëzimin.

Si të shmangni defekte të ndryshme në paraqitjen e pllakave të shtypura të PCB

FIK. 10. Dizajni i sistemit RF duhet të shmangë telat lundrues të veshur me bakër, veçanërisht nëse kërkohet veshja e bakrit.

Zona e veshur me bakër nuk është e tokëzuar (lundruese) ose e tokëzuar vetëm në një skaj, gjë që kufizon efektivitetin e saj. Në disa raste, mund të shkaktojë efekte të padëshiruara duke formuar kapacitet parazitar që ndryshon rezistencën e instalimeve elektrike përreth ose krijon një rrugë “latente” midis qarqeve. Me pak fjalë, nëse një copë veshje bakri (instalime elektrike të sinjalit jo-qark) vendoset në tabelën e qarkut për të siguruar një trashësi të qëndrueshme të veshjes. Zonat e veshura me bakër duhet të shmangen pasi ato ndikojnë në modelin e qarkut.

Së fundi, sigurohuni që të merrni parasysh efektet e çdo zone tokësore pranë antenës. Çdo antenë monopole do të ketë rajonin e tokës, instalime elektrike dhe vrima si pjesë e ekuilibrit të sistemit, dhe instalimet elektrike të ekuilibrit jo ideal do të ndikojnë në efikasitetin e rrezatimit dhe drejtimin e antenës (shablloni i rrezatimit). Prandaj, zona e tokës nuk duhet të vendoset drejtpërdrejt nën antenën monopole të plumbit PCB.

Për ta përmbledhur, parimet e mëposhtme duhet të ndiqen:

Siguroni zona tokëzimi të vazhdueshme dhe me rezistencë të ulët sa më shumë që të jetë e mundur.

Të dy skajet e vijës së mbushjes janë të bazuara dhe një grup me vrima përdoret sa të jetë e mundur.

Mos notoni tela të veshur me bakër pranë qarkut RF, mos vendosni bakër rreth qarkut RF.

Nëse bordi i qarkut përmban shtresa të shumta, është mirë të vendosni një terren përmes vrimës kur kablloja e sinjalit kalon nga njëra anë në tjetrën.

Kapaciteti i tepërt kristalor

Kapaciteti parazitar do të bëjë që frekuenca kristalore të devijojë nga vlera e synuar 9. Prandaj, disa udhëzime të përgjithshme duhet të ndiqen për të zvogëluar kapacitetin e humbur të kunjave, pads, telave ose lidhjeve me pajisjet RF.

Duhet të ndiqen parimet e mëposhtme:

Lidhja midis pajisjes kristal dhe RF duhet të jetë sa më e shkurtër.

Mbani telat nga njëri -tjetri sa më shumë që të jetë e mundur.

Nëse kapaciteti parazitar i shuntit është shumë i madh, hiqni rajonin e tokëzimit poshtë kristalit.

Induktiviteti i instalimeve elektrike në plan

Instalimet planare ose induktorët spiralë PCB nuk rekomandohen. Proceset tipike të prodhimit të PCB kanë pasaktësi të caktuara, të tilla si tolerancat e gjerësisë dhe hapësirës, ​​të cilat ndikojnë shumë në saktësinë e vlerave të përbërësve. Prandaj, shumica e induktorëve të kontrolluar dhe të lartë Q janë të llojit të plagës. Së dyti, ju mund të zgjidhni induktor qeramik me shumë shtresa, prodhuesit e kondensatorëve të çipave me shumë shtresa gjithashtu ofrojnë këtë produkt. Sidoqoftë, disa stilistë zgjedhin induktorë spirale kur duhet. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Ku, a është rrezja mesatare e spirales, në inç; N është numri i kthesave; C është gjerësia e bërthamës së spirales (ruter-shpëlarës), në inç. Kur spiralja c “0.2a 11, saktësia e metodës së llogaritjes është brenda 5%.

Mund të përdoren induktorë spiralë me një shtresë të formave katrore, gjashtëkëndore ose të tjera. Përafrime shumë të mira mund të gjenden për të modeluar induktancën e planifikuar në xhufkat me qark të integruar. Për të arritur këtë qëllim, formula standarde Wheeler është modifikuar për të marrë një metodë të vlerësimit të induktivitetit të rrafshit, e përshtatshme për madhësi të vogla dhe madhësi katrore 12.

Ku, ρ është raporti i mbushjes :; N është numri i kthesave, dhe dAVG është diametri mesatar :. Për spiralet katrore, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Ka shumë arsye për të shmangur përdorimin e këtij lloji të induktorit, të cilat zakonisht rezultojnë në uljen e vlerave të induktancës për shkak të kufizimeve të hapësirës. Arsyet kryesore për të shmangur induktorët planarë janë gjeometria e kufizuar dhe kontrolli i dobët i dimensioneve kritike, gjë që e bën të pamundur parashikimin e vlerave të induktorit. Për më tepër, vlerat aktuale të induktancës janë të vështira për t’u kontrolluar gjatë prodhimit të PCB, dhe induktiviteti gjithashtu tenton të bashkojë zhurmën në pjesë të tjera të qarkut.