Maraming mga kaso ng aplikasyon ng mga produktong pang-industriya, pang-agham, at dalas ng radyo (ISM-RF) na mga produkto ang nagpapakita na ang printed circuit board ang layout ng mga produktong ito ay madaling kapitan ng sakit sa iba’t ibang mga depekto.Madalas nalaman ng mga tao na ang parehong IC na naka-install sa dalawang magkakaibang circuit board, ang mga tagapagpahiwatig ng pagganap ay magkakaiba-iba. 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. Sa papel na ito, fr-4 dielectric, 0.0625in kapal ng dobleng layer PCB bilang isang halimbawa, ang ground board grounding. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Direksyon ng inductance

Kapag ang dalawang inductors (o kahit na dalawang linya ng PCB) ay malapit sa bawat isa, magaganap ang inductance ng pareho. 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:

Kung saan, ang YB ay ang boltahe ng error na na-injected sa circuit B, IA ang kasalukuyang 1 na kumikilos sa circuit A. Ang LM ay napaka-sensitibo sa circuit spacing, inductance loop area (ibig sabihin, magnetic flux), at direksyon ng loop. 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. Para sa hangaring ito, bilang patayo hangga’t maaari sa bawat isa, mangyaring mag-refer sa circuit layout ng mababang lakas na FSK superheterodyne Receiver Evaluation (EV) board (MAX7042EVKIT) (Larawan 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.

Larawan 2. Dalawang magkakaibang layout ng PCB ang ipinapakita, ang isa sa mga ito ay may mga elemento na nakaayos sa maling direksyon (L1 at L3), habang ang iba pa ay mas angkop.

Sa kabuuan, ang mga sumusunod na prinsipyo ay dapat sundin:

Ang spacing ng inductance ay dapat na malayo hangga’t maaari.

Ang mga inductor ay nakaayos sa tamang mga anggulo upang mabawasan ang crosstalk sa pagitan ng mga inductor.

Manguna sa pagkabit

Tulad ng pag-orient ng mga inductors na nakakaapekto sa magnetikong pagkabit, gayun din ang pagkabit kung ang mga lead ay masyadong malapit sa bawat isa. Ang ganitong uri ng problema sa layout ay gumagawa din ng tinatawag na mutual sensation. Ang isa sa mga pinaka-aalala na problema ng RF circuit ay ang mga kable ng mga sensitibong bahagi ng system, tulad ng input na tumutugma sa network, resonant channel ng receiver, antena na tumutugma sa network ng transmitter, atbp.

Ang pabalik na kasalukuyang landas ay dapat na malapit sa pangunahing kasalukuyang landas hangga’t maaari upang i-minimize ang radiation magnetic field. This arrangement helps to reduce the current loop area. Ang perpektong landas ng mababang paglaban para sa kasalukuyang pagbabalik ay karaniwang rehiyon ng lupa sa ibaba ng tingga – mabisang nililimitahan ang lugar ng loop sa isang rehiyon kung saan ang kapal ng dielectric ay pinarami ng haba ng tingga. Gayunpaman, kung ang rehiyon ng lupa ay nahati, tataas ang lugar ng loop (Larawan 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.

Larawan 3. Ang kumpletong malaking lugar na saligan ay tumutulong na mapabuti ang pagganap ng system

Para sa isang tunay na inductor, ang direksyon ng tingga ay mayroon ding isang makabuluhang epekto sa pagkabit ng magnetic field. Kung ang mga lead ng isang sensitibong circuit ay dapat na malapit sa bawat isa, pinakamahusay na ihanay ang mga patayo nang patayo upang mabawasan ang pagkabit (Larawan 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Para sa disenyo ng kawad ng proteksyon, mangyaring sumangguni sa saligan ng grounding at pagpuno ng paggamot sa ibaba.

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.

Ang mga sensitibong lead ay dapat isaayos nang patayo.

If the leads must be arranged in parallel, ensure adequate spacing or use guard wires.

Grounding via

Ang pangunahing problema sa layout ng RF circuit ay karaniwang ang suboptimal na katangian impedance ng circuit, kabilang ang mga bahagi ng circuit at ang kanilang mga pagkakaugnay. Ang tingga na may isang manipis na patong na tanso ay katumbas ng inductance wire at bumubuo ng isang ipinamigay na kapasidad sa iba pang mga lead sa paligid. Ang lead ay nagpapakita din ng mga katangian ng inductance at capacitance habang dumadaan ito sa butas.

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. Ang epekto ng capacitance ng parasitiko sa pangkalahatan ay maliit at kadalasan ay nagdudulot lamang ng pagkakaiba-iba sa gilid ng mga digital na signal na may mataas na bilis (na hindi tinalakay sa papel na ito).

Ang pinakamalaking epekto ng through-hole ay ang inductance ng parasitiko na sanhi ng kaukulang mode ng interconnection. 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; Ang D ay ang diameter ng throughhole, sa pulgada 2.

Paano maiiwasan ang iba’t ibang mga depekto sa layout ng PCB ng mga naka-print na board

FIG. 5. Ang seksyon ng PCB na ginamit upang tantyahin ang mga epekto ng parasitiko sa mga istrukturang through-hole

The parasitic inductance often has a great influence on the connection of bypass capacitors. Ang mga mainam na bypass capacitor ay nagbibigay ng mga dalas ng dalas ng dalas ng dalas sa pagitan ng supply zone at ng pagbuo, ngunit ang hindi ideyal na mga through-hole ay maaaring makaapekto sa mababang-sensitibong landas sa pagitan ng pagbuo at ng supply zone. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Dahil sa tukoy na dalas ng pagpapatakbo ng produktong ISM-RF, ang through-hole ay maaaring makaapekto sa mga sensitibong circuit tulad ng mga resonant na circuit ng channel, filter, at pagtutugma ng mga network.

Ang iba pang mga problema ay lumabas kung ang mga sensitibong circuit ay nagbabahagi ng mga butas, tulad ng dalawang braso ng isang type – type na network. Halimbawa, sa pamamagitan ng paglalagay ng isang perpektong butas na katumbas ng lumped inductance, ang katumbas na eskematiko ay medyo naiiba mula sa orihinal na disenyo ng circuit (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

Larawan 6. Tamang-tama kumpara sa mga hindi ideyal na arkitektura, may mga potensyal na “signal path” sa circuit.

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.

Ang haba ng lead

Ang data ng produkto ng Maxim ISM-RF ay madalas na inirekomenda ng paggamit ng pinakamaikling posibleng input na may dalas na dalas at output ay humantong upang mabawasan ang pagkalugi at radiation. Sa kabilang banda, ang mga naturang pagkalugi ay karaniwang sanhi ng mga di-perpektong mga parameter ng parasitiko, kaya’t ang parehong parasitiko na inductance at capacitance ay nakakaapekto sa layout ng circuit, at ang paggamit ng pinakamaikling posibleng tingga ay nakakatulong upang mabawasan ang mga parameter ng parasitiko. 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. Para sa isang LAN / mixer circuit na may 20nH inductor at isang 3pF capacitor, ang mabisang halaga ng bahagi ay maaapektuhan nang malaki kapag ang circuit at sangkap ng layout ay napaka-compact.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Ang dokumentong ito ay pinalitan noong 2003 ng IPC-2251 5, na nagbibigay ng isang mas tumpak na pamamaraan ng pagkalkula para sa iba’t ibang mga lead ng PCB. 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:

Sa pormula, ang εr ay pare-pareho ng dielectric ng dielectric, h ang taas ng tingga mula sa stratum, ang W ay ang lapad ng tingga, at ang T ay ang kapal ng tingga (FIG. 7). Kapag ang w / h ay nasa pagitan ng 0.1 at 2.0 at εr ay nasa pagitan ng 1 at 15, ang mga resulta ng pagkalkula ng formula na ito ay medyo tumpak.

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. Sa halimbawang ito, tinatalakay namin ang stray capacitance at inductance. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Katulad nito, ang katangian na inductance ay maaaring kalkulahin mula sa equation sa pamamagitan ng paggamit sa itaas na equation:

Halimbawa, ipagpalagay ang isang kapal ng PCB na 0.0625in. (h = 62.5 mil), 1 onsa na pinahiran ng tanso na pinahiran (t = 1.35 mil), 0.01in. (w = 10 mil), at isang board na FR-4. Tandaan na ang ε R ng FR-4 ay karaniwang 4.35 farad / m (F / m), ngunit maaaring saklaw mula sa 4.0F / m hanggang 4.7F / m. Ang mga eigenvalues ​​na kinakalkula sa halimbawang ito ay Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / in.

Para sa isang disenyo ng ISM-RF, ang isang 12.7mm (0.5in) haba ng layout ng mga lead sa board ay maaaring makabuo ng mga parameter ng parasitiko na humigit-kumulang na 0.5pF at 9.3nH (Larawan 8). Ang epekto ng mga parameter ng parasitiko sa antas na ito sa resonant channel ng tatanggap (pagkakaiba-iba ng produktong LC) ay maaaring magresulta sa 315MHz ± 2% o 433.92mhz ± 3.5% na pagkakaiba-iba. Dahil sa karagdagang capacitance at inductance na dulot ng parasitikong epekto ng tingga, ang rurok ng dalas ng oscillation na 315MHz ay ​​umabot sa 312.17mhz, at ang rurok ng 433.92mhz oscillation frequency ay umabot sa 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. Kalkulahin ang dalas ng oscillation ng resonant circuit sa pamamagitan ng paggamit ng equation:

Ang pagsusuri ng resonant circuit ng plato ay dapat isama ang mga epekto ng parasitiko ng pakete at ang layout, at ang mga parameter ng parasitiko ay 7.3PF at 7.5PF ayon sa pagkakabanggit sa pagkalkula ng dalas ng resonant na 315MHz. Tandaan na ang produktong LC ay kumakatawan sa lumped capacitance.

Sa kabuuan, ang mga sumusunod na prinsipyo ay dapat sundin:

Panatilihing maikli ang tingga hangga’t maaari.

Ilagay ang mga key circuit nang malapit sa aparato hangga’t maaari.

Ang mga pangunahing sangkap ay binabayaran alinsunod sa aktwal na parasitism ng layout.

Grounding at pagpuno ng paggamot

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Ang pagkakapantay-pantay ng lahat ng mga patlang ng kuryente sa ganitong paraan ay gumagawa ng isang mahusay na mekanismo ng panangga.

Ang direktang kasalukuyang ay laging may gawi na dumaloy kasama ang isang mababang landas ng paglaban. Sa parehong paraan, ang kasalukuyang may mataas na dalas na mas gusto na dumadaloy sa daanan na may pinakamababang pagtutol. 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).

Paano maiiwasan ang iba’t ibang mga depekto sa layout ng PCB ng mga naka-print na board

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. Huwag ihalo ang guard wire sa lead na idinisenyo upang magbigay ng kasalukuyang kasalukuyang landas. Ang pag-aayos na ito ay maaaring magpakilala ng crosstalk.

Paano maiiwasan ang iba’t ibang mga depekto sa layout ng PCB ng mga naka-print na board

FIG. 10. Dapat iwasan ng disenyo ng sistema ng RF ang mga lumulutang na wire na nakasuot ng tanso, lalo na kung kinakailangan ng tanso na sheathing.

Ang lugar na nakasuot ng tanso ay hindi na-grounded (lumulutang) o pinagbatayan lamang sa isang dulo, na pumipigil sa bisa nito. 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. Sa maikli, kung ang isang piraso ng tanso cladding (mga di-circuit signal na kable) ay inilalagay sa circuit board upang matiyak ang isang pare-parehong kapal ng kalupkop. Dapat iwasan ang mga lugar na nakasuot ng tanso dahil nakakaapekto ito sa disenyo ng circuit.

Panghuli, tiyaking isaalang-alang ang mga epekto ng anumang lugar sa lupa na malapit sa antena. Anumang monopole antena ay magkakaroon ng rehiyon ng lupa, mga kable at butas bilang bahagi ng system equilibrium, at mga hindi ideyal na equilibrium na kable ay makakaapekto sa kahusayan ng radiation at direksyon ng antena (radiation template). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Sa kabuuan, ang mga sumusunod na prinsipyo ay dapat sundin:

Magbigay ng tuloy-tuloy at mababang pagtutol na mga grounding zona hangga’t maaari.

Ang magkabilang dulo ng linya ng pagpuno ay na-grounded, at isang through-hole array ang ginagamit hanggang maaari.

Huwag palutangin ang wire na nakasuot ng tanso malapit sa RF circuit, huwag maglagay ng tanso sa paligid ng RF circuit.

Kung ang circuit board ay naglalaman ng maraming mga layer, mas mahusay na maglagay ng isang lupa sa pamamagitan ng butas kapag ang signal cable ay dumaan mula sa isang gilid patungo sa kabilang panig.

Labis na kristal na kapasidad

Ang kapasidad ng parasitiko ay magiging sanhi ng paglihis ng dalas ng kristal mula sa target na halaga na 9. Samakatuwid, ang ilang mga pangkalahatang alituntunin ay dapat sundin upang mabawasan ang stray capacitance ng mga kristal na pin, pad, wire, o koneksyon sa mga RF device.

Ang mga sumusunod na prinsipyo ay dapat sundin:

Ang koneksyon sa pagitan ng kristal at aparato ng RF ay dapat na maikli hangga’t maaari.

Panatilihin ang mga kable mula sa bawat isa hangga’t maaari.

Kung ang shunt parasitiko capacitance ay masyadong malaki, alisin ang saligan na rehiyon sa ibaba ng kristal.

Pag-inductance ng mga kable ng planar

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. Samakatuwid, ang pinaka-kontrolado at mataas na Q inductors ay uri ng sugat. Pangalawa, maaari kang pumili ng multilayer ceramic inductor, ang mga tagagawa ng multilayer chip capacitor ay nagbibigay din ng produktong ito. Gayunpaman, ang ilang mga taga-disenyo ay pumili ng mga spiral inductor kung kinakailangan. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Kung saan, a ang average radius ng coil, sa pulgada; Ang N ay ang bilang ng mga liko; Ang C ay ang lapad ng coil core (router-rinner), sa pulgada. Kapag ang coil c “0.2a 11, ang kawastuhan ng pamamaraan ng pagkalkula ay nasa loob ng 5%.

Ang isang-layer na spiral inductors ng square, hexagonal, o iba pang mga hugis ay maaaring gamitin. Mahusay na mga pagtatantya ay maaaring matagpuan upang mag-modelo ng planar inductance sa integrated circuit wafers. Upang makamit ang layuning ito, ang karaniwang formula ng Wheeler ay binago upang makakuha ng isang paraan ng pagtatantya ng inductance ng eroplano na angkop para sa maliit na sukat at parisukat na laki 12.

Kung saan, ρ ang ratio ng pagpuno :; Ang N ay ang bilang ng mga liko, at ang dAVG ay ang average diameter:. Para sa mga square helmet, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Maraming mga kadahilanan upang maiwasan ang paggamit ng ganitong uri ng inductor, na karaniwang nagreresulta sa nabawasan na mga halaga ng inductance dahil sa mga limitasyon sa puwang. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Bilang karagdagan, ang mga tunay na halaga ng inductance ay mahirap makontrol sa panahon ng paggawa ng PCB, at ang inductance ay may kaugaliang mag-asawa rin ng ingay sa iba pang mga bahagi ng circuit.