Nhiều trường hợp ứng dụng của các sản phẩm tần số vô tuyến (ISM-RF) trong công nghiệp, khoa học và y tế cho thấy bảng mạch in cách bố trí của các sản phẩm này dễ bị các khuyết tật khác nhau.Mọi người thường thấy rằng cùng một IC được lắp đặt trên hai bảng mạch khác nhau, các chỉ số hoạt động sẽ khác nhau đáng kể. 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. Trong bài báo này, điện môi fr-4, PCB hai lớp dày 0.0625in làm ví dụ, tiếp đất cho bảng mạch. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Hướng điện cảm

Khi hai cuộn cảm (hoặc thậm chí hai đường PCB) ở gần nhau, hiện tượng tự cảm lẫn nhau sẽ xảy ra. 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:

Trong đó, YB là điện áp sai số đặt vào mạch B, IA là cường độ dòng điện 1 tác dụng lên mạch 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. Với mục đích này, càng vuông góc với nhau càng tốt, vui lòng tham khảo sơ đồ bố trí mạch của bảng Đánh giá máy thu FSK superheterodyne công suất thấp (EV) (MAX7042EVKIT) (Hình 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.

Hình 2. Hai cách bố trí PCB khác nhau được hiển thị, một trong số đó có các phần tử được sắp xếp sai hướng (L1 và L3), trong khi cách còn lại phù hợp hơn.

Tóm lại, cần tuân thủ các nguyên tắc sau:

Khoảng cách điện cảm phải càng xa càng tốt.

Các cuộn cảm được bố trí vuông góc để giảm thiểu hiện tượng xuyên âm giữa các cuộn cảm.

Dẫn các khớp nối

Cũng như định hướng của cuộn cảm ảnh hưởng đến quá trình ghép từ, sự ghép nối cũng như vậy nếu các dây dẫn quá gần nhau. Loại vấn đề bố trí này cũng tạo ra cái được gọi là cảm giác lẫn nhau. Một trong những vấn đề được quan tâm nhất của mạch RF là đi dây các bộ phận nhạy cảm của hệ thống, chẳng hạn như mạng kết hợp đầu vào, kênh cộng hưởng của máy thu, mạng kết hợp ăng-ten của máy phát, v.v.

Đường dẫn dòng điện trở lại càng gần với đường dẫn dòng điện chính càng tốt để giảm thiểu từ trường bức xạ. This arrangement helps to reduce the current loop area. Đường dẫn có điện trở thấp lý tưởng cho dòng điện trở lại thường là vùng đất bên dưới dây dẫn – giới hạn hiệu quả vùng vòng lặp thành vùng mà độ dày của chất điện môi được nhân với chiều dài của dây dẫn. Tuy nhiên, nếu khu vực mặt đất bị tách ra, thì diện tích vòng lặp sẽ tăng lên (Hình 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.

Hình 3. Việc nối đất toàn bộ diện tích lớn giúp cải thiện hiệu suất hệ thống

Đối với một cuộn cảm thực tế, hướng dẫn cũng có ảnh hưởng đáng kể đến sự ghép nối từ trường. Nếu các dây dẫn của một mạch nhạy cảm phải gần nhau, tốt nhất nên xếp các dây dẫn theo chiều dọc để giảm sự ghép nối (Hình 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. Đối với thiết kế dây bảo vệ, vui lòng tham khảo phần tiếp đất và xử lý lấp đầy bên dưới.

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

Vấn đề chính của việc bố trí mạch RF thường là trở kháng đặc tính dưới mức tối ưu của mạch, bao gồm các thành phần mạch và các kết nối của chúng. Dây dẫn có lớp phủ đồng mỏng tương đương với dây dẫn điện cảm và tạo thành điện dung phân bố với các dây dẫn khác ở xung quanh. Dây dẫn cũng thể hiện tính chất điện cảm và điện dung khi nó đi qua lỗ.

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. Ảnh hưởng của điện dung ký sinh nói chung là nhỏ và thường chỉ gây ra sự biến đổi cạnh trong các tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao (điều này không được thảo luận trong bài báo này).

Ảnh hưởng lớn nhất của lỗ xuyên là cảm ứng ký sinh gây ra bởi chế độ kết nối tương ứng. 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 là đường kính của lỗ thông, tính bằng inch 2.

Làm thế nào để tránh các khuyết tật khác nhau trong bố cục PCB của bảng in

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. Tụ điện bỏ qua lý tưởng cung cấp ngắn mạch tần số cao giữa vùng cung cấp và vùng hình thành, nhưng các lỗ xuyên không lý tưởng có thể ảnh hưởng đến đường dẫn độ nhạy thấp giữa vùng nguồn và vùng cung cấp. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Với tần số hoạt động cụ thể của sản phẩm ISM-RF, các lỗ xuyên có thể ảnh hưởng xấu đến các mạch nhạy cảm như mạch kênh cộng hưởng, bộ lọc và mạng kết hợp.

Các vấn đề khác nảy sinh nếu các mạch nhạy cảm có chung lỗ, chẳng hạn như hai nhánh của mạng kiểu π. Ví dụ, bằng cách đặt một lỗ lý tưởng tương đương với điện cảm gộp, sơ đồ tương đương hoàn toàn khác với thiết kế mạch ban đầu (Hình 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

Hình 6. Kiến trúc lý tưởng và không lý tưởng, có những “đường dẫn tín hiệu” tiềm năng trong mạch.

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.

Chiều dài của dây dẫn

Dữ liệu sản phẩm Maxim ISM-RF thường khuyến nghị sử dụng đầu vào và đầu ra tần số cao ngắn nhất có thể để giảm thiểu tổn thất và bức xạ. Mặt khác, những tổn thất như vậy thường do các thông số ký sinh không lý tưởng gây ra, do đó cả điện cảm và điện dung ký sinh đều ảnh hưởng đến bố trí mạch, và việc sử dụng dây dẫn ngắn nhất có thể giúp giảm các thông số ký sinh. 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. Đối với mạch LAN / mixer có cuộn cảm 20nH và tụ điện 3pF, giá trị linh kiện hiệu dụng sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều khi bố trí mạch và linh kiện rất nhỏ gọn.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Tài liệu này đã được thay thế vào năm 2003 bởi IPC-2251 5, cung cấp một phương pháp tính toán chính xác hơn cho các dây dẫn PCB khác nhau. 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:

Trong công thức, εr là hằng số điện môi của chất điện môi, h là chiều cao của dây dẫn từ tầng, W là chiều rộng dây dẫn và T là độ dày dây dẫn (Hình 7). Khi w / h nằm trong khoảng 0.1 đến 2.0 và εr từ 1 đến 15, kết quả tính toán của công thức này khá chính xác.

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. Trong ví dụ này, chúng ta thảo luận về điện dung và độ tự cảm đi lạc. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Tương tự, độ tự cảm đặc tính có thể được tính toán từ phương trình bằng cách sử dụng công thức trên:

Ví dụ, giả sử độ dày của PCB là 0.0625in. (h = 62.5 triệu), 1 ounce chì bọc đồng (t = 1.35 triệu), 0.01in. (w = 10 triệu) và bảng FR-4. Lưu ý rằng ε R của FR-4 thường là 4.35 farad / m (F / m), nhưng có thể nằm trong khoảng 4.0F / m đến 4.7F / m. Các giá trị riêng được tính trong ví dụ này là Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF / in, L0 = 18.7nH / in.

Đối với thiết kế AN ISM-RF, chiều dài bố trí 12.7mm (0.5in) của các đạo trình trên bảng có thể tạo ra các thông số ký sinh xấp xỉ 0.5pF và 9.3nH (Hình 8). Ảnh hưởng của các thông số ký sinh ở mức này lên kênh cộng hưởng của máy thu (biến thể của sản phẩm LC) có thể dẫn đến biến đổi 315MHz ± 2% hoặc 433.92mhz ± 3.5%. Do có thêm điện dung và độ tự cảm do tác dụng kí sinh của vật dẫn nên cực đại của tần số dao động 315MHz đạt 312.17mhz, cực đại của tần số dao động 433.92mhz đạt 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. Tính tần số dao động của mạch cộng hưởng bằng công thức:

Việc đánh giá mạch cộng hưởng của tấm nên bao gồm các hiệu ứng ký sinh của gói và cách bố trí, và các thông số ký sinh tương ứng là 7.3PF và 7.5PF khi tính tần số cộng hưởng 315MHz. Lưu ý rằng sản phẩm LC đại diện cho điện dung gộp.

Tóm lại, các nguyên tắc sau phải được tuân thủ:

Giữ lời dẫn càng ngắn càng tốt.

Đặt các mạch chính càng gần thiết bị càng tốt.

Các thành phần chính được bù đắp theo chủ nghĩa bố trí thực tế.

Tiếp đất và xử lý lấp đầy

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Việc cân bằng tất cả các điện trường theo cách này tạo ra một cơ chế che chắn tốt.

Dòng điện một chiều luôn có xu hướng chạy dọc theo đường có điện trở thấp. Theo cách tương tự, dòng điện tần số cao được ưu tiên chạy qua đường dẫn có điện trở thấp nhất. 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).

Làm thế nào để tránh các khuyết tật khác nhau trong bố cục PCB của bảng in

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. Không trộn dây bảo vệ với dây dẫn được thiết kế để cung cấp đường dẫn dòng điện trở lại. Sự sắp xếp này có thể tạo ra nhiễu xuyên âm.

Làm thế nào để tránh các khuyết tật khác nhau trong bố cục PCB của bảng in

QUẢ SUNG. 10. Thiết kế hệ thống RF nên tránh các dây bọc đồng trôi nổi, đặc biệt nếu cần có vỏ bọc đồng.

Khu vực bọc đồng không được nối đất (nổi) hoặc chỉ được nối đất ở một đầu, điều này hạn chế hiệu quả của nó. 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. Tóm lại, nếu một miếng đồng mạ (không nối dây tín hiệu mạch) được đặt trên bảng mạch để đảm bảo độ dày lớp mạ phù hợp. Nên tránh các khu vực được bọc đồng vì chúng ảnh hưởng đến thiết kế mạch điện.

Cuối cùng, hãy chắc chắn xem xét ảnh hưởng của bất kỳ khu vực mặt đất nào gần ăng-ten. Bất kỳ ăng ten đơn cực nào sẽ có vùng mặt đất, hệ thống dây và lỗ là một phần của trạng thái cân bằng hệ thống, và hệ thống dây cân bằng không lý tưởng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả bức xạ và hướng của ăng ten (mẫu bức xạ). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Tóm lại, cần tuân thủ các nguyên tắc sau:

Cung cấp các vùng nối đất liên tục và có điện trở thấp càng xa càng tốt.

Cả hai đầu của dây đổ đầy đều được nối đất và một mảng xuyên lỗ được sử dụng càng xa càng tốt.

Không thả nổi dây mạ đồng gần mạch RF, không đặt đồng xung quanh mạch RF.

Nếu bảng mạch có nhiều lớp, tốt nhất nên đặt một lỗ xuyên qua mặt đất khi cáp tín hiệu đi từ bên này sang bên kia.

Điện dung tinh thể quá mức

Parasitic capacitance will cause the crystal frequency to deviate from the target value 9. Do đó, cần tuân thủ một số hướng dẫn chung để giảm điện dung lạc của chân cắm, miếng đệm, dây dẫn tinh thể hoặc kết nối với thiết bị RF.

Các nguyên tắc sau cần được tuân thủ:

Kết nối giữa tinh thể và thiết bị RF phải càng ngắn càng tốt.

Keep the wiring from each other as far as possible.

Nếu điện dung ký sinh shunt quá lớn, hãy loại bỏ vùng nối đất bên dưới tinh thể.

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. Do đó, hầu hết các cuộn cảm có điều khiển và Q cao là loại quấn. Thứ hai, bạn có thể chọn cuộn cảm gốm nhiều lớp, các nhà sản xuất tụ điện chip nhiều lớp cũng cung cấp sản phẩm này. Tuy nhiên, một số nhà thiết kế chọn cuộn cảm xoắn ốc khi họ phải làm như vậy. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Trong đó, a là bán kính trung bình của cuộn dây, tính bằng inch; N là số lượt; C là chiều rộng của lõi cuộn dây (bộ định tuyến-rinner), tính bằng inch. Khi cuộn c “0.2a 11 thì độ chính xác của phương pháp tính trong khoảng 5%.

Có thể sử dụng cuộn cảm xoắn ốc một lớp có hình vuông, lục giác hoặc các hình dạng khác. Có thể tìm thấy các phép gần đúng rất tốt để lập mô hình điện cảm phẳng trên các tấm wafer mạch tích hợp. Để đạt được mục tiêu này, công thức Wheeler tiêu chuẩn được sửa đổi để có được phương pháp ước tính độ tự cảm mặt phẳng phù hợp với kích thước nhỏ và kích thước hình vuông 12.

Trong đó, ρ là tỷ lệ lấp đầy:; N là số vòng quay, và dAVG là đường kính trung bình:. Đối với đường xoắn vuông, K1 = 2.36, K2 = 2.75.

Có nhiều lý do để tránh sử dụng loại cuộn cảm này, thường dẫn đến giảm giá trị điện cảm do giới hạn về không gian. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Ngoài ra, các giá trị điện cảm thực tế rất khó kiểm soát trong quá trình sản xuất PCB và điện cảm cũng có xu hướng gây nhiễu cho các phần khác của mạch.