Przy jakich częstotliwościach projektowanie PCB staje się trudne?

Zaprojektowałem wiele płytek o mieszanym sygnale, w których składową o najwyższej częstotliwości jest sam oscylator kwarcowy mikrokontrolera. Rozumiem standardowe najlepsze praktyki: krótkie ślady, płaszczyzny podłoża, czapki odsprzęgające, pierścienie ochronne, ślady ochronne itp.

Złożyłem również kilka obwodów RF, w paśmie 2,4 GHz i ultra-szerokim paśmie ~ 6,5 GHz. Mam praktyczne zrozumienie charakterystycznej impedancji, zszywania podłoża, zrównoważonych i niezrównoważonych linii zasilających RF oraz dopasowania impedancji. Zawsze zatrudniałem inżyniera RF do analizy i dostrajania tych projektów.

Nie rozumiem, gdzie jedno królestwo zaczyna przechodzić do następnego. Mój obecny projekt ma magistralę SPI 20 MHz współdzieloną przez cztery urządzenia, co pozwoliło mi na to pytanie. Ale naprawdę szukam ogólnych wskazówek.

1. Czy istnieją wytyczne dotyczące długości śladu względem częstotliwości? Zakładam, że ~ 3-calowe ślady są w porządku przy 20 MHz (15 metrów), ale jaki jest ogólny przypadek?

2. Jak rosną częstotliwości, jak zapobiegać promieniowaniu długich śladów? Czy linie paskowe i koncentryczne są najlepszym rozwiązaniem?

3. Jaka jest impedancja charakterystyczna dla częstotliwości radiowej typowego stopnia wyjściowego mikrokontrolera?

4. itp.

Nie krępuj się i powiedz mi coś, czego mi brakuje :)

1. Czy istnieją wytyczne dotyczące długości śladu względem częstotliwości? Zakładam, że ~ 3-calowe ślady są w porządku przy 20 MHz (15 metrów), ale jaki jest ogólny przypadek?

W mojej pracy wytyczna polega na tym, że jeśli długość elektryczna śladu jest większa niż długość fali 1/10, należy traktować go jako linię transmisyjną. Co najmniej oznacza to, że musisz zakończyć rezystorem dopasowanym do impedancji linii. Jak obliczyć, jakiej wartości rezystora użyć? Szacujesz, jaka będzie impedancja podczas projektowania, a następnie dostosowujesz wartość, aby zminimalizować dzwonienie podczas DVT.

Istnieje tutaj subtelność dotycząca prawdziwego znaczenia długości fali 1/10. Dla fali sinusoidalnej jest to proste. Dla fali prostokątnej, która jest sumą wielu sinusów, musisz użyć komponentu najwyższej częstotliwości jako estymatora. Gdy wyostrzasz rogi kwadratu z większą szybkością zabijania, zwiększasz częstotliwość najszybszego właściwego sinusa.

Oznacza to, że dla sygnału cyfrowego siła napędu wpływa bezpośrednio na długość elektryczną linii. Wyższa siła napędu może łatwo zmienić linię, która nie dzwoni, w linię, która ma taką siłę.

Nauczyłem się tego na własnej skórze, gdy dostawca dokonał „ulepszenia” bufora cyfrowego, nie informując nas o tym. Ta zmiana zwiększyła szybkość przełączania, co spowodowało, że dzwonek był tak zły, że układ odbiorczy zaczął się zapadać. Wyprodukowana przez nas płyta, która od lat działała dobrze, nagle zaczęła się losowo blokować.

1. Długość śledzenia a częstotliwość - powiedziałbym, że w przypadku przesyłania danych lub fal nośnych między jednym IC a drugim, wytyczne są dość tolerancyjne. Maksymalna częstotliwość, którą można wygenerować w znacznych ilościach (może do kilku harmonicznych dla fali kwadratowej) jest czynnikiem ograniczającym, a jeśli twoja długość śladu jest „mniejsza niż” jedna dziesiąta długości fali, prawdopodobnie nie musisz tego robić działać z terminatorem. Nawet przy nieco dłuższych odcinkach można zakończyć szeregową kombinacją kilkudziesięciu pF i (powiedzmy) 50 omów. Pozwala to uniknąć problemu terminatora 50 omów bezpośrednio w linii logicznej. W przypadku różnych obwodów „reguły” są bardziej rygorystyczne, na przykład wzmacniacz fotodiody może mieć szerokość pasma 3dB wynoszącą 1 GHz (długość fali = 0. 3 m), a jedna dziesiąta wynosiłaby 30 mm - całkowicie katastrofalna długość śladu na wejściu do wzmacniacza fotodiody, a także indukcyjność linii spowodowałyby wszelkiego rodzaju ukryte niespodzianki przy próbie uruchomienia jej. Zasady zmieniają się w zależności od tego, co próbujesz zrobić.

Rozróżniam tutaj solidną transmisję cyfrową (lub analogową), czułe / słabe obwody, takie jak wzmacniacze fotodiodowe, i wykorzystam jako przykład twój UWB 6,5 GHz - może miał szerokie strojenie na kilku GHz, ale jeśli próbując zrobić wzmacniacz liniowy z zakresu od kHz do GHz, napotkasz problemy związane z rezonowaniem indukcyjnym długości śladu z pasożytniczą pojemnością tranzystora, a czasami musisz umieścić rezystory na bardzo małych ścieżkach, aby uniknąć samoscylacji obwodu. Dzięki mojej „głowicy radiowej” na tym, co możesz osiągnąć na naprawdę wysokich częstotliwościach (ale ograniczonej przepustowości), możesz wykorzystać pasożyty na swoją korzyść, ale nie tak w naprawdę szerokim paśmie od DC do kilku GHz. W ten sposób i tak mi się to udaje.

1. Zapobieganie promieniowaniu długich śladów można osiągnąć za pomocą zbalansowanych śladów - dalekie pole wynosi zero, ponieważ dwa pola EM zostają anulowane (jeśli są wykonane poprawnie). Korzystanie z linii paskowych jest techniką i samo w sobie nie zatrzymuje emitowanego sygnału. Coax oczywiście działa, podobnie jak zrównoważona linia paskowa.
2. Impedancja mikroprocesorowa nie jest tak istotna, jak myślisz w wielu przykładach - powiedzmy, że wynosi 10 omów przy 100 MHz - twoja moc wyjściowa spada w dół o 50 om linii paskowej (lub koncentrycznej), a zapewnienie zakończenia na odbiorniku jest odpowiednie, odbicia są zminimalizowane. Wiem, że na studiach mówią, że twoje wyjście musi być kontrolowane impedancją, ale w rzeczywistości tak nie jest.

Zadajesz dobre pytanie. Pod wieloma względami to samo pytanie: Jakie rodzaje sygnałów należy uznać za mające impedancję śladową 50 Ω?

Nie powtórzę tutaj mojej odpowiedzi, ale sugeruję, abyś ją tam przeczytał. Powinno to obejmować 1).

2) Nie martw się promieniowaniem śladów, jeśli przejedziesz przez płaszczyznę odniesienia. Zamiast tego martw się, gdy sygnał opuści obszar o niskiej impedancji w pobliżu płaszczyzny odniesienia. Złącza, kable itp.

3) Użyj swojego ulubionego symulatora IBIS, aby to znaleźć. I to jest ważne dla rozwiązania umowy. Większość jest w zakresie 10-25R - ale możesz nawet znaleźć niektóre, które są asymetryczne, więc wysokie i niskie strony wyjściowych FET nie dają tej samej impedancji.

1) Czy istnieją wytyczne dotyczące długości śladu względem częstotliwości? Zakładam, że ~ 3-calowe ślady są w porządku przy 20 MHz (15 metrów), ale jaki jest ogólny przypadek?

Wymiary> 1/10 długości fali najwyższej częstotliwości lub harmonicznej. To nie znaczy, że obwód przestanie działać przy długości fali 2/10. To zależy od czułości obwodu.

2) Jak zwiększają się częstotliwości, jak zapobiegać promieniowaniu długich śladów? Czy linie paskowe i koncentryczne są najlepszym rozwiązaniem?

Istnieją różne praktyczne zasady, w zależności od tego, o co się martwisz. Obwód RF zawsze będzie promieniował. Wyobraź sobie sygnał kierowany przez ślad, nieistniejący w śladzie. Sygnał na jednym śladzie może przeskoczyć na inny ślad, jeśli są wystarczająco blisko. Większość ludzi nazywa to sprzężeniem. Aby zminimalizować sprzężenie, należy rozdzielić ślady co najmniej 2 * (odległość od płaszczyzny odniesienia). Można zastosować ścianę przelotek, aby zapewnić, że dwa ślady są od siebie odizolowane.

Istnieje kilka praktycznych zasad, aby zminimalizować, ile śladów promieniuje z obwodu i idzie gdzie indziej. - Upewnij się, że wszystkie ślady są w coś zakończone. Ślad fali 1/4 tworzy przyzwoitą antenę, jeśli jeden koniec jest otwarty. - Unikaj nieciągłości. Pomyśl o śladzie jak o autostradzie. Jeśli jedziesz z prędkością 70 mil na godzinę i skręcasz o 90 stopni, nie będziesz w stanie podążać drogą. To samo dotyczy sygnałów wysokiej częstotliwości.

Jeżeli sygnał promieniuje z dala od obwodu, może być zamknięty w metalowej obudowie lub pochłonięty. Linia paskowa i koncentryczna mają metal, który zawiera sygnały RF. Deski bez solidnej górnej metalowej warstwy są zwykle pokryte metalową obudową. Odległość od płytki do metalowej obudowy jest zwykle mniejsza niż 1/2 długości fali, aby osłabić promieniowane sygnały i uniknąć innych dziwnych rzeczy. Możesz także kupić materiały przeznaczone do pochłaniania sygnałów RF, aby nie odbijały się wszędzie.

4) itd. Istnieją fajne gry, w które można grać, zmieniając grubość śladów lub odległość od odniesienia. Szersza linia efektywnie wygląda na krótszą, ale wąska linia wygląda indukcyjnie i może być wykorzystana do anulowania urządzeń pojemnościowych.