Evite el PC-Diseño "trampas" en el ISM-Productos RF

Nota de aplicación 4636

 

Por:
Martin Stoehr, Miembro Senior del Personal Técnico, Aplicaciones

Resumen: Los productos de RF para los sistemas industriales, científicos y médicos (ICM-RF) a menudo cuentan con un circuito muy compacto. Para evitar los errores comunes de diseño y "trampas", la placa de circuito impreso (PCB) diseños para estas aplicaciones requieren una atención cuidadosa. Que operan en las bandas de frecuencia ISM entre los diversos 300MHz y 915MHz, estos productos incluyen los receptores y transmisores de RF que los niveles de potencia van desde-120dBm hasta +13 dBm. Temas en la siguiente discusión incluyen la orientación inductor, el acoplamiento de seguimiento, tierra a través de problemas, trazar problemas de longitud, el uso de plano de tierra, la capacitancia de cristal, y los inductores de rastreo.
Un artículo similar fue publicado en el 02 2011 temas de microondas y RF revista .

Introducción

Una amplia experiencia en equipos industriales, científicos y médicos de radiofrecuencia (RF-ISM) los productos ha revelado la varias trampas comunes en el diseño de placas de circuito impreso (PCB) de los productos. No es raro encontrar variaciones significativas en el rendimiento cuando el mismo IC se coloca en dos circuitos diferentes. Las variaciones en el rango de operación, las emisiones de armónicos, la susceptibilidad de interferencia, y el tiempo de inicio ilustrar el papel que el diseño puede jugar en un buen diseño. En este artículo se aborda varios descuidos de diseño, explica por qué cada error provoca problemas, y recomienda la forma de evitar estas trampas. Se supone que un PCB de dos capas con FR-4 dieléctrico de espesor 0.0625in, y un plano de tierra en la parte inferior del tablero. Frecuencias de operación se dividen en varias bandas entre 315 MHz y 915 MHz, con niveles de potencia de Tx y Rx en el rango de-120dBm hasta +13 dBm. Tabla 1 enumera algunos posibles problemas de diseño de PCB, sus causas y sus efectos. Tabla 1.Típicos problemas de diseño de PCB y efectos

La mayoría de estos problemas se derivan de una de las causas más frecuentes. Vamos a discutir cada uno de ellos.

Inductor de Orientación

Inductancia mutua está presente cuando dos inductores (incluso dos huellas PC) se encuentran en proximidad. Corriente en el circuito primero induce un campo magnético que estimula la corriente en el segundo circuito ( Figura 1 ). Este proceso es similar a la acción entre los bobinados primario y secundario en un transformador . Cuando las dos corrientes interactúan a través del campo magnético, el resultado de tensión se rige por la inductancia mutua, L _M :

Y donde _B es la tensión de error inyectado en el circuito B, y _A es la corriente en el circuito de obligar a A. ¹ El valor de L _M es muy sensible a la distancia entre los circuitos, en las áreas de bucle de los inductores (por ejemplo, el campo magnético flujo), y la orientación de los bucles. Por lo tanto, el mejor compromiso entre compacidad del circuito y el acoplamiento se reduce a orientar correctamente todos los inductores. Figura 1. Líneas de campo magnético muestran la posibilidad de inductancia mutua basada en la orientación inductor. Una orientación óptima del circuito B las posiciones de modo que el plano de su lazo de corriente es paralela a las líneas de campo del circuito A. Para lograr este objetivo, orientar a los inductores ortogonalmente siempre que sea posible.Consideremos, por ejemplo, la placa de circuito de una evaluación (EV) kit ( MAX7042EVKIT ) para un bajo consumo de energía FSKreceptor superheterodino ( Figura 2 ). Debido a que los tres inductores en este foro (L3, L1 y L2) se encuentran en proximidad, están orientadas a 0 °, 45 ° y 90 ° para minimizar su inductancia mutua. Figura 2. Dos diferentes diseños de PCB se muestran, uno con orientación componente pobres (L1 y L3) y la otra orientación, preferible. En resumen, por lo tanto:

• Inductores lugar lejos que sea posible.
• Minimizar el inductor del circuito interferencia mediante la orientación de los inductores en ángulo recto.

Rastro de acoplamiento

Así como la orientación inductor puede afectar el acoplamiento causados ​​por los campos magnéticos, por lo que también puede huellas individuales, si se colocan demasiado cerca. Este problema de diseño también crea lo que se suele llamar la inductancia mutua. De mayor preocupación en un circuito de RF son los restos asociados con las partes sensibles del sistema, tales como la red de entrada a juego, el circuito tanque de un receptor y la antena de red de adaptación de un transmisor. Enrutamiento una estrecha vía de retorno de corriente a la primaria trayectoria actual reduce al mínimo el campo de radiación magnética. Diseños como reducir el área del bucle del circuito. El ideal de baja impedancia para las corrientes de retorno camino suele ser un plano de tierra bajo la traza de una colocación que limita efectivamente la zona de bucle para el espesor de los tiempos dieléctrica de la longitud de la traza. Una tierra dividida, sin embargo, aumenta el área de bucle ( Figura 3 ). En busca de rastros que pasa sobre la división, la corriente de retorno se ve obligado a seguir un camino de mayor impedancia que efectivamente aumenta el área del bucle de corriente. Este diseño también hace que la traza más susceptibles a los efectos de la inductancia mutua. Figura 3. Planos sólidos de tierra son siempre una opción mejor. Al igual que con los inductores física, la orientación de las huellas juega un papel en el acoplamiento de campos magnéticos. Si se hace necesario la ejecución de trazas de los circuitos sensibles cerca uno del otro, es preferible a correr en direcciones ortogonales para reducir el acoplamiento ( Figura 4 ). Si eso no se puede lograr, entonces considerar el uso de un rastro de guardia. Se refieren a la tierra y Planes de cobre vierte sección de orientación sobre el diseño de las huellas de guardia. Figura 4. Al igual que en la Figura 1, las líneas de campo magnético muestran la posibilidad de acoplamiento. En resumen, por lo tanto:

• Siempre ofrecen motivos continuo en los rastros.
• Oriente sensibles huellas ortogonalmente.
• Si las huellas se debe ejecutar en paralelo, asegurar la separación adecuada o rastros uso guardia.

Vias de tierra

La principal causa de los problemas de diseño RF-por lo general se remonta a las propiedades del circuito no ideal, tanto en los componentes del circuito y sus interconexiones. Restos finos actúan como cables de inducción, y una traza en ejecución sobre un plano de cobre o junto a otros restos forman una capacitancia distribuida con esas estructuras. Cuando se ejecuta a través de una vía, la traza tiende a exhibir propiedades inductivos y capacitivos. Via capacidad proviene principalmente del cobre coplanar de la plataforma de vía y el plano del suelo, que están separados por un anillo de despacho relativamente pequeño. Los efectos secundarios vienen del cobre cilíndrica del agujero metalizado sí mismo. El efecto de la capacitancia parásita suele ser pequeño, y generalmente sólo provoca una ligera degradación de los bordes de la señal en líneas de alta velocidad digital. (No estamos preocupados por los efectos aquí.) El mayor impacto parasitarias de vías no es más que la inductancia no ideales exhibido por todas las interconexiones. Porque la mayoría de plateado-a través de estructuras agujero en RF diseños de PCB suelen ser del mismo tamaño que elementos concentrados, una simple ecuación se puede estimar la influencia de un circuito a través de ( Figura 5 ):

Donde L _{A TRAVÉS} es la inductancia concentrada de la vía, h es la longitud de la vía en pulgadas, y d es el diámetro de la vía en pulgadas. ²

Figura 5. Esta sección transversal de una placa de circuito impreso se muestra la estructura a través de parásitos utilizan para estimar.
inductancia parásita a menudo tiene mayor influencia en el condensador de derivación conexiones. Un capacitor de paso ideal ofrece una alta frecuencia a corto plazo, entre el plano de energía y plano de tierra, pero no ideales vías reducir las propiedades de baja inductancia de ambas apoyo y los planos de energía. El valor de una típica vía PCB (d = 10 milésimas de pulgada, h = 62,5 milésimas de pulgada) es de aproximadamente 1.34nH. Teniendo en cuenta las frecuencias de operación de ISM-RF productos, vías, por consiguiente, causar efectos no deseados en los bloques de circuitos sensibles, tales como tanques, los bloques de filtros y redes de adaptación. Otros problemas surgen cuando se comparten vías de tierra entre las partes sensibles de un circuito, tales como las dos piernas de un π red.Si reemplaza un ideal a través de un inductor equivalente agrupa elementos, el esquema resultante es muy diferente de lo previsto (Figura 6). Al igual que la interferencia de compartir rutas de corriente, ³ el consiguiente aumento de la inductancia mutua compartida en gran medida puede amplificar la diafonía y la alimentación directa. Figura 6. Estas estructuras ideales versus no-ideal mostrar la posibilidad de formar un "camino furtivo." En resumen, por lo tanto:

• Asegúrese de que el modelo de inducción de vías en los circuitos sensibles.
• Use vías aisladas de las partes separadas de un filtro de red o de juego.
• Tenga en cuenta que más delgadas PCB reducir la influencia de la inductancia parásita en vias.

Traza Largos

Hojas de datos de Maxim ISM-RF productos suelen recomendar que la entrada de la alta frecuencia y líneas de salida sea lo más corta posible para minimizar la pérdida y la radiación. Una vez más, esta pérdida se debe normalmente a las propiedades no ideales parásitos de las interconexiones. Inductancia parásita y la capacidad tanto puede influir en estos diseños de circuitos, y que es mejor evitar mediante el uso de tramos cortos de seguimiento. En general, uno de 10 mil en todo el PCB traza, separado del plano de tierra por 0.0625in de FR-4 dieléctrico, tiene alrededor de 19nH/in de inductancia y capacitancia de 1pF/in. Para un circuito de LNA / mezclador que incluye un inductor y un condensador 20nH 3PF, la proximidad del circuito y el dispositivo puede influir mucho en los valores del componente eficaz. Documento IPC-D-317A, del Instituto de Circuitos Impresos ⁴ proporciona una ecuación estándar de la industria para la estimación de diversos parámetros de impedancia de un seguimiento de microstrip PCB. Ese documento fue sustituida en 2003 por el IPC-2251, ⁵ , que proporciona los cálculos más precisos de diversos rastros de PCB. Las calculadoras en línea están disponibles de varias fuentes, la mayoría de los cuales basan sus ecuaciones en las que se encuentran en el IPC-2251. Una referencia útil para los PCB rastro impedancia cálculos está disponible en la Universidad de Missouri de Ciencia y Tecnología de Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética de. ⁶ La ecuación estándar aceptado para el cálculo de la impedancia de un seguimiento de microstrip es la siguiente:

Donde ε _r es la constante dieléctrica del sustrato dieléctrico, h es la altura de la traza sobre el suelo; w es el ancho de traza, y t es el espesor de seguimiento ( Figura 7 ). Esta fórmula produce resultados razonablemente precisos para w / h los valores entre 0,1 y 2,0, y ε_r valores entre 1 y 15. ⁷

Figura 7.El PCB sección transversal (como en la Figura 5) muestra la estructura de seguimiento microstrip utiliza para el cálculo de la impedancia.
Para estimar el efecto de las longitudes de trazas, es más útil para determinar el efecto de desafinación de los parásitos de traza en un circuito ideal. En este caso estamos interesados ​​en las capacidades parásitas y la inductancia. La ecuación estándar para la capacidad característica de un seguimiento de microstrip es la siguiente:

Del mismo modo, la inductancia característica de la ecuación se puede calcular utilizando los resultados de las ecuaciones anteriores:

Como ejemplo, considere un PCB 0.0625in espesor (h = 62,5 milésimas de pulgada), con trazas de cobre de 1 onza (t = 1,35 milésimas de pulgada) de ancho 0.01in (w = 10 milésimas de pulgada) a través de FR-4 material. Tenga en cuenta que ε _r para el FR-4 es típicamente 4,35 faradios por metro (F / m), pero puede variar desde 4.0F / m para 4.7F / m. Los valores característicos calculados para este ejemplo son Z ₀ = 134Ω, C ₀ = 1.04pF/in, y L ₀ = 18.7nH/in. Un largo rastro de 12,7 mm (0.5in) no es algo inaudito en un diseño de ISM-RF , y las huellas de estos complementos de 0.5PF y 9.3nH de parásitos en el circuito ( Figura 8 ). Que el nivel de interferencia parasitaria en un circuito tanque receptor aporta una variación en el producto LC cerca de 2% a 315MHz, y un 3,5% a 433,92 MHz. La capacidad adicional y debido a la inductancia rastro parásitos pueden causar un tanque de 315 MHz a pico en 312.17MHz, o un depósito de 433,92 MHz a pico en 426.61MHz. Figura 8. Los parásitos de un compacto diseño de PCB pueden ejercer influencia en un circuito.En otro ejemplo, el circuito tanque de un receptor superheterodino Maxim ( MAX7042 ) recomienda valores de los componentes de 1.2pF y 30nH a 315MHz, o 0pF y 16nH a 433,92 MHz. Utilizando la ecuación de oscilación del circuito tanque:

Se puede calcular que el circuito tanque 315MHz valores implementado en el juego de EV ya incorporan parásitos paquete y el diseño de unos 7.3pF y 7.5pF, respectivamente. Tenga en cuenta que el producto LC se expresa como una resistencia interna despreciable. En resumen, por lo tanto:

• Mantener rastro longitudes a un mínimo.
• Iniciar el diseño de circuitos críticos lo más cerca posible del dispositivo como sea posible.
• Compensar los valores de los componentes críticos de parásitos diseño actual.

Los planos de tierra y cobre vierte

Una placa de masa o energía define un voltaje de referencia común y permite que la tensión a todas las partes del sistema a través de una conexión de baja impedancia. Al hacerlo, el avión iguala cualquiera de los campos eléctricos, y por lo tanto actúa como un buen mecanismo de protección también. corrientes DC siempre siguen el camino de menor resistencia . Del mismo modo, corrientes de alta frecuencia siempre siguen el camino de menor impedancia. Así, por una huella estándar PCB microstrip sobre un plano de tierra, la corriente de retorno trata de flujo en el área de plano de tierra justo debajo de la misma traza. Como se señaló en el acoplamiento de seguimiento sección anterior, la interrupción de un plano de tierra puede inducir a diversas formas de ruido, aumentando así la diafonía efectos mediante el campo magnético, o mediante la concentración de la corriente ( Figura 9 ). Figura 9. Mantener los planos de masa sólida. Esas corrientes de retorno pueden causar interferencias. cobre vierte, también llamado rastros de guardia, se utilizan cuando el terreno continuo es difícil de aplicar, o cuando es necesario para proteger las partes sensibles de un circuito ( Figura 10 ). Puede aumentar el efecto protector de un vertido de cobre mediante la vinculación de la traza en tierra en ambos extremos y en varias ubicaciones a lo largo de su longitud (es decir, a través de "costura"). ⁸ Tenga cuidado de no mezclar los rastros de guardia con los rastros intencionalmente diseñados para proporcionar una rentabilidad corrientes, debido a que el arreglo puede causar interferencias no deseadas. Figura 10. Evite cobre flotando en un sistema de RF, y tenga cuidado cuando un fabricante solicita la adición de estructuras ladrones de cobre. No es una conexión a tierra de cobre verter en absoluto (de cobre flotante) o atarlo a la tierra en un solo extremo puede tener un beneficio limitado. En algunos casos, se crea la capacitancia parásita que puede tener un efecto perjudicial al cambiar la impedancia de las huellas cercanas o actuar como un embarazo no deseado "colarse" el camino entre las partes de un circuito. Una solicitud común a la fabricación es que el cobre flotante se coloca sobre una tabla para proporcionar "ladrones de cobre." Refundido simplemente, el cobre no se añade circuito por un fabricante para ayudar a asegurar un espesor constante de galvanoplastia. Estas áreas de cobre flotantes se deben evitar porque pueden interferir con el diseño esquemático. Por último, asegúrese de considerar el efecto de cualquier plano de tierra cerca de una antena. Cualquier antena monopolo considerarán los planos de tierra, huellas y vías como parte del contrapeso, y las formas no-ideal contrapeso puede influir en la eficiencia de la antena de radiación y la direccionalidad (patrón de radiación). Un plano de tierra, por lo tanto, no debe ser colocado directamente debajo de una antena monopolo PCB rastro. En resumen, por lo tanto:

• Proporcionar un continuo, de baja impedancia plano de tierra siempre que sea posible.
• A tierra ambos extremos de cobre se derrama, y ​​vías punto si es posible.
• No sumerja de cobre cerca de los circuitos de RF, y no utilizar ladrones de cobre cerca de los circuitos de RF.
• Si la junta incluye aviones de varias capas de tierra, proporcionar una base a través de cualquier lugar de la traza de la señal hace una transición de un lado del avión a la otra.

Capacidad excesiva de cristal

Capacitancia parásita puede tirar de la frecuencia de operación de un oscilador de cristal desviado. ⁹ Debe, por tanto, seguir las pautas generales para reducir cualquier capacitancia parásita en el cristal conduce, las almohadillas de soldadura, las huellas, o la conexión al dispositivo de RF. En resumen , por lo tanto:

• Use las huellas corto entre el cristal y el dispositivo de RF.
• Mantenga separados los rastros de interconexión tanto como sea posible.
• Si usted sospecha que la capacitancia de derivación excesiva, abandonar el plano del suelo por debajo del cristal.

Bobinas planas de seguimiento

El uso de planos de seguimiento o inductores de PCB en espiral no se recomienda. Las inexactitudes inherentes a un proceso típico de fabricación de PCB, tales como la anchura y la tolerancia del espacio, en gran medida puede afectar a la precisión del valor de los componentes. Como regla general, los inductores más controlado y más alto Q-son la variedad bobinado. Luego están los inductores de cerámica-capa normalmente fabricados por las mismas compañías que producen cerámica condensadores de chip multicapa. Sin embargo, algunos diseñadores deben utilizar un inductor rastro de caracol, como último recurso. El estándar para el cálculo de la inductancia de un inductor de espiral plana viene de la clásica ecuación de Wheeler: ¹⁰

Donde a es el radio medio de la bobina en pulgadas, n es el número de vueltas, y c es la anchura de la bobina principal (r _EXTERIOR - r_INTERIOR ) en pulgadas. Para bobinas con c> 0,2, ¹¹ este cálculo tiene una precisión de 5%. Muchas de las modificaciones se aplican cuando se utilizan las formas cuadradas, hexagonales, y otros para producir una bobina espiral de una sola capa. Una buena aproximación ha sido desarrollado para el modelado de inductores planos de circuito integrado obleas. A tal efecto, una versión modificada de la norma ecuación de Wheeler funciona bien para las geometrías y dimensiones pequeñas cuadrados: ¹²

Donde ρ es el índice de llenado , n es el número de vueltas, d _AVG es el diámetro medio , y (para una espiral cuadrada) K ₁ = 2,36 y K ₂ = 2,75. ¹³
Las razones para evitar este tipo de inductor son numerosas. Por lo general son limitados a los valores de baja inductancia por falta de espacio limita. La razón más importante para evitar que los inductores de seguimiento es que la geometría de la pequeña y pobre control de las dimensiones críticas a menudo resulta en un valor de inductancia impredecible. Otras razones para evitar estos inductores PC no son la capacidad de prueba por el fabricante de PCB para los valores de la inductancia real, y una tendencia a que el inductor de ruido de unos a otras partes del circuito (ver el acoplamiento traza la sección anterior). En resumen, por lo tanto:

• Evite el uso de inductores rastro plana.
• El uso de alambre enrollado-inductores siempre que sea posible.

Conclusión

Como se mencionó anteriormente, algunas trampas comunes de diseño de PCB puede crear problemas en un diseño de ISM-RF. Usted puede evitar muchos de estos problemas, sin embargo, con especial atención a las propiedades de no-ideal del circuito. Para compensar estos efectos no deseados requiere un tratamiento adecuado de los elementos aparentemente menores, como la orientación de componentes, la duración de seguimiento, a través de la colocación y el uso de plano de tierra. Siguiendo los consejos anteriores, usted puede ahorrar mucho tiempo y dinero que de otro modo se perdería en la corrección de errores. Referencias

1. . Johnson, Howard, y Graham, Martin, eds, de alta velocidad Diseño Digital: Un Manual de Negro Magic , (Prentice Hall PTR, 1993), p. 29.
2. Ibid, p. 258.
3. Ibid, p. 247.
4. Instituto de Interconexión y Empaquetado de Circuitos Electrónicos o Instituto de Circuitos Impresos, www.ipc.org/ .
5. IPC-2251 Guía de diseño para el embalaje de los circuitos electrónicos de alta velocidad , alta velocidad / Comité de Alta Frecuencia (D-20) del IPC, (noviembre de 2003).
6. Laboratorio de Compatibilidad Electromagnética de la Universidad de Missouri de Ciencia y Tecnología (http://emclab.mst.edu/pcbtlc2/index.html ), PCB traza Calculadora de impedancia.
7. Johnson, Howard, y Graham, Martin, eds., Op. Cit., P. 187.
8. Ibid, p. 201.
9. Maxim nota de aplicación de 1017, " Cómo elegir un oscilador de cristal de cuarzo para el receptor superheterodino MAX1470 , "(marzo de 2002), pp 2-4.
10. Fórmulas sencillas para bobinas de inductancia Radio , Harold A. Wheeler, Actas del Instituto de Ingenieros de Radio , Volumen 16, Número 10, (octubre 1928), pp desde 1398 hasta 1400.
11. Universidad de Missouri de Ciencia y Tecnología de Compatibilidad Electromagnética Laboratoriohttp://emclab.mst.edu/pcbtlc2/index.html , PCB Calculadora de impedancia Trace.
12. IEEE ® Diario de circuitos de estado sólido , Volumen 34, Número 10, Sunderarajan S. Mohan, Hershenson, Boyd y Lee, (octubre de 1999), pp 1419 a 1424.
13. Ibid, p.1420.

IEEE es una marca registrada del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos, Inc. Actualizaciones automáticas ¿Quieres ser notificado automáticamente cuando nuevas notas de aplicación se han publicado en sus áreas de interés? Regístrate para EE-Mail ™ .