Бројни случајеви примене индустријских, научних и медицинских радиофреквенцијских производа (ИСМ-РФ) показују да је штампаних плоча Изглед ових производа је склон разним недостацима.Људи често откривају да је исти ИЦ инсталиран на двије различите плоче, показатељи перформанси ће се значајно разликовати. 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. У овом раду, диелектрик фр-4, двослојна ПЦБ дебљине 0.0625 инча, на пример, уземљење плоче. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Смер индуктивности

Када су два индуктора (или чак две ПЦБ линије) близу један другом, доћи ће до међусобне индуктивности. 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:

Где је ИБ напон грешке убризган у коло Б, ИА је струја 1 која делује на коло А. ЛМ је веома осетљив на размак кола, подручје индуктивне петље (тј. Магнетни ток) и смер петље. 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. У ту сврху, што је могуће окомитије једно према другом, молимо погледајте распоред кола плоче мале снаге ФСК за процену суперхетеродинског пријемника (ЕВ) (МАКС7042ЕВКИТ) (слика 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.

Слика 2. Приказана су два различита распореда ПЦБ -а, од којих један има елементе постављене у погрешном смеру (Л1 и Л3), док је други погоднији.

Укратко, треба следити следеће принципе:

Размак индуктивитета треба да буде што је више могуће.

Индуктори су постављени под правим углом како би се смањили преслушавања између индуктора.

Водите спојку

Баш као што оријентација индуктора утиче на магнетно спрезање, тако и на спојницу ако су водичи преблизу један другом. Ова врста проблема са распоредом такође производи оно што се назива међусобна сензација. Један од најважнијих проблема РФ кола је ожичење осјетљивих дијелова система, као што су мрежа за усклађивање улаза, резонантни канал пријемника, мрежа за усклађивање антена предајника итд.

Повратна струја треба да буде што је могуће ближе главном току да би се смањило магнетско поље зрачења. This arrangement helps to reduce the current loop area. Идеална путања са малим отпором за повратну струју обично је подручје земље испод електроде – чиме се ефикасно ограничава подручје петље на регион где се дебљина диелектрика помножи са дужином електроде. Међутим, ако се подручје тла подели, површина петље се повећава (слика 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.

Слика 3. Потпуно уземљење велике површине помаже побољшању перформанси система

За стварни индуктор, смер електроде такође има значајан утицај на спрезање магнетног поља. Ако проводници осетљивог кола морају бити близу један другом, најбоље је да се водови поравнају вертикално како би се смањила спрега (слика 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. За дизајн заштитне жице, погледајте доњи одељак о третману уземљења и пуњења.

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

Главни проблем у распореду РФ кола обично је субоптимална карактеристична импеданса кола, укључујући компоненте кола и њихове међусобне везе. Електрода са танким бакарним премазом еквивалентна је индукционој жици и формира дистрибуирани капацитет са другим електродама у близини. Олово такође показује својства индуктивности и капацитивности док пролази кроз рупу.

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. Учинак паразитског капацитета је генерално мали и обично изазива само варијације ивица у дигиталним сигналима велике брзине (о чему се у овом раду не говори).

Највећи ефекат пролазне рупе је паразитска индуктивност узрокована одговарајућим начином међусобног повезивања. 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; Д је пречник рупе у инчима 2.

Како избећи различите недостатке у распореду штампаних плоча на ПЦБ -у

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. Идеални заобилазни кондензатори обезбеђују високофреквентне кратке спојеве између зоне напајања и формације, али неидеалне рупе могу утицати на пут ниске осетљивости између формације и зоне напајања. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. С обзиром на специфичну радну фреквенцију ИСМ-РФ производа, пролазне рупе могу негативно утицати на осетљива кола као што су кола резонантних канала, филтери и одговарајуће мреже.

Други проблеми настају ако осетљива кола деле рупе, као што су два крака мреже типа π. На пример, постављањем идеалне рупе еквивалентне кумулативној индуктивности, еквивалентна шема се прилично разликује од оригиналног дизајна кола (слика 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

Слика 6. Идеалне наспрам неидеалних архитектура, постоје потенцијални „путеви сигнала“ у колу.

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.

Дужина олова

Маким ИСМ-РФ подаци о производима често препоручују коришћење најкраћих могућих високофреквентних улазних и излазних каблова за смањење губитака и зрачења. С друге стране, такви губици обично настају због неидеалних паразитских параметара, па и паразитска индуктивност и капацитет утичу на распоред кола, а коришћење најкраћег могућег олова помаже у смањењу паразитских параметара. 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. За ЛАН/ миксерно коло са индуктивитетом од 20 нХ и кондензатором од 3 пФ, ефективна вредност компоненте ће бити значајно погођена када су круг и распоред компоненти веома компактни.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Овај документ је 2003. замењен ИПЦ-2251 5, који пружа тачнију методу прорачуна за различите ПЦБ водиче. 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:

У формули, εр је диелектрична константа диелектрика, х је висина олова из слоја, В је ширина олова, а Т је дебљина олова (слика 7). Када је в/х између 0.1 и 2.0, а εр између 1 и 15, резултати прорачуна ове формуле су прилично тачни.

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. У овом примеру расправљамо о залуталом капацитету и индуктивности. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Слично, карактеристична индуктивност се може израчунати из једначине помоћу горње једначине:

На пример, претпоставимо да је дебљина ПЦБ -а 0.0625 инча. (х = 62.5 мил), олово пресвучено бакром од 1 унца (т = 1.35 мил), 0.01 ин. (в = 10 мил) и плочу ФР-4. Имајте на уму да је ε Р ФР-4 типично 4.35 фарад/м (Ф/м), али може да се креће од 4.0Ф/м до 4.7Ф/м. Властите вредности израчунате у овом примеру су З0 = 134 ω, Ц0 = 1.04пФ/ин, Л0 = 18.7нХ/ин.

За АН ИСМ-РФ дизајн, дужина проводника од 12.7 мм (0.5 инча) на плочи може произвести паразитске параметре од приближно 0.5 пФ и 9.3 нХ (слика 8). Утицај паразитских параметара на овом нивоу на резонантни канал пријемника (варијација ЛЦ производа) може довести до варијације од 315МХз ± 2% или 433.92мхз ± 3.5%. Због додатног капацитета и индуктивности узрокованог паразитским дејством олова, врх фреквенције осциловања од 315МХз достиже 312.17мхз, а врхунац фреквенције осциловања од 433.92мхз достиже 426.6мхз.

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. Израчунајте фреквенцију осциловања резонантног кола помоћу једначине:

Процена резонантног кола плоче треба да укључи паразитске ефекте паковања и распореда, а паразитски параметри су 7.3ПФ и 7.5ПФ при израчунавању резонантне фреквенције 315МХз. Имајте на уму да ЛЦ производ представља кумулативни капацитет.

Укратко, потребно је придржавати се следећих принципа:

Нека водство буде што краће.

Кругове кључева поставите што је могуће ближе уређају.

Кључне компоненте се компензирају према стварном паразитизму распореда.

Третман уземљења и пуњења

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Изједначавање свих електричних поља на овај начин производи добар заштитни механизам.

Једносмерна струја увек тежи дуж пута са малим отпором. На исти начин, високофреквентна струја првенствено тече кроз путању са најмањим отпором. 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).

Како избећи различите недостатке у распореду штампаних плоча на ПЦБ -у

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. Немојте мешати заштитну жицу са проводником који је дизајниран да обезбеди путању повратне струје. Овај аранжман може увести преслушавање.

Како избећи различите недостатке у распореду штампаних плоча на ПЦБ -у

ШИПАК. 10. Дизајн РФ система треба да избегава плутајуће жице обложене бакром, посебно ако је потребно бакарно облагање.

Област обложена бакром није уземљена (плутајућа) или уземљена само на једном крају, што ограничава њену ефикасност. 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. Укратко, ако је комад бакарне облоге (сигнално ожичење без кола) положен на плочу како би се осигурала конзистентна дебљина оплате. Површине обложене бакром треба избегавати јер оне утичу на дизајн кола.

На крају, свакако узмите у обзир ефекте било које површине земље у близини антене. Било која монополна антена ће имати уземљење, ожичење и рупе као део равнотеже система, а неидеално равнотежно ожичење ће утицати на ефикасност зрачења и смер антене (шаблон зрачења). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Укратко, треба следити следеће принципе:

Омогућите што је могуће дуже зоне уземљења са малим отпором.

Оба краја линије за пуњење су уземљена, а низ отвора се користи што је више могуће.

Не лебдите бакарну жицу у близини РФ кола, немојте постављати бакар око РФ кола.

Ако плоча садржи више слојева, најбоље је поставити земљу кроз отвор када сигнални кабл пређе с једне стране на другу.

Превелики капацитет кристала

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Због тога треба слиједити неке опће смјернице за смањење залуталог капацитета кристалних пинова, јастучића, жица или веза на РФ уређаје.

Треба следити следеће принципе:

Веза између кристала и РФ уређаја треба да буде што краћа.

Ожичење држите што даље један од другог.

Ако је паразитски капацитет шанта превелик, уклоните подручје уземљења испод кристала.

Равна индуктивност ожичења

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. Због тога је већина контролисаних и високих К индуктора типа ране. Друго, можете изабрати вишеслојни керамички индуктор, произвођачи вишеслојних чипова такође пружају овај производ. Ипак, неки дизајнери бирају спиралне индукторе када то морају. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Где је а просечан полупречник завојнице, у инчима; Н је број завоја; Ц је ширина језгра завојнице (рутер-испирач), у инчима. Када је завојница ц „0.2а 11, тачност прорачунске методе је унутар 5%.

Могу се користити једнослојни спирални индуктори квадратног, шестерокутног или другог облика. Могу се наћи врло добре апроксимације за моделирање планарне индуктивности на плочама интегрисаног кола. Да би се постигао овај циљ, стандардна Вилерова формула је модификована тако да се добије метода процене равне индуктивности погодна за мале величине и квадратне величине 12.

Где је ρ однос пуњења :; Н је број завоја, а дАВГ је просечан пречник :. За квадратне спирале, К1 = 2.36, К2 = 2.75.

Постоји много разлога да се избегне употреба ове врсте индуктора, који обично резултирају смањењем вредности индуктивности због ограничења простора. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Осим тога, стварне вредности индуктивитета је тешко контролисати током производње ПЦБ -а, а индуктивност такође тежи да повеже шум са другим деловима кола.