Численні випадки застосування промислової, наукової та медичної радіочастотної продукції (ISM-RF) показують, що друкована плата макет цих виробів схильний до різних дефектів.Люди часто виявляють, що одна і та ж мікросхема, встановлена ​​на двох різних платах, показники продуктивності будуть значно відрізнятися. Варіації умов роботи, гармонічного випромінювання, здатності до перешкод та часу запуску можуть пояснити важливість компонування друкованої плати для успішного проектування.

У цій статті перераховуються різні недоліки конструкції, обговорюються причини кожної несправності та пропонуються способи уникнути цих дефектів конструкції. У цьому документі діелектрик fr-4, двошарова друкована плата товщиною 0.0625 дюйма, як приклад, заземлення друкованої плати. Працює в різних діапазонах частот від 315 МГц до 915 МГц, потужність Tx і Rx між -120 дБм і +13 дБм.

Напрямок індуктивності

Коли два індуктора (або навіть дві лінії друкованої плати) знаходяться близько один до одного, виникає взаємна індуктивність. Магнітне поле, що генерується струмом у першому колі, збуджує струм у другому контурі (малюнок 1). Цей процес подібний до взаємодії між первинною та вторинною котушками трансформатора. When two currents interact through a magnetic field, the voltage generated is determined by mutual inductance LM:

Де, YB – напруга помилки, введена в контур В, IA – струм 1, що діє на ланцюг А. LM дуже чутливий до відстані між ланцюгами, площі петлі індуктивності (тобто магнітного потоку) та напрямку петлі. Тому найкращим балансом між компактною схемою та зменшеною муфтою є правильне вирівнювання всіх дроселів у напрямку.

Фіг. 1. З ліній магнітного поля видно, що взаємна індуктивність пов’язана з напрямком вирівнювання індуктивності

Напрямок кола В відрегульовано так, що його контур струму паралельний лінії магнітного поля контуру А. З цією метою, якомога перпендикулярно один до одного, зверніться до схеми схеми плати оцінки супергетеродинного приймача (EV) малої потужності (EV) (MAX7042EVKIT) (Малюнок 2). Три індуктора на платі (L3, L1 і L2) знаходяться дуже близько один до одного, і їх орієнтація на 0 °, 45 ° та 90 ° допомагає зменшити взаємну індуктивність.

Малюнок 2. Наведені дві різні макети друкованої плати, одна з яких має елементи, розташовані в неправильному напрямку (L1 та L3), тоді як інша є більш придатною.

Підводячи підсумок, слід дотримуватися таких принципів:

Відстань між індуктивністю має бути якомога більшим.

Індуктори розміщені під прямим кутом для мінімізації перехресних перешкод між індукторами.

Ведіть муфту

Так само, як орієнтація індукторів впливає на магнітне зчеплення, так само впливає і зчеплення, якщо проводи знаходяться занадто близько один до одного. Така проблема з макетом також породжує те, що називається взаємним відчуттям. Однією з найбільш занепокоєних проблем радіочастотної схеми є підключення чутливих частин системи, таких як мережа відповідності входу, резонансний канал приймача, мережа відповідності антени передавача тощо.

Шлях зворотного струму повинен бути якомога ближче до основного шляху струму, щоб мінімізувати магнітне поле випромінювання. Таке розташування допомагає зменшити площу поточної петлі. Ідеальний шлях з низьким опором для зворотного струму, як правило, – це область заземлення під відведенням – це ефективно обмежує область петлі до області, де товщина діелектрика помножується на довжину відведення. Однак, якщо ділянка землі розщеплена, площа петлі збільшується (малюнок 3). Для провідників, що проходять через розділену область, зворотний струм буде протікати через шлях високого опору, що значно збільшує площу контуру струму. Таке розташування також робить кабелі більш сприйнятливими до взаємної індуктивності.

Малюнок 3. Повне заземлення великої площі допомагає покращити продуктивність системи

Для реального індуктора напрямок провідника також має значний вплив на зв’язок магнітного поля. Якщо виводи чутливої ​​ланцюга повинні бути близько один до одного, найкраще вирівняти їх по вертикалі, щоб зменшити зчеплення (Малюнок 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Щодо конструкції захисного дроту, будь ласка, зверніться до розділу заземлення та заправки нижче.

Малюнок 4. Подібно до малюнка 1, показує можливу зв’язок ліній магнітного поля.

Підводячи підсумок, при розподілі тарілки слід дотримуватися таких принципів:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Чутливі виводи повинні бути розташовані вертикально.

Якщо виводи повинні бути розташовані паралельно, забезпечте достатній відстань або використовуйте захисні дроти.

Заземлення через

Основною проблемою розташування радіочастотної схеми зазвичай є неоптимальний характеристичний опір схеми, включаючи компоненти схеми та їх взаємозв’язки. Вивід з тонким мідним покриттям еквівалентний дроту індуктивності і утворює розподілену ємність з іншими проводами поблизу. Свинець також проявляє властивості індуктивності та ємності, коли він проходить через отвір.

Ємність наскрізних отворів в основному випливає з ємності, утвореної між мідною обшивкою збоку від наскрізного отвору та мідною облицюванням на землі, розділеною досить маленьким кільцем. Інший вплив походить від самого циліндра металевої перфорації. Вплив паразитної ємності, як правило, невеликий і зазвичай викликає лише зміну фронтів у високошвидкісних цифрових сигналах (що не обговорюється в цій роботі).

Найбільший вплив наскрізного отвору-паразитна індуктивність, спричинена відповідним режимом взаємозв’язку. Оскільки більшість металевих перфорацій у конструкціях РЧ -друкованих плат мають той самий розмір, що і компоненти, що скупчені, ефект електричних перфорацій можна оцінити за допомогою простої формули (мал. 5):

Де LVIA – це індуктивність, що проходить через отвір; H – висота свердловини, в дюймах; D – діаметр наскрізного отвору, в дюймах 2.

Як уникнути різних дефектів розміщення друкованих плат на друкованих платах

Фіг. 5. Поперечний переріз друкованої плати, що використовується для оцінки паразитарного впливу на структури наскрізних отворів

Паразитна індуктивність часто має великий вплив на підключення обхідних конденсаторів. Ідеальні обхідні конденсатори забезпечують високочастотні короткі замикання між зоною подачі та пластом, але неідеальні наскрізні отвори можуть вплинути на шлях низької чутливості між пластом та зоною живлення. Типовий наскрізний отвір для друкованої плати (d = 10 mil, h = 62.5 mil) приблизно еквівалентний індуктору 1.34nH. Враховуючи конкретну робочу частоту виробу ISM-RF, наскрізні отвори можуть негативно впливати на чутливі ланцюги, такі як схеми резонансних каналів, фільтри та відповідні мережі.

Інші проблеми виникають, якщо чутливі ланцюги мають спільні отвори, наприклад, дві руки мережі π -типу. Наприклад, розташувавши ідеальний отвір, еквівалентне індуктивності у парі, еквівалентна схема значно відрізняється від оригінальної схеми (мал. 6). Як і перехресні перешкоди загального шляху струму 3, що призводить до збільшення взаємної індуктивності, збільшення перехресних перешкод та прохідності.

How to avoid PCB design problems

Малюнок 6. Ідеальна проти неідеальної архітектури, у схемі є потенційні “шляхи сигналу”.

Підводячи підсумок, схема компонування повинна відповідати таким принципам:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

Фільтр або відповідна мережа використовують незалежні наскрізні отвори.

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

Довжина відведення

Дані продукту Maxim ISM-RF часто рекомендують використовувати максимально короткі високочастотні вхідні та вихідні виводи для мінімізації втрат та випромінювання. З іншого боку, такі втрати зазвичай викликаються неідеальними паразитними параметрами, тому паразитна індуктивність та ємність впливають на схему схеми, а використання найкоротшого можливого відведення допомагає зменшити паразитні параметри. Як правило, кабель PCB шириною 10 міліметрів на відстані 0.0625 дюйма … Від плати FR4 виробляє індуктивність приблизно 19 нГн/дюйм та розподілену ємність приблизно 1 пФ/дюйм. Для ланцюга локальної мережі/ змішувача з індуктором 20 нГн і конденсатором 3 пФ ефективне значення компонента сильно вплине, якщо схема та компонент компонування дуже компактні.

Ipc-d-317a4 в “Інституті друкованих плат” надає галузеве стандартне рівняння для оцінки різних параметрів опору мікрополоскової друкованої плати. Цей документ був замінений у 2003 р. IPC-2251 5, який надає більш точний метод розрахунку для різних проводів друкованої плати. Онлайн-калькулятори доступні з різних джерел, більшість з яких базується на рівняннях, наданих МПК-2251. The Electromagnetic Compatibility Lab at Missouri Institute of Technology provides a very practical method for calculating PCB lead impedance 6.

Прийнятими критеріями для розрахунку опору мікрополоскових ліній є:

У формулі εr – діелектрична проникність діелектрика, h – висота відведення від товщі, W – ширина відведення, а Т – товщина відведення (рис. 7). Коли w/h становить від 0.1 до 2.0, а εr від 1 до 15, результати розрахунку цієї формули є досить точними.

Малюнок 7. Цей малюнок є перетином друкованої плати (подібно до малюнка 5) і представляє структуру, що використовується для розрахунку опору мікрополоскової лінії.

Для того, щоб оцінити вплив довжини проводу, практичніше визначити ефект розлагодження ідеальної схеми за паразитними параметрами свинцю. У цьому прикладі ми обговорюємо розсіяну ємність та індуктивність. Стандартне рівняння характеристичної ємності для мікрополоскових ліній:

Аналогічно, характеристичну індуктивність можна обчислити з рівняння, використовуючи наведене вище рівняння:

Наприклад, припустимо товщину друкованої плати 0.0625 дюйма. (h = 62.5 mil), 1 унція свинцю з мідним покриттям (t = 1.35 mil), 0.01 дюйма. (w = 10 млн) та дошка FR-4. Зауважте, що ε R FR-4 зазвичай становить 4.35 фарад/м (F/м), але може коливатися від 4.0F/м до 4.7F/м. Власні значення, розраховані в цьому прикладі, складають Z0 = 134 ω, C0 = 1.04 пФ/дюйм, L0 = 18.7 нГн/дюйм.

Для конструкції AN ISM-RF довжина проводів на платі 12.7 мм (0.5 дюйма) може створювати паразитні параметри приблизно 0.5 пФ та 9.3 нГн (Малюнок 8). Вплив паразитних параметрів на цьому рівні на резонансний канал приймача (зміна продукту ЖК) може призвести до зміни 315 МГц ± 2% або 433.92 мГц ± 3.5%. Через додаткову ємність та індуктивність, викликану паразитним впливом свинцю, пік частоти коливань 315 МГц досягає 312.17 мГц, а пік частоти коливань 433.92 мГц досягає 426.6 мГц.

Інший приклад – резонансний канал супергетеродинного приймача Максима (MAX7042). Рекомендовані компоненти – 1.2 пФ та 30 нГц на 315 МГц; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Обчисліть частоту коливань резонансного контуру за допомогою рівняння:

Оцінка резонансної схеми пластини повинна включати паразитні ефекти упаковки та компонування, а паразитні параметри – 7.3PF та 7.5PF відповідно при обчисленні резонансної частоти 315 МГц. Зверніть увагу, що продукт LC являє собою збільшену ємність.

Підводячи підсумок, необхідно дотримуватися таких принципів:

Тримайте провід якомога коротше.

Розмістіть ланцюги ключів якомога ближче до пристрою.

Ключові компоненти компенсуються відповідно до фактичного розміщення паразитизму.

Обробка грунтом та заливкою

Шар заземлення або живлення визначає загальну опорну напругу, яка забезпечує живлення всіх частин системи через шлях з низьким опором. Вирівнювання всіх електричних полів таким чином дає хороший захисний механізм.

Постійний струм завжди має тенденцію протікати по шляху з низьким опором. Точно так само високочастотний струм переважно протікає по шляху з найменшим опором. 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).

Як уникнути різних дефектів розміщення друкованих плат на друкованих платах

Фіг. 9. Зберігайте формацію максимально цілою, інакше зворотний струм спричинить перехресні перешкоди.

Заповнена земля, також відома як захисні лінії, зазвичай використовується в схемах, де важко прокласти безперервне заземлення або де потрібна екранування чутливих контурів (мал. 10). Екрануючий ефект можна збільшити, розмістивши отвори для заземлення (тобто отвори для отворів) на обох кінцях проводу або вздовж проводу. 8. Не змішуйте захисний дріт з відведенням, призначеним для забезпечення шляху зворотного струму. Таке розташування може запровадити перехресні перешкоди.

Як уникнути різних дефектів розміщення друкованих плат на друкованих платах

Фіг. 10. У конструкції радіочастотної системи слід уникати плаваючих мідних проводів, особливо якщо потрібна мідна оболонка.

Область, покрита міддю, не є заземленою (плаваючою) або заземленою лише з одного кінця, що обмежує її ефективність. У деяких випадках це може спричинити небажані ефекти, формуючи паразитну ємність, яка змінює опір оточуючої проводки або створює «прихований» шлях між ланцюгами. Коротше кажучи, якщо шматок мідної обшивки (сигнальна проводка без схеми) прокладено на друкованій платі для забезпечення послідовності товщини покриття. Слід уникати мідних областей, оскільки вони впливають на конструкцію схеми.

Нарешті, обов’язково врахуйте вплив будь -якої ділянки землі біля антени. Будь-яка монопольна антена матиме область заземлення, проводку та отвори як частину рівноваги системи, а неідеальна рівноважна проводка вплине на ефективність випромінювання та напрямок антени (шаблон випромінювання). Тому територію заземлення не слід розміщувати безпосередньо під провідною антеною монопольної друкованої плати.

Підводячи підсумок, слід дотримуватися таких принципів:

Забезпечте, наскільки це можливо, безперервні зони заземлення з низьким опором.

Обидва кінці заправної лінії заземлені, і наскільки це можливо, використовується матриця наскрізних отворів.

Не плавайте мідний дріт поблизу радіочастотної ланцюга, не кладіть мідь навколо радіочастотної ланцюга.

Якщо друкована плата містить кілька шарів, краще прокласти грунт через отвір, коли сигнальний кабель переходить з одного боку на інший.

Надмірна ємність кристалів

Паразитна ємність призведе до відхилення частоти кристала від цільового значення 9. Тому слід дотримуватися деяких загальних вказівок для зменшення розсіяної ємності кристалічних штирів, колодок, проводів або з’єднань з радіочастотними пристроями.

Слід дотримуватися таких принципів:

З’єднання між кристалом і радіочастотним пристроєм має бути якомога коротшим.

Тримайте проводку якомога далі один від одного.

Якщо паразитна ємність шунта занадто велика, видаліть область заземлення під кристалом.

Плоска індуктивність проводки

Плоска проводка або спіральні індуктори з друкованої плати не рекомендуються. Типові процеси виробництва друкованих плат мають певні неточності, такі як допуски по ширині та простору, що значно впливає на точність значень компонентів. Тому більшість контрольованих та високих індукторів Q мають раневий тип. По -друге, ви можете вибрати багатошаровий керамічний індуктор, виробники багатошарових чіп -конденсаторів також надають цей продукт. Тим не менш, деякі дизайнери вибирають спіральні індуктори, коли це необхідно. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Де, a – середній радіус котушки, в дюймах; N – кількість витків; C-ширина сердечника котушки (маршрутизатор-ополіскувач), в дюймах. Коли котушка c “0.2a 11, точність методу розрахунку знаходиться в межах 5%.

Можна використовувати одношарові спіральні індуктори квадратної, шестикутної або іншої форми. Для моделювання площинної індуктивності на пластинах інтегральної схеми можна знайти дуже хороші наближення. Для досягнення цієї мети стандартна формула Вілера модифікована для отримання методу оцінки плоскої індуктивності, придатного для малих розмірів та квадратних розмірів 12.

Де, ρ – коефіцієнт наповнення :; N – кількість витків, а dAVG – середній діаметр :. Для квадратних спіралей К1 = 2.36, К2 = 2.75.

Існує багато причин уникати використання індуктора такого типу, що зазвичай призводить до зменшення значень індуктивності через обмеження простору. Основними причинами уникнення плоских індукторів є обмежена геометрія та поганий контроль критичних розмірів, що унеможливлює передбачення значень індуктора. Крім того, фактичні значення індуктивності важко контролювати під час виробництва друкованих плат, а індуктивність також має тенденцію до сполучення шуму з іншими частинами схеми.