Många tillämpningsfall av industriella, vetenskapliga och medicinska radiofrekvensprodukter (ISM-RF) visar att kretskort layouten för dessa produkter är utsatt för olika defekter.Människor upplever ofta att samma IC installerat på två olika kretskort, prestandaindikatorer kommer att vara väsentligt olika. 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. I detta papper, fr-4 dielektrikum, 0.0625in tjocklek dubbelskikt PCB som ett exempel, kretskortets jordning. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Induktansriktning

När två induktorer (eller till och med två kretskortsledningar) ligger nära varandra, uppstår ömsesidig induktans. 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:

Där, YB är den felspänning som injiceras i krets B, är IA strömmen 1 som verkar på krets 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. För detta ändamål, så vinkelrätt som möjligt mot varandra, se kretslayouten för FSK -superheterodyne -mottagarens utvärderingskort (EV) med låg effekt (MAX7042EVKIT) (figur 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.

Figur 2. Två olika PCB -layouter visas, varav en har elementen placerade i fel riktning (L1 och L3), medan den andra är mer lämplig.

För att sammanfatta bör följande principer följas:

Induktansavståndet ska vara så långt som möjligt.

Induktorer är anordnade i rät vinkel för att minimera överhörning mellan induktorer.

Led kopplingen

Precis som induktorernas orientering påverkar magnetisk koppling, så gör kopplingen om ledningarna är för nära varandra. Denna typ av layoutproblem ger också vad som kallas ömsesidig känsla. Ett av de mest bekymrade problemen med RF -krets är kabeldragning av känsliga delar av systemet, såsom ingångsmatchningsnätet, mottagarens resonanskanal, sändarens antennmatchningsnät etc.

Returströmbanan bör vara så nära huvudströmbanan som möjligt för att minimera strålningsmagnetfältet. This arrangement helps to reduce the current loop area. Den ideala lågmotståndsbanan för returströmmen är vanligtvis markområdet under ledningen – vilket effektivt begränsar slingområdet till ett område där dielektrikets tjocklek multipliceras med ledningens längd. Men om markområdet delas ökar slingområdet (Figur 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.

Figur 3. Komplett jordning av stora områden hjälper till att förbättra systemets prestanda

För en faktisk induktor har blyriktningen också en signifikant effekt på magnetfältskopplingen. Om ledningarna i en känslig krets måste vara nära varandra är det bäst att rikta in ledningarna vertikalt för att minska kopplingen (Figur 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

Huvudproblemet med RF -kretslayout är vanligtvis kretsens suboptimala karakteristiska impedans, inklusive kretskomponenterna och deras sammankopplingar. Ledningen med en tunn kopparbeläggning motsvarar induktanstråden och bildar en fördelad kapacitans med andra ledningar i närheten. Ledningen uppvisar också induktans- och kapacitansegenskaper när den passerar genom hålet.

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. Effekten av parasitisk kapacitans är i allmänhet liten och orsakar vanligtvis bara kantvariation i höghastighets digitala signaler (vilket inte diskuteras i detta dokument).

Den största effekten av genomgående hål är den parasitiska induktansen som orsakas av motsvarande sammankopplingsläge. 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 är diametern på genomgående hål, i tum 2.

Hur man undviker olika defekter i kretskortets layout på tryckta brädor

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. Ideala förbikopplingskondensatorer ger högfrekventa kortslutningar mellan matningszonen och formationen, men icke-ideala genomgående hål kan påverka den lågkänsliga vägen mellan formationen och tillförselszonen. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Med tanke på den specifika driftsfrekvensen för ISM-RF-produkten kan genomgående hål negativt påverka känsliga kretsar som resonanskanalkretsar, filter och matchande nätverk.

Andra problem uppstår om känsliga kretsar delar hål, till exempel de två armarna i ett nät av π -typ. Till exempel, genom att placera ett idealiskt hål som motsvarar klumpad induktans, är ekvivalentschemat helt annorlunda än den ursprungliga kretsutformningen (FIG. 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

Figur 6. Ideal kontra icke-ideala arkitekturer, det finns potentiella “signalvägar” i kretsen.

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.

Ledningens längd

Maxim ISM-RF-produktdata rekommenderar ofta att man använder kortast möjliga högfrekventa in- och utgångsledningar för att minimera förluster och strålning. Å andra sidan orsakas sådana förluster vanligtvis av icke-idealiska parasitparametrar, så både parasitisk induktans och kapacitans påverkar kretslayouten, och att använda den kortaste möjliga avledningen hjälper till att minska de parasitiska parametrarna. 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. För en LAN/ mixer -krets med en 20nH induktor och en 3pF kondensator påverkas det effektiva komponentvärdet kraftigt när kretsen och komponentlayouten är mycket kompakta.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Detta dokument ersattes 2003 av IPC-2251 5, vilket ger en mer exakt beräkningsmetod för olika kretskortledningar. 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:

I formeln är εr dielektrikets dielektriska konstant, h är ledningens höjd från skiktet, W är ledningsbredden och T är blytjockleken (fig. 7). När w/h är mellan 0.1 och 2.0 och εr är mellan 1 och 15 är beräkningsresultaten för denna formel ganska exakta.

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. I det här exemplet diskuterar vi kapacitans och induktans. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

På samma sätt kan den karakteristiska induktansen beräknas från ekvationen med hjälp av ovanstående ekvation:

Anta till exempel en PCB -tjocklek på 0.0625 tum. (h = 62.5 mil), 1 uns kopparbelagd bly (t = 1.35 mil), 0.01 tum. (w = 10 mil) och en FR-4-skiva. Observera att ε R för FR-4 normalt är 4.35 farad/m (F/m), men kan sträcka sig från 4.0 F/m till 4.7 F/m. Egenvärdena som beräknas i detta exempel är Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

För en ISM-RF-design kan en 12.7 mm (0.5 tum) layoutlängd av ledningar på kortet producera parasitparametrar på cirka 0.5 pF och 9.3 nH (Figur 8). Effekten av parasitparametrar på denna nivå på mottagarens resonanskanal (variation av LC -produkt) kan resultera i 315MHz ± 2% eller 433.92mhz ± 3.5% variation. På grund av den extra kapacitansen och induktansen som orsakas av ledningens parasitära effekt når toppen av 315MHz oscillationsfrekvens 312.17mhz, och toppen av 433.92mhz oscillationsfrekvensen når 426.6mhz.

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. Beräkna oscillationsfrekvensen för resonanskretsen med hjälp av ekvationen:

Utvärderingen av plattans resonanskrets bör inkludera de parasitära effekterna av paketet och layouten, och parasitparametrarna är 7.3PF respektive 7.5PF vid beräkning av 315MHz resonansfrekvens. Observera att LC -produkten representerar klumpad kapacitans.

För att sammanfatta måste följande principer följas:

Håll ledningen så kort som möjligt.

Placera nyckelkretsarna så nära enheten som möjligt.

Viktiga komponenter kompenseras enligt den faktiska layoutparasiten.

Jordning och fyllningsbehandling

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Att jämna ut alla elektriska fält på detta sätt ger en bra avskärmningsmekanism.

Likström tenderar alltid att flöda längs en väg med låg motstånd. På samma sätt strömmar högfrekvent ström företrädesvis genom vägen med det lägsta motståndet. 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).

Hur man undviker olika defekter i kretskortets layout på tryckta brädor

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. Blanda inte skyddstråden med den ledning som är avsedd att ge en returström. Detta arrangemang kan införa överhörning.

Hur man undviker olika defekter i kretskortets layout på tryckta brädor

FIKON. 10. RF -systemets design bör undvika flytande kopparklädda trådar, särskilt om kopparmantel krävs.

Det kopparklädda området är inte jordat (flytande) eller jordat endast i ena änden, vilket begränsar dess effektivitet. 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. Kort sagt, om en bit kopparbeklädnad (kretsfri signalkoppling) läggs på kretskortet för att säkerställa en jämn pläteringstjocklek. Kopparklädda områden bör undvikas eftersom de påverkar kretsens utformning.

Slutligen, var noga med att överväga effekterna av ett markområde nära antennen. Varje monopolantenn kommer att ha markområdet, ledningar och hål som en del av systemets jämvikt och icke-ideala jämviktsledningar kommer att påverka antennens strålningseffektivitet och riktning (strålningsmall). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

För att sammanfatta bör följande principer följas:

Tillhandahåll kontinuerliga och lågresistenta jordningszoner så långt som möjligt.

Båda ändarna av fyllningsledningen är jordade och en genomgående hålmatris används så långt som möjligt.

Flyt inte kopparklädd tråd nära RF -krets, lägg inte koppar runt RF -krets.

Om kretskortet innehåller flera lager är det bäst att lägga ett genomgående hål när signalkabeln passerar från ena sidan till den andra.

Överdriven kristallkapacitans

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Därför bör vissa allmänna riktlinjer följas för att minska strålkapacitansen hos kristallstift, dynor, ledningar eller anslutningar till RF -enheter.

Följande principer bör följas:

Anslutningen mellan kristallen och RF -enheten ska vara så kort som möjligt.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Om den parasitiska shuntkapacitansen är för stor, ta bort jordningsområdet under kristallen.

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. Därför är de mest kontrollerade induktorerna med hög Q sårtyp. För det andra kan du välja flerskiktad keramisk induktor, tillverkare av flerskiktschipkondensatorer tillhandahåller också denna produkt. Vissa designers väljer dock spiralinduktorer när de måste. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Var, a är spolens genomsnittliga radie, i tum; N är antalet varv; C är bredden på spolkärnan (router-rinner), i tum. När spolen c “0.2a 11 är beräkningsmetodens noggrannhet inom 5%.

Enskikts spiralinduktorer med fyrkantiga, sexkantiga eller andra former kan användas. Mycket bra approximationer kan hittas för att modellera plan induktans på integrerade kretsskivor. För att uppnå detta mål modifieras standard Wheeler -formeln för att erhålla en planinduktansuppskattningsmetod som är lämplig för liten storlek och kvadratstorlek 12.

Var, ρ är fyllningsförhållandet :; N är antalet varv och dAVG är medeldiametern :. För kvadratiska spiraler, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Det finns många skäl att undvika att använda denna typ av induktor, vilket vanligtvis resulterar i minskade induktansvärden på grund av begränsade utrymmen. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Dessutom är faktiska induktansvärden svåra att kontrollera under PCB -produktion, och induktans tenderar också att koppla brus till andra delar av kretsen.