Seueur kasus aplikasi produk industri, ilmiah, sareng frekuensi radio médis (ISM-RF) nunjukkeun yén papan sirkuit dicitak perenah produk ieu rawan sagala rupa cacat.Jalma sering mendakan yén IC anu sami dipasang dina dua papan sirkuit anu béda, indikator kinerja bakal béda anu béda. Variasi dina kaayaan operasi, radiasi harmonik, kamampuan anti gangguan, sareng waktos ngamimitian tiasa ngajelaskeun pentingna tata letak papan sirkuit dina desain anu suksés.

Tulisan ieu daptar sababaraha pola desain, ngabahas sabab masing-masing kagagalan, sareng nyayogikeun saran ngeunaan cara nyingkahan cacat desain ieu. Dina tulisan ieu, fr-4 diéléktrik, ketebalan 0.0625in PCB lapisan ganda sabagé conto, circuit board grounding. Operasi dina pita frékuénsi anu béda antara 315MHz sareng 915MHz, Tx sareng kakuatan Rx antara -120dbm sareng + 13dBm.

Arah induktansi

Nalika dua induktor (atanapi bahkan dua garis PCB) caket silih, silih induktansi bakal kajadian. Médan magnét anu dihasilkeun ku arus dina sirkuit kahiji ngagumbirakeun arus dina sirkuit kadua (Gambar 1). Prosés ieu mirip sareng interaksi antara gulungan primér sareng sekundér tina trafo. Nalika dua arus berinteraksi sareng médan magnét, tegangan anu dihasilkeun ditangtukeun ku silih induktansi LM:

Dimana, YB mangrupikeun tegangan kasalahan anu disuntik kana sirkuit B, IA mangrupikeun 1 arus dina sirkuit A. LM peka pisan kana jarak sirkuit, daérah loop induktansi (nyaéta fluks magnét), sareng arah gelung. Ku alatan éta, kasaimbangan anu pangsaéna antara tata letak sirkuit kompak sareng gandeng dikirangan nyaéta koréksi anu leres tina sadaya induktor dina arah.

BUAH ARA. 1. Éta tiasa ditingali tina garis médan magnét yén silih induktansi aya hubunganana sareng arah alignment induktansi

Arah sirkuit B diluyukeun sahingga loop na ayeuna sajajar sareng garis médan magnét sirkuit A. Pikeun tujuan ieu, sakumaha lempeng sabisa pikeun silih, mangga tingal tata perenah sirkuit dewan FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) low power (MAX7042EVKIT) (Gambar 2). Tilu induktor dina papan (L3, L1 sareng L2) caket pisan, sareng orientasina di 0 °, 45 ° sareng 90 ° ngabantosan ngirangan induktansi silih.

Gambar 2. Dua tata ruang PCB anu béda ditampilkeun, salah sahiji anu ngagaduhan unsur-unsur disusun dina arah anu lepat (L1 sareng L3), sedengkeun anu sanésna langkung pas.

Pikeun nyimpulkeun, prinsip ieu kedah dituturkeun:

Jarak induktansi kedah sajauh mungkin.

Induktor disusun dina sudut katuhu pikeun ngaleutikan crosstalk antara induktor.

Anjog gandéng

Sakumaha orientasi induktor mangaruhan gandeng magnét, maka gandeng upami leadna caket teuing ka silih. Masalah perenah sapertos kieu ogé ngahasilkeun naon anu disebut silih sensasi. Salah sahiji masalah sirkuit RF anu paling merhatoskeun nyaéta sambungan kabel bagéan sénsitip tina sistem, sapertos jaringan anu cocog sareng input, saluran résonansi tina panarima, jaringan antena anu cocog pikeun pamancar, jst.

Jalur arus balik kedah caket kana jalur arus utama sabisa-bisa ngaleutikan medan magnét radiasi. Susunan ieu ngabantosan pikeun ngirangan daérah gelung ayeuna. Jalur résistansi low anu idéal pikeun arus balik biasana daérah taneuh di handapeun kalungguhan – sacara efektif ngawatesan daérah gelung ka daérah dimana kandelna diéléktrik dikali panjang kalungguhan. Nanging, upami daérah taneuh dibagi, daérah gelung naék (Gambar 3). Pikeun lead anu nembus daérah pamisah, arus balik bakal dipaksakeun ngalangkungan jalur résistansi anu luhur, ningkatkeun pisan area loop anu ayeuna. Susunan ieu ogé ngajantenkeun sirkuit ngarah langkung rentan ka silih sambung.

Gambar 3. grounding aréa ageung lengkep ngabantosan ningkatkeun kinerja sistem

Pikeun induktor anu saleresna, arah timah ogé ngagaduhan pangaruh anu signifikan kana gandeng médan magnét. Upami kalungguhan sirkuit sénsitip kedah caket antara séwang-séwangan, langkung saéna dijajarkeun ngarah sacara vertikal pikeun ngirangan gandeng (Gambar 4). Upami alignment nangtung teu mungkin, pertimbangkeun nganggo garis penjaga. Pikeun desain kawat panyalindungan, mangga tingali kana grounding sareng ngeusian bagian pangobatan di handap ieu.

Gambar 4. Sarua jeung Gambar 1, nunjukkeun kamungkinan gandeng garis médan magnét.

Pikeun nyimpulkeun, prinsip ieu kedah dituturkeun nalika piring disebarkeun:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Ngarah sénsitip kedah disusun sacara vertikal.

Upami leadna kedah disusun sajajar, pastikeun jarak anu cekap atanapi anggo kabel penjaga.

Grounding via

Masalah utama sareng tata letak sirkuit RF biasana impedansi karakteristik suboptimal tina sirkuit, kalebet komponén sirkuit sareng hubunganana. Kalungguhan ku palapis tambaga ipis sami sareng kawat induktansi sareng ngawangun kapasitansi anu disebarkeun sareng kalungguhan anu sanés di caketna. Kalungguhanana ogé nunjukkeun sipat induktansi sareng kapasitansi nalika nembus liang.

Kapasitas liwat-liang utamina asalna tina kapasitansi anu kabentuk antara pelat tambaga di sisi dampal liang sareng pelapis tambaga dina taneuh, dipisahkeun ku cincin anu cukup leutik. Pangaruh sanésna asalna tina silinder tina perforasi logam éta sorangan. Pangaruh kapasitansi parasit umumna leutik sareng biasana ngan ukur nyababkeun variasi ujung sinyal digital gancang-gancang (anu henteu dibahas dina tulisan ieu).

Pangaruh pangbadagna ngaliwatan-liang nyaéta induktansi parasit anu disababkeun ku modeu interkonéksi anu pakait. Kusabab kaseueuran perforasi logam dina desain RF PCB sami ukuran sareng komponen lumped, pangaruh perforasi listrik tiasa diperkirakeun nganggo rumus saderhana (Gbr. 5):

Dimana, LVIA nyaéta lumpatan induktansi ngaliwatan liang; H nyaéta jangkungna liang, dina inci; D nyaéta diaméter liang, dina inci 2.

Kumaha carana nyingkahan sagala rupa cacat dina perenah PCB tina papan cetak

BUAH ARA. 5. PCB cross section dipaké pikeun ngira-ngira pangaruh parasit dina struktur ngaliwatan-liang

Induktansi parasit sering mangaruhan pangaruh kana sambungan kapasitor bypass. Kapasitor bypass idéal nyayogikeun sirkuit pondok frékuénsi luhur antara zona suplai sareng formasi, tapi liang liwat anu non-idéal tiasa mangaruhan jalur sénsitip rendah antara formasi sareng zona suplai. PCB has through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) sakitar sami sareng induktor 1.34nH. Dibikeun frékuénsi operasi khusus pikeun produk ISM-RF, anu ngaliwatan-liang tiasa mangaruhan sirkuit sénsitip sapertos sirkuit saluran résonan, saringan, sareng jaringan anu cocog.

Masalah sanésna timbul upami sirkuit sénsitip ngabagi liang, sapertos dua panangan jaringan tipe π. Salaku conto, ku nempatkeun liang idéal anu sami sareng induktansi lumped, skéma setara rada bénten sareng desain sirkuit asli (Gambar 6). Kayaning crosstalk tina jalur ayeuna umum 3, hasilna ningkatna silih panganteur, ningkatna crosstalk sareng feed-through.

Kumaha carana nyingkahan masalah desain PCB

Gambar 6. Arsitéktur idéal vs non-idéal, aya poténsial “jalur sinyal” dina sirkuit.

Pikeun nyimpulkeun, tata letak sirkuit kedah nuturkeun prinsip ieu:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Filter atanapi jaringan anu cocog nganggo bebas liang.

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

Panjang timbel

Data produk Maxim ISM-RF sering nyarankeun ngagunakeun input frékuénsi luhur paling pondok na kaluaran ngarah pikeun ngaleutikan karugian sareng radiasi. Di sisi anu sanésna, karugian sapertos kitu biasana disababkeun ku parameter parasit anu henteu ideal, janten duanana induktansi parasit sareng kapasitansi mangaruhan tata letak sirkuit, sareng nganggo kalungguhan anu paling pondok anu tiasa ngabantosan ngirangan parameter parasit. Ilaharna, lead PCB lega 10 mil kalayan jarak 0.0625… Tina FR4 board ngahasilkeun induktansi sakitar 19nH / in sareng capacitance anu disebarkeun sakitar 1pF / in. Pikeun sirkuit LAN / mixer sareng induktor 20nH sareng kapasitor 3pF, nilai komponén anu épéktip bakal kapangaruhan pisan nalika sirkuit sareng perenah komponén kompak pisan.

Ipc-d-317a4 dina ‘Institute for Printed Circuits’ nyayogikeun persamaan standar industri pikeun ngira-ngira sababaraha parameter impedansi microstrip PCB. Dokumén ieu diganti taun 2003 ku IPC-2251 5, anu nyayogikeun metode perhitungan anu langkung akurat pikeun sababaraha rupa PCB. Kalkulator online sayogi tina sababaraha rupa sumber, seuseueurna dumasarkeun kana persamaan anu disayogikeun ku IPC-2251. Lab Kompatibilitas Éléktromagnétik di Missouri Institute of Technology nyayogikeun padika anu praktis pikeun ngitung impedansi kalungguhan PCB 6.

Kriteria anu ditampi pikeun ngitung impedansi garis mikrostrip nyaéta:

Dina formula, εr nyaéta konstanta diéléktrik diéléktrik, h jangkungna kalungguhan tina stratum, W nyaéta lébar timbel, sareng T nyaéta kandel timbel (Gambar 7). Nalika w / h antara 0.1 sareng 2.0 sareng εr aya diantara 1 sareng 15, hasil itungan tina rumus ieu rada akurat.

Gambar 7. Angka ieu mangrupikeun bagian cross PCB (sami sareng Gambar 5) sareng ngagambarkeun struktur anu dianggo pikeun ngitung impedansi tina garis mikrostrip.

Dina raraga ngaevaluasi pangaruh tina panjangna kalungguhan, langkung praktis pikeun nangtoskeun pangaruh detuning tina sirkuit idéal ku parameter parasit timah. Dina conto ieu, urang bahas capacitance stray sareng induktansi. Persamaan standar capacitance karakteristik pikeun garis mikrostrip nyaéta:

Nya kitu, induktansi ciri tiasa diitung tina persamaan ku ngagunakeun persamaan di luhur:

Salaku conto, anggap kandel PCB 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 ons kalungguhan tambaga-dilapis (t = 1.35 mil), 0.01 inci. (w = 10 mil), sareng papan FR-4. Catet yén ε R FR-4 biasana 4.35 farad / m (F / m), tapi tiasa dibasajankeun 4.0F / m ka 4.7F / m. Nilai eigen anu diitung dina conto ieu nyaéta Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / in.

Pikeun desain ISM-RF, panjang tata perenah 12.7mm (0.5in) dina papan tiasa ngahasilkeun parameter parasit sakitar 0.5pF sareng 9.3nH (Gambar 8). Pangaruh parameter parasit dina tingkat ieu kana saluran résonansi panarima (variasi produk LC) tiasa ngahasilkeun 315MHz ± 2% atanapi 433.92mhz ± 3.5% variasi. Kusabab capacitance tambahan sareng induktansi disababkeun ku pangaruh parasit kalungguhan, puncak frékuénsi osilasi 315MHz ngahontal 312.17mhz, sareng puncak frékuénsi osilasi 433.92mhz ngahontal 426.6mhz.

Conto sanésna nyaéta saluran résonansi panarima superheterodyne Maxim (MAX7042). Komponén anu disarankeun nyaéta 1.2pF sareng 30nH dina 315MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Itung frékuénsi osilasi sirkuit résonan ku ngagunakeun persamaan:

Evaluasi sirkuit résonan piring kedah kalebet épék parasit tina rangkep sareng tata perenahna, sareng parameter parasit masing-masing 7.3PF sareng 7.5PF nalika ngitung frékuénsi résonansi 315MHz. Catet yén produk LC ngagambarkeun kapasitansi lumped.

Pikeun nyimpulkeun, prinsip ieu kedah dituturkeun:

Tetep kalungguhan sakumaha pondok-gancang.

Tempatkeun sirkuit konci sacaket alat sabisa.

Komponén konci dibales numutkeun parasitism perenah anu saleresna.

Penguburan taneuh sareng ngeusian

Grounding atanapi lapisan kakuatan ngahartikeun tegangan référénsi umum anu nyayogikeun kakuatan ka sadaya bagéan sistem ngalangkungan jalur résistansi anu handap. Nyaruakeun sadaya medan listrik ku cara kieu ngahasilkeun mékanisme taméng anu saé.

Arus langsung teras condong ngalir sapanjang jalur résistansi anu handap. Dina cara nu sami, arus frekuensi luhur preferentially ngalir ngaliwatan jalur kalayan résistansi panghandapna. 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).

Kumaha carana nyingkahan sagala rupa cacat dina perenah PCB tina papan cetak

BUAH ARA. 9. Tetep formasi gembleng saloba mungkin, upami henteu arus balik bakal nyababkeun crosstalk.

Tapak anu dieusian, ogé katelah garis penjaga, biasa dianggo dina sirkuit dimana grounding kontinyu sesah diletak atanapi dimana diperyogikeun sirkuit peka (Gambar 10). Pangaruh taméng tiasa ditingkatkeun ku cara nempatkeun liang grounding (nyaéta susunan liang) dina kadua tungtung kalungguhan atanapi sapanjang kalungguhan. 8. Entong dicampur kawat panjaga sareng kalungguhan anu dirancang pikeun masihan jalur arus balik. Susunan ieu tiasa ngenalkeun crosstalk.

Kumaha carana nyingkahan sagala rupa cacat dina perenah PCB tina papan cetak

BUAH ARA. 10. Desain sistem RF kedah nyingkahan kawat anu nganggo tambaga anu ngambang, utamina upami palapis tambaga diperyogikeun.

Daérah anu nganggo tambaga henteu dikuburkeun (ngambang) atanapi didadarkeun ngan ukur dina hiji tungtung, anu ngawatesan pangaruhna. Dina sababaraha kasus, éta tiasa nyababkeun épék anu teu dihoyongkeun ku ngabentuk kapasitansi parasit anu ngarobih impedansi tina kabel sakurilingna atanapi nyiptakeun jalur “laten” antara sirkuit. Pondokna, upami sapotong cladding tambaga (kabel sinyal non-circuit) diteundeun dina papan sirkuit pikeun mastikeun ketebalan plating anu konsisten. Daérah anu nganggo tambaga kedah dihindari sabab mangaruhan desain sirkuit.

Tungtungna, pastikeun anjeun ngémutan balukar daérah taneuh caket anteneu. Anteneu monopole naon waé bakal gaduh daérah taneuh, kabel sareng liang salaku bagian tina kasaimbangan sistem, sareng kabel kasaimbangan anu henteu ideal bakal mangaruhan épisiénsi radiasi sareng arah anténna (témplat radiasi). Ku alatan éta, aréa taneuh henteu kedah ditempatkeun langsung di handapeun anteneu kalungguhan PCB monopole.

Pikeun nyimpulkeun, prinsip ieu kedah dituturkeun:

Nyayogikeun zona grounding résistansi sareng résistansi rendah sajauh-jauhna.

Duanana tungtung garis keusikan naeun grounded, sareng susunan through-hole dianggo sajauh mungkin.

Entong ngambang kawat nganggo tambaga caket sirkuit RF, tong iklas tambaga sakitar sirkuit RF.

Upami papan sirkuit ngandung sababaraha lapisan, langkung saé nempatkeun taneuh ngaliwatan liang nalika kabel sinyal ngalir ti hiji sisi ka sisi anu sanés.

Kapasitas kristal kaleuleuwihan

Kapasitas parasit bakal ngakibatkeun frékuénsi kristal nyimpang tina nilai target 9. Ku alatan éta, sababaraha padoman umum kedah dituturkeun pikeun ngirangan kapasitansi stray pin kristal, bantalan, kabel, atanapi sambungan kana alat RF.

Prinsip ieu kedah dituturkeun:

Sambungan antara alat kristal sareng RF kedah sakedik mungkin.

Tetep sambungan kabel tina unggal séjén sajauh mungkin.

Upami kapasitansi parasit shunt ageung teuing, angkat daérah grounding handapeun kristal.

Pangambung kabel planar

Kabel planar atanapi PCB spiral induktor henteu disarankeun. Prosés pembuatan PCB anu has ngagaduhan kalepatan anu tangtu, sapertos toleransi lebar sareng rohangan, anu mangaruhan pisan kana akurasi nilai komponén. Kituna, induktor Q anu paling dikontrol sareng luhur mangrupikeun jinis tatu. Kadua, anjeun tiasa milih induktor keramik multilayer, pabrik kapasitor chip multilayer ogé nyayogikeun produk ieu. Nanging, sababaraha désainer milih induktor spiral nalika aranjeunna kedah. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Dimana, a nyaéta radius rata-rata coil, dina inci; N nyaéta jumlah puteran; C nyaéta lébar inti coil (router-rinner), dina inci. Nalika coil c “0.2a 11, katepatan tina metode perhitungan aya dina 5%.

Induktor spiral lapisan hiji kuadrat, héksagonal, atanapi bentuk sanés tiasa dianggo. Perkiraan anu saé pisan tiasa dipendakan pikeun modél induktansi planar dina wafer sirkuit terpadu. Dina raraga ngahontal tujuan ieu, rumus Wheeler standar dirobih pikeun kéngingkeun metode estimasi induktansi pesawat anu cocog pikeun ukuran alit sareng ukuran kuadrat 12.

Dimana, ρ mangrupikeun babandingan ngeusian :; N nyaéta jumlah puteran, sareng dAVG nyaéta diameter rata-rata:. Pikeun hélik pasagi, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Aya seueur alesan pikeun nyingkahan ngagunakeun jinis induktor ieu, anu biasana ngahasilkeun ngirangan nilai induktansi kusabab watesan ruang. Alesan utama pikeun nyingkahan induktor planar nyaéta géométri kawates sareng kontrol goréng tina dimensi kritis, anu ngajantenkeun teu mungkin pikeun ngaduga nilai induktor. Salaku tambahan, nilai induktansi anu sesah sesah dikontrol salami produksi PCB, sareng induktansi ogé condong sababaraha noise ka bagian sanés sirkuit.