Endüstriyel, bilimsel ve tıbbi radyo frekansı (ISM-RF) ürünlerinin çok sayıda uygulama örneği göstermektedir ki, baskılı devre kartı Bu ürünlerin yerleşimi çeşitli kusurlara eğilimlidir.İnsanlar genellikle aynı IC’nin iki farklı devre kartına kurulduğunu bulur, performans göstergeleri önemli ölçüde farklı olacaktır. Çalışma koşullarındaki değişiklikler, harmonik radyasyon, parazit önleme özelliği ve başlatma süresi, başarılı bir tasarımda devre kartı yerleşiminin önemini açıklayabilir.

Bu makale, çeşitli tasarım eksikliklerini listeler, her bir arızanın nedenlerini tartışır ve bu tasarım kusurlarından nasıl kaçınılacağına dair öneriler sunar. Bu yazıda, fr-4 dielektrik, 0.0625in kalınlığında çift katmanlı PCB örnek olarak devre kartı topraklama. 315MHz ile 915MHz arasında farklı frekans bantlarında, Tx ve Rx gücü -120dbm ile +13dBm arasında çalışır.

endüktans yönü

İki indüktör (veya hatta iki PCB hattı) birbirine yakın olduğunda, karşılıklı endüktans oluşacaktır. Birinci devredeki akımın oluşturduğu manyetik alan, ikinci devredeki akımı harekete geçirir (Şekil 1). Bu işlem, bir transformatörün birincil ve ikincil bobinleri arasındaki etkileşime benzer. When two currents interact through a magnetic field, the voltage generated is determined by mutual inductance LM:

YB, devre B’ye enjekte edilen hata voltajı olduğunda, IA, devre A’ya etki eden akım 1’dir. LM, devre aralığına, endüktans döngü alanına (yani manyetik akı) ve döngü yönüne çok duyarlıdır. Bu nedenle, kompakt devre düzeni ve azaltılmış kuplaj arasındaki en iyi denge, tüm indüktörlerin yönde doğru hizalanmasıdır.

İNCİR. 1. Manyetik alan çizgilerinden, karşılıklı endüktansın endüktans hizalama yönü ile ilgili olduğu görülebilir.

B devresinin yönü, akım döngüsü A devresinin manyetik alan çizgisine paralel olacak şekilde ayarlanır. Bunun için düşük güçlü FSK süperheterodin Alıcı Değerlendirme (EV) kartının (MAX7042EVKIT) devre düzenine mümkün olduğunca birbirine dik olarak bakınız (Şekil 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.

Şekil 2. Biri yanlış yönde düzenlenmiş (L1 ve L3) elemanlara sahip, diğeri daha uygun olan iki farklı PCB yerleşimi gösterilmektedir.

Özetlemek gerekirse, aşağıdaki ilkelere uyulmalıdır:

Endüktans aralığı mümkün olduğunca uzak olmalıdır.

İndüktörler, indüktörler arasındaki karışmayı en aza indirmek için dik açılarda düzenlenmiştir.

kaplini yönet

İndüktörlerin oryantasyonu manyetik kuplajı etkilediği gibi, kablolar birbirine çok yakınsa kuplaj da etkiler. Bu tür bir yerleşim sorunu aynı zamanda karşılıklı duyum denilen şeyi de üretir. RF devresinin en ilgili sorunlarından biri, giriş eşleştirme ağı, alıcının rezonans kanalı, vericinin anten eşleştirme ağı vb. gibi sistemin hassas parçalarının kablolanmasıdır.

Radyasyon manyetik alanını en aza indirmek için dönüş akımı yolu, ana akım yoluna mümkün olduğunca yakın olmalıdır. Bu düzenleme, mevcut döngü alanını azaltmaya yardımcı olur. Dönüş akımı için ideal düşük dirençli yol, genellikle kablonun altındaki toprak bölgesidir – döngü alanını, dielektrik kalınlığının kablonun uzunluğu ile çarpıldığı bir bölgeyle etkin bir şekilde sınırlandırır. Ancak zemin bölgesi bölünürse döngü alanı artar (Şekil 3). Bölünmüş bölgeden geçen uçlar için, dönüş akımı yüksek direnç yolundan zorlanacak ve mevcut döngü alanını büyük ölçüde artıracaktır. This arrangement also makes circuit leads more susceptible to mutual inductance.

Şekil 3. Eksiksiz geniş alan topraklaması sistem performansını artırmaya yardımcı olur

Gerçek bir indüktör için, kurşun yönünün manyetik alan bağlantısı üzerinde de önemli bir etkisi vardır. Hassas bir devrenin kablolarının birbirine yakın olması gerekiyorsa, kuplajı azaltmak için kabloları dikey olarak hizalamak en iyisidir (Şekil 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Koruma teli tasarımı için lütfen aşağıdaki topraklama ve doldurma işlemi bölümüne bakın.

Şekil 4. Şekil 1’e benzer şekilde, manyetik alan çizgilerinin olası eşleşmesini gösterir.

Özetlemek gerekirse, plaket dağıtılırken aşağıdaki ilkelere uyulmalıdır:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Hassas uçlar dikey olarak düzenlenmelidir.

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

üzerinden topraklama

RF devre düzeniyle ilgili temel sorun, genellikle devre bileşenleri ve bunların ara bağlantıları dahil olmak üzere devrenin optimal olmayan karakteristik empedansıdır. İnce bakır kaplamalı uç, endüktans tele eşdeğerdir ve yakındaki diğer uçlarla dağıtılmış bir kapasitans oluşturur. Kurşun delikten geçerken endüktans ve kapasitans özellikleri de gösterir.

Açık delik kapasitansı, esas olarak, açık delik pedinin yanındaki bakır kaplama ile oldukça küçük bir halka ile ayrılmış zemindeki bakır kaplama arasında oluşan kapasitanstan gelir. Başka bir etki, metal perforasyonun silindirinden gelir. Parazitik kapasitansın etkisi genellikle küçüktür ve genellikle sadece yüksek hızlı dijital sinyallerde (bu yazıda ele alınmayan) kenar değişimine neden olur.

Geçiş deliğinin en büyük etkisi, ilgili ara bağlantı modunun neden olduğu parazitik endüktanstır. RF PCB tasarımlarındaki metal deliklerin çoğu, toplu bileşenlerle aynı boyutta olduğundan, elektrik deliklerinin etkisi basit bir formül kullanılarak tahmin edilebilir (Şekil 5):

Where, LVIA is lumped inductance through hole; H, deliğin inç cinsinden yüksekliğidir; D, 2 inç cinsinden açık deliğin çapıdır.

Baskılı kartların PCB düzeninde çeşitli kusurlar nasıl önlenir

İNCİR. 5. Delikli yapılar üzerindeki parazit etkilerini tahmin etmek için kullanılan PCB kesiti

Parazitik endüktans genellikle baypas kapasitörlerinin bağlantısı üzerinde büyük bir etkiye sahiptir. İdeal baypas kapasitörleri, tedarik bölgesi ile filo arasında yüksek frekanslı kısa devreler sağlar, ancak ideal olmayan geçiş delikleri, birlik ve tedarik bölgesi arasındaki düşük hassasiyetli yolu etkileyebilir. Tipik bir PCB geçiş deliği (d = 10 mil, h = 62.5 mil), yaklaşık olarak 1.34nH indüktöre eşdeğerdir. ISM-RF ürününün spesifik çalışma frekansı göz önüne alındığında, açık delikler rezonans kanal devreleri, filtreler ve eşleşen ağlar gibi hassas devreleri olumsuz etkileyebilir.

Hassas devreler, π tipi bir ağın iki kolu gibi delikleri paylaşırsa başka problemler ortaya çıkar. Örneğin, toplu endüktansa eşdeğer ideal bir delik yerleştirerek, eşdeğer şema orijinal devre tasarımından oldukça farklıdır (Şekil 6). Ortak akım yolu 3’ün karışmasında olduğu gibi, artan karşılıklı endüktans, artan karışma ve geçiş ile sonuçlanır.

How to avoid PCB design problems

Şekil 6. İdeal ve ideal olmayan mimariler, devrede potansiyel “sinyal yolları” vardır.

Özetlemek gerekirse, devre düzeni aşağıdaki ilkeleri takip etmelidir:

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.

kurşun uzunluğu

Maxim ISM-RF ürün verileri, kayıpları ve radyasyonu en aza indirmek için genellikle mümkün olan en kısa yüksek frekanslı giriş ve çıkış yollarının kullanılmasını önerir. Öte yandan, bu tür kayıplara genellikle ideal olmayan parazitik parametreler neden olur, bu nedenle hem parazitik endüktans hem de kapasitans devre düzenini etkiler ve mümkün olan en kısa ucun kullanılması parazitik parametrelerin azaltılmasına yardımcı olur. Tipik olarak, 10 inç mesafeye sahip 0.0625 mil genişliğinde bir PCB ucu… Bir FR4 kartından yaklaşık 19nH/inç’lik bir endüktans ve yaklaşık 1pF/inç’lik bir dağıtılmış kapasitans üretir. 20nH indüktör ve 3pF kapasitörlü bir LAN/mikser devresi için, devre ve bileşen yerleşimi çok kompakt olduğunda etkin bileşen değeri büyük ölçüde etkilenecektir.

‘Baskılı Devreler Enstitüsü’ndeki Ipc-d-317a4, mikroşerit PCB’nin çeşitli empedans parametrelerini tahmin etmek için endüstri standardı bir denklem sağlar. Bu belge, 2003 yılında, çeşitli PCB uçları için daha doğru bir hesaplama yöntemi sağlayan IPC-2251 5 ile değiştirilmiştir. Çevrimiçi hesap makineleri, çoğu IPC-2251 tarafından sağlanan denklemlere dayanan çeşitli kaynaklardan edinilebilir. 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:

Formülde, εr, dielektrikin dielektrik sabitidir, h, kurşunun tabakadan yüksekliğidir, W, kurşun genişliğidir ve T, kurşun kalınlığıdır (Şekil 7). w/h 0.1 ile 2.0 arasında ve εr 1 ile 15 arasında olduğunda, bu formülün hesaplama sonuçları oldukça doğrudur.

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.

Lead uzunluğunun etkisini değerlendirmek için ideal devrenin detuning etkisinin lead parazitik parametrelerle belirlenmesi daha pratiktir. Bu örnekte, kaçak kapasitans ve endüktansı tartışıyoruz. Mikroşerit hatlar için standart karakteristik kapasitans denklemi:

Benzer şekilde, karakteristik endüktans, yukarıdaki denklem kullanılarak denklemden hesaplanabilir:

Örneğin, PCB kalınlığının 0.0625 inç olduğunu varsayalım. (h = 62.5 mil), 1 ons bakır kaplı kurşun (t = 1.35 mil), 0.01 inç. (w = 10 mil) ve bir FR-4 tahtası. FR-4’ün ε R’sinin tipik olarak 4.35 farad /m (F/m) olduğunu, ancak 4.0F/m ila 4.7F/m arasında değişebileceğini unutmayın. Bu örnekte hesaplanan özdeğerler Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in’dir.

Bir ISM-RF tasarımı için, kart üzerindeki kabloların 12.7 mm (0.5 inç) yerleşim uzunluğu yaklaşık 0.5pF ve 9.3nH parazit parametreleri üretebilir (Şekil 8). Bu seviyedeki parazitik parametrelerin alıcının rezonans kanalı üzerindeki etkisi (LC ürününün varyasyonu) 315MHz ±%2 veya 433.92mhz ±%3.5 varyasyonla sonuçlanabilir. Kurşunun parazit etkisinin neden olduğu ek kapasitans ve endüktans nedeniyle, 315MHz salınım frekansının zirvesi 312.17mhz’ye, 433.92mhz salınım frekansının zirvesi ise 426.6mhz’ye ulaşır.

Başka bir örnek, Maxim’in süperheterodin alıcısının (MAX7042) rezonans kanalıdır. Önerilen bileşenler, 1.2MHz’de 30pF ve 315nH’dir; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Aşağıdaki denklemi kullanarak rezonans devresinin salınım frekansını hesaplayın:

Plakanın rezonans devresinin değerlendirilmesi, paketin ve yerleşimin parazitik etkilerini içermelidir ve 7.3MHz rezonans frekansı hesaplanırken parazitik parametreler sırasıyla 7.5PF ve 315PF’dir. LC ürününün toplu kapasitansı temsil ettiğini unutmayın.

Özetlemek gerekirse, aşağıdaki ilkelere uyulmalıdır:

Lead’i mümkün olduğunca kısa tutun.

Anahtar devrelerini cihaza mümkün olduğunca yakın yerleştirin.

Anahtar bileşenler, gerçek düzen parazitliğine göre telafi edilir.

Topraklama ve doldurma işlemi

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Tüm elektrik alanlarının bu şekilde eşitlenmesi, iyi bir ekranlama mekanizması üretir.

Doğru akım her zaman düşük dirençli bir yol boyunca akma eğilimindedir. Aynı şekilde, yüksek frekanslı akım tercihen en düşük dirençli yoldan akar. 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).

Baskılı kartların PCB düzeninde çeşitli kusurlar nasıl önlenir

İNCİR. 9. Formasyonu mümkün olduğunca sağlam tutun, aksi takdirde dönüş akımı karışmaya neden olur.

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). Koruyucu etki, lead’in her iki ucuna veya lead boyunca topraklama delikleri (yani delik dizileri) yerleştirerek artırılabilir. 8. Koruyucu teli, bir dönüş akımı yolu sağlamak için tasarlanmış kurşun ile karıştırmayın. Bu düzenleme, karışmayı başlatabilir.

Baskılı kartların PCB düzeninde çeşitli kusurlar nasıl önlenir

İNCİR. 10. RF sistem tasarımı, özellikle bakır kılıf gerekliyse, yüzen bakır kaplı kablolardan kaçınmalıdır.

Bakır kaplı alan topraklanmamıştır (yüzer) veya yalnızca bir uçta topraklanmamıştır, bu da etkinliğini sınırlar. Bazı durumlarda, çevredeki kabloların empedansını değiştiren veya devreler arasında “gizli” bir yol oluşturan parazitik kapasitans oluşturarak istenmeyen etkilere neden olabilir. Kısacası, tutarlı bir kaplama kalınlığı sağlamak için devre kartına bir parça bakır kaplama (devre olmayan sinyal kablolaması) döşenirse. Devre tasarımını etkilediği için bakır kaplı alanlardan kaçınılmalıdır.

Son olarak, antenin yakınındaki herhangi bir zemin alanının etkilerini dikkate aldığınızdan emin olun. Herhangi bir monopol anten, sistem dengesinin bir parçası olarak toprak bölgesine, kablolara ve deliklere sahip olacaktır ve ideal olmayan denge kablolaması antenin radyasyon verimliliğini ve yönünü (radyasyon şablonu) etkileyecektir. Bu nedenle, zemin alanı doğrudan monopol PCB kurşun anteninin altına yerleştirilmemelidir.

Özetlemek gerekirse, aşağıdaki ilkelere uyulmalıdır:

Mümkün olduğunca sürekli ve düşük dirençli topraklama bölgeleri sağlayın.

Doldurma hattının her iki ucu da topraklanmıştır ve mümkün olduğunca açık delik dizisi kullanılmıştır.

Bakır kaplı kabloyu RF devresinin yakınında yüzdürmeyin, RF devresinin etrafına bakır döşemeyin.

Devre kartı birden fazla katman içeriyorsa, sinyal kablosu bir taraftan diğerine geçerken bir delikten topraklama yapmak en iyisidir.

Aşırı kristal kapasitans

Parazitik kapasitans, kristal frekansının hedef değer 9’dan sapmasına neden olacaktır. Bu nedenle, kristal pimlerin, pedlerin, tellerin veya RF cihazlarına bağlantıların kaçak kapasitansını azaltmak için bazı genel yönergeler izlenmelidir.

Aşağıdaki ilkelere uyulmalıdır:

Kristal ve RF cihazı arasındaki bağlantı mümkün olduğunca kısa olmalıdır.

Kabloları mümkün olduğunca birbirinden uzak tutun.

Şönt parazit kapasitansı çok büyükse, kristalin altındaki topraklama bölgesini kaldırın.

Düzlemsel kablolama endüktansı

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. Bu nedenle, çoğu kontrollü ve yüksek Q indüktörü yara tipidir. İkincisi, çok katmanlı seramik indüktör seçebilirsiniz, çok katmanlı çip kapasitör üreticileri de bu ürünü sağlar. Bununla birlikte, bazı tasarımcılar gerektiğinde spiral indüktörleri seçerler. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Burada a, bobinin inç cinsinden ortalama yarıçapıdır; N, dönüş sayısıdır; C, bobin göbeğinin (yönlendirici-rinner) inç cinsinden genişliğidir. Bobin c “0.2a 11 olduğunda, hesaplama yönteminin doğruluğu% 5 içindedir.

Kare, altıgen veya diğer şekillerdeki tek katmanlı spiral indüktörler kullanılabilir. Entegre devre levhalarında düzlemsel endüktansı modellemek için çok iyi yaklaşımlar bulunabilir. Bu amaca ulaşmak için, standart Wheeler formülü, küçük boyut ve kare boyutu 12 için uygun bir düzlem endüktans tahmin yöntemi elde edecek şekilde değiştirilmiştir.

Burada ρ dolum oranıdır:; N, dönüş sayısıdır ve dAVG, ortalama çaptır:. Kare sarmallar için K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Alan sınırlamaları nedeniyle genellikle azaltılmış endüktans değerlerine neden olan bu tür indüktör kullanmaktan kaçınmanın birçok nedeni vardır. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Ek olarak, PCB üretimi sırasında gerçek endüktans değerlerinin kontrol edilmesi zordur ve endüktans ayrıca gürültüyü devrenin diğer kısımlarına bağlama eğilimindedir.