Pada frekuensi apa desain PCB menjadi rumit?

Saya telah merancang banyak PCB sinyal campuran di mana komponen frekuensi tertinggi adalah osilator kristal mikrokontroler itu sendiri. Saya memahami praktik terbaik standar: jejak pendek, pesawat darat, topi pelepas kunci, cincin pelindung, jejak pelindung, dll.

Saya juga telah mengumpulkan beberapa sirkuit RF, pada 2,4GHz dan ~ 6,5GHz band ultra-lebar. Saya memiliki pemahaman yang baik tentang impedansi karakteristik, jahitan tanah, saluran umpan RF seimbang dan tidak seimbang, dan pencocokan impedansi. Saya selalu mengontrak insinyur RF untuk menganalisis dan menyempurnakan desain ini.

Apa yang saya tidak mengerti adalah di mana satu dunia mulai menyeberang ke yang berikutnya. Proyek saya saat ini memiliki bus SPI 20MHz yang dibagi antara empat perangkat, yang membuat saya tertarik pada pertanyaan ini. Tapi, saya benar-benar mencari pedoman umum.

1. Apakah ada pedoman sejauh panjang jejak vs frekuensi? Saya berasumsi bahwa ~ jejak 3 inci baik-baik saja dengan 20MHz (15 meter), tetapi apa masalahnya?

2. Ketika frekuensi meningkat, bagaimana mencegah jejak lama terpancar? Apakah striplines dan membujuk cara untuk pergi?

3. Apa yang dimaksud dengan impedansi karakteristik RF dari tahap output mikrokontroler yang khas?

4. dll.

Silakan memberi tahu saya apa pun yang saya lewatkan :)

1. Apakah ada pedoman sejauh panjang jejak vs frekuensi? Saya berasumsi bahwa ~ jejak 3 inci baik-baik saja dengan 20MHz (15 meter), tetapi apa masalahnya?

Dalam pekerjaan saya, pedomannya adalah, jika panjang listrik dari jejak lebih panjang dari 1/10 panjang gelombang, Anda perlu memperlakukannya sebagai saluran transmisi. Minimal, ini berarti Anda harus mengakhiri dengan resistor yang cocok dengan impedansi saluran. Bagaimana Anda mengetahui nilai resistor apa yang digunakan? Anda memperkirakan berapa impedansi selama desain, dan kemudian Anda menyesuaikan nilai untuk meminimalkan dering selama DVT.

Sekarang, ada beberapa kehalusan di sini tentang arti sebenarnya dari 1/10 panjang gelombang. Untuk seorang sinewave, ini mudah. Untuk gelombang persegi, yang merupakan jumlah dari banyak sinus, Anda harus menggunakan komponen frekuensi tertinggi sebagai penaksir Anda. Saat Anda mempertajam sudut-sudut alun-alun dengan laju perubahan tegangan yang lebih cepat, Anda meningkatkan frekuensi kompeten sinus tercepat.

Artinya, untuk sinyal digital, kekuatan drive langsung memengaruhi panjang listrik saluran. Kekuatan drive yang lebih tinggi dapat dengan mudah mengubah jalur yang tidak berdering menjadi jalur yang memungkinkan.

Saya belajar ini dengan cara yang sulit ketika pemasok membuat "peningkatan" ke buffer digital tanpa memberi tahu kami. Perubahan ini meningkatkan laju perubahan tegangan, yang menyebabkan dering sangat buruk sehingga chip penerima mulai terkunci. Sebuah papan yang kami produksi yang telah bekerja dengan baik selama bertahun-tahun tiba-tiba mulai terkunci secara acak.

1. Lacak panjang versus frekuensi - untuk mengirim data atau gelombang pembawa antara satu IC dan lainnya, pedomannya cukup toleran, saya katakan. Frekuensi maksimum yang dapat dihasilkan dalam jumlah yang signifikan (mungkin hingga beberapa harmonisa untuk gelombang persegi) adalah faktor pembatas dan jika panjang jejak Anda "kurang dari" sepersepuluh dari panjang gelombang maka Anda mungkin tidak perlu beroperasi dengan terminator. Bahkan pada panjang jejak yang sedikit lebih lama Anda dapat mengakhiri dengan kombinasi beberapa pF dan (katakanlah) 50 ohm. Ini menghindari masalah terminator 50 ohm langsung melintasi garis logika. Untuk sirkuit yang berbeda, "aturan" lebih ketat misalnya, penguat fotodioda mungkin memiliki bandwidth 3dB 1 GHz (panjang gelombang = 0. 3 m) dan sepersepuluh akan menjadi 30 mm - panjang jejak yang benar-benar berbahaya pada input ke penguat fotodioda dan juga induktansi saluran akan menyebabkan semua jenis kejutan tersembunyi ketika mencoba membuatnya bekerja. Jadi peraturan berubah tergantung pada apa yang Anda coba lakukan.

Jadi saya membuat perbedaan di sini antara transmisi digital (atau analog) yang kuat, sirkuit sensitif / lemah seperti amplifier fotodioda dan saya akan menggunakan UWB 6,5 GHz sebagai contoh - mungkin memiliki penyetelan luas di beberapa GHz tetapi jika Anda sedang mencoba untuk membuat penguat linier dari rentang kHz ke GHz Anda akan mendapatkan masalah pada jejak induktansi panjang beresonansi dengan kapasitansi transistor parasit dan kadang-kadang Anda harus meletakkan resistor di trek yang sangat kecil hanya menghindari rangkaian berosilasi sendiri. Dengan "kepala radio" saya tentang apa yang dapat Anda capai pada frekuensi sangat tinggi (tetapi bandwidth terbatas) berarti Anda dapat memanfaatkan parasit untuk keuntungan Anda, tetapi tidak demikian dengan bandwidth yang sangat lebar dari DC ke beberapa GHz. Begitulah cara itu cenderung berjalan baik bagi saya.

1. Mencegah jejak lama memancarkan dapat dilakukan dengan jejak seimbang - bidang jauh adalah nol karena dua bidang EM dibatalkan (bila dilakukan dengan benar). Menggunakan striplines adalah teknik dan itu sendiri tidak menghentikan sinyal yang memancar. Membujuk tentu saja dan stripline seimbang.
2. Impedansi keluaran mikro tidak relevan seperti yang Anda pikirkan dalam banyak contoh - katakanlah 10 ohm pada 100 MHz - output Anda turun 50 ohm stripline (atau membujuk) dan memberikan penghentian pada ujung penerima memadai, refleksi diminimalkan. Saya tahu di perguruan tinggi mereka mengatakan bahwa output Anda perlu dikontrol impedansi tetapi kenyataannya tidak.

Anda mengajukan pertanyaan yang bagus. Dalam banyak hal pertanyaan yang sama dengan yang ini: Jenis sinyal apa yang harus dianggap memiliki impedansi jejak 50??

Saya tidak akan mengulangi jawaban saya di sini, tetapi sarankan Anda baca di sana. Ini harus mencakup 1 Anda).

2) Jangan khawatir tentang jejak yang memancar jika Anda menabrak bidang referensi. Alih-alih mengkhawatirkan ketika sinyal meninggalkan ranah impedansi rendah di dekat bidang referensi. Konektor, kabel, dll.

3) Gunakan simulator IBIS favorit Anda untuk menemukan ini. Dan ini penting untuk pemutusan hubungan kerja. Sebagian besar berada dalam kisaran 10-25R - tetapi Anda bahkan mungkin menemukan beberapa yang asimetris, sehingga sisi tinggi dan sisi rendah output FET tidak memberi Anda impedansi yang sama.

1) Apakah ada pedoman sejauh panjang jejak vs frekuensi? Saya berasumsi bahwa ~ jejak 3 inci baik-baik saja dengan 20MHz (15 meter), tetapi apa masalahnya?

Dimensi> 1/10 panjang gelombang frekuensi tertinggi atau harmonik. Itu tidak berarti sirkuit akan berhenti bekerja pada panjang gelombang 2/10. Itu tergantung seberapa sensitif sirkuit itu.

2) Dengan meningkatnya frekuensi, bagaimana mencegah jejak lama terpancar? Apakah striplines dan membujuk cara untuk pergi?

Ada beberapa aturan praktis tergantung pada apa yang Anda khawatir jejaknya akan terpancar. Sirkuit RF akan selalu terpancar. Bayangkan sinyal dipandu oleh jejak, tidak ada di dalam jejak. Sinyal pada satu jejak dapat melompat ke jejak lain jika mereka cukup dekat. Kebanyakan orang menyebut kopling ini. Untuk meminimalkan sambungan, pisahkan jejak dengan setidaknya 2 * (jarak ke bidang referensi). Dinding vias dapat digunakan untuk memastikan dua jejak diisolasi satu sama lain.

Ada beberapa aturan praktis untuk meminimalkan seberapa banyak jejak yang terpancar dari sirkuit dan pergi ke tempat lain. - Pastikan semua jejak diakhiri menjadi sesuatu. Jejak 1/4 gelombang membuat antena yang layak, jika salah satu ujungnya terbuka. - Hindari diskontinuitas. Pikirkan jejak sebagai jalan raya. Jika Anda mencapai 70 mph dan menikung 90 derajat, Anda tidak akan bisa mengikuti jalan. Hal yang sama berlaku dengan sinyal frekuensi tinggi.

Jika suatu sinyal terpancar dari sirkuit, sinyal tersebut dapat dikandung dengan selungkup logam atau diserap. Stripline dan coax keduanya memiliki logam yang mengandung sinyal RF. Papan tanpa lapisan logam atas yang padat biasanya ditutup dengan selungkup logam. Jarak dari papan ke selungkup logam biasanya dibuat kurang dari 1/2 panjang gelombang untuk menipiskan sinyal yang terpancar dan menghindari hal-hal aneh lainnya terjadi. Anda juga dapat membeli bahan yang dirancang untuk menyerap sinyal RF, sehingga tidak terpental ke semua tempat.

4) dll. Ada permainan menyenangkan yang bisa Anda mainkan dengan mengubah ketebalan jejak Anda atau jarak ke referensi. Garis yang lebih luas secara efektif terlihat lebih pendek, tetapi garis yang sempit terlihat induktif dan dapat digunakan untuk membatalkan perangkat kapasitif.