กรณีการใช้งานจำนวนมากของผลิตภัณฑ์ความถี่วิทยุอุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ (ISM-RF) แสดงให้เห็นว่า คณะกรรมการวงจรพิมพ์ เลย์เอาต์ของผลิตภัณฑ์เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะมีข้อบกพร่องต่างๆผู้คนมักพบว่า IC ตัวเดียวกันติดตั้งอยู่บนแผงวงจรสองแบบที่แตกต่างกัน ตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพจะแตกต่างกันอย่างมาก 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. ในบทความนี้ fr-4 อิเล็กทริก 0.0625in ความหนาสองชั้น PCB เป็นตัวอย่าง การต่อลงดินของแผงวงจร Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

ทิศทางตัวเหนี่ยวนำ

เมื่อตัวเหนี่ยวนำสองตัว (หรือแม้แต่สาย PCB สองเส้น) อยู่ใกล้กัน จะเกิดการเหนี่ยวนำร่วมกัน 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:

โดยที่ YB คือแรงดันไฟฟ้าผิดพลาดที่ฉีดเข้าไปในวงจร B, IA คือกระแส 1 ที่ทำหน้าที่ในวงจร 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. เพื่อจุดประสงค์นี้ โปรดอ้างอิงถึงโครงร่างวงจรของบอร์ด FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) ที่ใช้พลังงานต่ำ (MAX7042EVKIT) ที่ใช้พลังงานต่ำ (ภาพที่ 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.

รูปที่ 2 มีการแสดงเค้าโครง PCB สองแบบ ซึ่งหนึ่งในนั้นมีองค์ประกอบที่จัดวางผิดทิศทาง (L1 และ L3) ในขณะที่อีกรูปแบบหนึ่งเหมาะสมกว่า

สรุปควรปฏิบัติตามหลักการต่อไปนี้:

ระยะห่างตัวเหนี่ยวนำควรอยู่ไกลที่สุด

ตัวเหนี่ยวนำถูกจัดเรียงเป็นมุมฉากเพื่อลดการครอสทอล์คระหว่างตัวเหนี่ยวนำ

นำข้อต่อ

เช่นเดียวกับการวางแนวของตัวเหนี่ยวนำส่งผลต่อการมีเพศสัมพันธ์ทางแม่เหล็ก การมีเพศสัมพันธ์ก็เช่นกัน หากสายนำอยู่ใกล้กันมากเกินไป ปัญหาเลย์เอาต์ประเภทนี้ยังก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าความรู้สึกร่วมกัน ปัญหาที่น่ากังวลมากที่สุดประการหนึ่งของวงจร RF คือการเดินสายไฟของชิ้นส่วนที่มีความละเอียดอ่อนของระบบ เช่น เครือข่ายอินพุตที่ตรงกัน ช่องสัญญาณเรโซแนนซ์ของเครื่องรับ เครือข่ายการจับคู่เสาอากาศของเครื่องส่งสัญญาณ เป็นต้น

เส้นทางกระแสกลับควรอยู่ใกล้กับเส้นทางกระแสหลักมากที่สุดเพื่อลดสนามแม่เหล็กการแผ่รังสี This arrangement helps to reduce the current loop area. เส้นทางความต้านทานต่ำในอุดมคติสำหรับกระแสย้อนกลับมักจะเป็นพื้นที่กราวด์ด้านล่างตะกั่ว ซึ่งจำกัดพื้นที่ลูปอย่างมีประสิทธิภาพไปยังบริเวณที่ความหนาของอิเล็กทริกคูณด้วยความยาวของตะกั่ว อย่างไรก็ตาม หากพื้นที่กราวด์ถูกแยก พื้นที่วนรอบจะเพิ่มขึ้น (รูปที่ 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.

รูปที่ 3 การลงกราวด์พื้นที่ขนาดใหญ่ที่สมบูรณ์จะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ

สำหรับตัวเหนี่ยวนำที่เกิดขึ้นจริง ทิศทางของตะกั่วก็มีผลอย่างมากต่อการมีเพศสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กเช่นกัน ถ้าลีดของวงจรที่มีความละเอียดอ่อนต้องอยู่ใกล้กัน ทางที่ดีควรจัดแนวลีดในแนวตั้งเพื่อลดการมีเพศสัมพันธ์ (รูปที่ 4) If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. สำหรับการออกแบบลวดป้องกัน โปรดดูส่วนการต่อสายดินและการเติมด้านล่าง

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

ปัญหาหลักของโครงร่างวงจร RF มักจะเป็นอิมพีแดนซ์ลักษณะเฉพาะของวงจร รวมถึงส่วนประกอบวงจรและการเชื่อมต่อระหว่างกัน ตะกั่วที่เคลือบด้วยทองแดงบางจะเทียบเท่ากับลวดเหนี่ยวนำและสร้างความจุแบบกระจายกับตัวนำอื่นๆ ในบริเวณใกล้เคียง ตะกั่วยังแสดงคุณสมบัติการเหนี่ยวนำและความจุเมื่อผ่านรู

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. ผลกระทบของความจุกาฝากมักมีขนาดเล็ก และมักจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของขอบในสัญญาณดิจิตอลความเร็วสูงเท่านั้น (ซึ่งไม่ได้กล่าวถึงในบทความนี้)

ผลกระทบที่ใหญ่ที่สุดของรูทะลุคือการเหนี่ยวนำกาฝากที่เกิดจากโหมดการเชื่อมต่อโครงข่ายที่สอดคล้องกัน 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 คือเส้นผ่านศูนย์กลางของรูทะลุ หน่วยเป็นนิ้ว 2

วิธีหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องต่าง ๆ ในรูปแบบ PCB ของบอร์ดที่พิมพ์

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. ตัวเก็บประจุบายพาสในอุดมคติจะให้การลัดวงจรความถี่สูงระหว่างเขตจ่ายและชั้นหิน แต่รูทะลุที่ไม่เหมาะอาจส่งผลต่อเส้นทางความไวต่ำระหว่างชั้นหินและเขตจ่าย A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. ด้วยความถี่ในการทำงานจำเพาะของผลิตภัณฑ์ ISM-RF รูทะลุอาจส่งผลเสียต่อวงจรที่มีความละเอียดอ่อน เช่น วงจรช่องสัญญาณเรโซแนนซ์ ตัวกรอง และเครือข่ายที่ตรงกัน

ปัญหาอื่นๆ จะเกิดขึ้นหากวงจรที่มีความละเอียดอ่อนมีรูร่วมกัน เช่น แขนทั้งสองข้างของเครือข่ายประเภท π ตัวอย่างเช่น โดยการวางรูในอุดมคติที่เทียบเท่ากับการเหนี่ยวนำเป็นก้อน แผนผังที่เทียบเท่าจะค่อนข้างแตกต่างจากการออกแบบวงจรดั้งเดิม (รูปที่ 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

รูปที่ 6 สถาปัตยกรรมในอุดมคติกับที่ไม่เหมาะ มี “เส้นทางสัญญาณ” ที่อาจเกิดขึ้นในวงจร

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.

ความยาวของตะกั่ว

ข้อมูลผลิตภัณฑ์ Maxim ISM-RF มักแนะนำให้ใช้อินพุตและเอาต์พุตความถี่สูงที่สั้นที่สุดเพื่อลดการสูญเสียและการแผ่รังสี ในทางกลับกัน ความสูญเสียดังกล่าวมักเกิดจากพารามิเตอร์ปรสิตที่ไม่เหมาะ ดังนั้นทั้งการเหนี่ยวนำและความจุของปรสิตจึงส่งผลต่อรูปแบบวงจร และการใช้ตะกั่วที่สั้นที่สุดจะช่วยลดพารามิเตอร์ปรสิตได้ 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. สำหรับวงจร LAN/เครื่องผสมที่มีตัวเหนี่ยวนำ 20nH และตัวเก็บประจุ 3pF ค่าส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพจะได้รับผลกระทบอย่างมากเมื่อวงจรและโครงร่างส่วนประกอบมีขนาดเล็กมาก

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. เอกสารนี้ถูกแทนที่ในปี 2003 ด้วย IPC-2251 5 ซึ่งให้วิธีการคำนวณที่แม่นยำยิ่งขึ้นสำหรับลีด PCB ต่างๆ 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:

ในสูตร εr คือค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของไดอิเล็กตริก h คือความสูงของตะกั่วจากสตราตัม W คือความกว้างของตะกั่ว และ T คือความหนาของตะกั่ว (รูปที่ 7) เมื่อ w/h อยู่ระหว่าง 0.1 ถึง 2.0 และ εr อยู่ระหว่าง 1 ถึง 15 ผลการคำนวณของสูตรนี้จะค่อนข้างแม่นยำ

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. ในตัวอย่างนี้ เราพูดถึงความจุจรจัดและการเหนี่ยวนำ The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

ในทำนองเดียวกัน การเหนี่ยวนำคุณลักษณะสามารถคำนวณได้จากสมการโดยใช้สมการข้างต้น:

ตัวอย่างเช่น สมมติความหนาของ PCB 0.0625in (h = 62.5 mil), ตะกั่วเคลือบทองแดง 1 ออนซ์ (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil) และกระดาน FR-4 โปรดทราบว่า ε R ของ FR-4 ปกติแล้ว 4.35 farad /m (F/m) แต่สามารถอยู่ในช่วงตั้งแต่ 4.0F/m ถึง 4.7F/m ค่าลักษณะเฉพาะที่คำนวณในตัวอย่างนี้คือ Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in

สำหรับการออกแบบ AN ISM-RF ความยาวเลย์เอาต์ของลีด 12.7 มม. (0.5 นิ้ว) บนบอร์ดสามารถสร้างพารามิเตอร์กาฝากได้ประมาณ 0.5pF และ 9.3nH (รูปที่ 8) ผลกระทบของพารามิเตอร์กาฝากที่ระดับนี้ต่อช่องเรโซแนนซ์ของเครื่องรับ (ความแปรผันของผลิตภัณฑ์ LC) อาจส่งผลให้เกิดความแปรผัน 315MHz ±2% หรือ 433.92mhz ±3.5% เนื่องจากความจุและการเหนี่ยวนำเพิ่มเติมที่เกิดจากผลของกาฝากของตะกั่ว จุดสูงสุดของความถี่การสั่น 315MHz ถึง 312.17mhz และสูงสุดของความถี่การสั่น 433.92mhz ถึง 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. คำนวณความถี่การสั่นของวงจรเรโซแนนซ์โดยใช้สมการดังนี้

การประเมินวงจรเรโซแนนซ์ของเพลตควรรวมถึงผลกระทบของปรสิตของบรรจุภัณฑ์และเลย์เอาต์ และพารามิเตอร์กาฝากเท่ากับ 7.3PF และ 7.5PF ตามลำดับเมื่อคำนวณความถี่เรโซแนนซ์ 315MHz โปรดทราบว่าผลิตภัณฑ์ LC แสดงถึงความจุเป็นก้อน

สรุปต้องปฏิบัติตามหลักการดังต่อไปนี้:

เป็นผู้นำให้สั้นที่สุด

วางวงจรกุญแจไว้ใกล้กับอุปกรณ์มากที่สุด

องค์ประกอบหลักจะได้รับการชดเชยตามรูปแบบปรสิตที่เกิดขึ้นจริง

การต่อสายดินและการเติม

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. การปรับสนามไฟฟ้าทั้งหมดให้สมดุลในลักษณะนี้ทำให้เกิดกลไกการป้องกันที่ดี

กระแสตรงมักจะไหลไปตามเส้นทางความต้านทานต่ำ ในทำนองเดียวกัน กระแสความถี่สูงจะไหลผ่านเส้นทางที่มีความต้านทานต่ำที่สุด 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).

วิธีหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องต่าง ๆ ในรูปแบบ PCB ของบอร์ดที่พิมพ์

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. อย่าผสมสายป้องกันกับตะกั่วที่ออกแบบมาเพื่อให้เส้นทางกระแสย้อนกลับ การจัดเรียงนี้สามารถแนะนำ crosstalk ได้

วิธีหลีกเลี่ยงข้อบกพร่องต่าง ๆ ในรูปแบบ PCB ของบอร์ดที่พิมพ์

รูปที่. 10. การออกแบบระบบ RF ควรหลีกเลี่ยงสายทองแดงหุ้มแบบลอยตัว โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากต้องการปลอกทองแดง

บริเวณที่หุ้มด้วยทองแดงไม่ได้ต่อสายดิน (ลอยอยู่) หรือต่อสายดินที่ปลายด้านหนึ่งเท่านั้น ซึ่งจำกัดประสิทธิภาพ 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. กล่าวโดยสรุป ถ้าแผ่นทองแดงหุ้ม (การเดินสายสัญญาณที่ไม่ใช่วงจร) ถูกวางบนแผงวงจรเพื่อให้แน่ใจว่ามีความหนาการชุบที่สม่ำเสมอ ควรหลีกเลี่ยงบริเวณที่หุ้มด้วยทองแดงเนื่องจากจะส่งผลต่อการออกแบบวงจร

สุดท้าย อย่าลืมคำนึงถึงผลกระทบของพื้นที่กราวด์ใกล้กับเสาอากาศด้วย เสาอากาศแบบโมโนโพลใดๆ จะมีบริเวณกราวด์ สายไฟและรูซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของสมดุลของระบบ และการเดินสายสมดุลที่ไม่สมบูรณ์แบบจะส่งผลต่อประสิทธิภาพการแผ่รังสีและทิศทางของเสาอากาศ (เทมเพลตการแผ่รังสี) Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

สรุปควรปฏิบัติตามหลักการต่อไปนี้:

จัดเตรียมโซนกราวด์แบบต่อเนื่องและความต้านทานต่ำให้มากที่สุด

ปลายทั้งสองด้านของเส้นบรรจุมีการต่อสายดิน และใช้อาร์เรย์แบบทะลุผ่านได้มากที่สุด

ห้ามลอยลวดทองแดงหุ้มใกล้วงจร RF ห้ามวางทองแดงรอบวงจร RF

หากแผงวงจรมีหลายชั้น ควรวางสายดินผ่านรูเมื่อสายสัญญาณผ่านจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง

ความจุคริสตัลมากเกินไป

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. ดังนั้น ควรปฏิบัติตามแนวทางทั่วไปบางประการเพื่อลดความจุที่หลงทางของหมุดคริสตัล แผ่นรอง สายไฟ หรือการเชื่อมต่อกับอุปกรณ์ RF

ควรปฏิบัติตามหลักการต่อไปนี้:

การเชื่อมต่อระหว่างคริสตัลกับอุปกรณ์ RF ควรสั้นที่สุด

เก็บสายไฟจากกันและกันให้ไกลที่สุด

ถ้าความจุปรสิตแบบแบ่งมีขนาดใหญ่เกินไป ให้เอาบริเวณที่ต่อลงดินใต้คริสตัลออก

ตัวเหนี่ยวนำสายไฟระนาบ

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. ดังนั้นตัวเหนี่ยวนำที่มีการควบคุมและ Q สูงส่วนใหญ่เป็นแบบแผล ประการที่สองคุณสามารถเลือกตัวเหนี่ยวนำเซรามิกหลายชั้นผู้ผลิตตัวเก็บประจุชิปหลายชั้นยังมีผลิตภัณฑ์นี้ อย่างไรก็ตาม นักออกแบบบางคนเลือกตัวเหนี่ยวนำแบบเกลียวเมื่อจำเป็น The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

โดยที่ a คือรัศมีเฉลี่ยของขดลวด หน่วยเป็นนิ้ว N คือจำนวนรอบ; C คือความกว้างของแกนคอยล์ (router-rinner) หน่วยเป็นนิ้ว เมื่อขดลวด c “0.2a 11 ความแม่นยำของวิธีการคำนวณอยู่ภายใน 5%

สามารถใช้ตัวเหนี่ยวนำเกลียวชั้นเดียวของรูปทรงสี่เหลี่ยม หกเหลี่ยม หรือรูปทรงอื่นๆ สามารถหาค่าประมาณที่ดีมากสำหรับแบบจำลองการเหนี่ยวนำระนาบบนเวเฟอร์วงจรรวม เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ สูตร Wheeler มาตรฐานได้รับการแก้ไขเพื่อให้ได้วิธีการประมาณค่าความเหนี่ยวนำแบบระนาบที่เหมาะสมสำหรับขนาดเล็กและขนาดสี่เหลี่ยมจัตุรัส 12

โดยที่ ρ คืออัตราส่วนการเติม:; N คือจำนวนรอบ และ dAVG คือเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ย: สำหรับเกลียวสี่เหลี่ยม K1 = 2.36, K2 = 2.75

มีเหตุผลมากมายที่จะหลีกเลี่ยงการใช้ตัวเหนี่ยวนำประเภทนี้ ซึ่งมักจะส่งผลให้ค่าการเหนี่ยวนำลดลงเนื่องจากข้อจำกัดด้านพื้นที่ The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. นอกจากนี้ ค่าความเหนี่ยวนำที่แท้จริงยังควบคุมได้ยากในระหว่างการผลิต PCB และการเหนี่ยวนำยังมีแนวโน้มที่จะทำให้เกิดเสียงรบกวนกับส่วนอื่นๆ ของวงจรอีกด้วย