Dati PCB - Il concetto e il principio di progettazione del circuito ad alta frequenza e della scheda PCB

Per la progettazione del circuito stampato ad alta frequenza, c'è già un buon software CAD, e le sue potenti funzioni sono sufficienti per superare la mancanza di esperienza progettuale delle persone e l'ingombrante recupero e calcolo dei parametri. Coloro con poca esperienza dovrebbero essere in grado di completare i componenti RF con una migliore qualità. Ma in pratica, questo non è il caso.

1. Circa CAD-aided software di progettazione e analizzatore di rete

Per la progettazione di circuiti ad alta frequenza, ci sono già ottimi software CAD. Le sue potenti funzioni sono sufficienti per superare la mancanza di esperienza progettuale delle persone e l'ingombrante recupero e calcolo dei parametri. Combinato con potenti analizzatori di rete, dovrebbe essere Chi con un po 'di esperienza può completare componenti RF di migliore qualità. Tuttavia, nella pratica non è così. Il software di progettazione CAD si basa su potenti funzioni di libreria, inclusi parametri dei componenti e indicatori di prestazioni di base forniti dalla maggior parte dei produttori di dispositivi radio del mondo. Molti ingegneri RF credono erroneamente che fintanto che lo strumento viene utilizzato per la progettazione, non ci sarà alcun problema. Tuttavia, il risultato effettivo è sempre contrario al desiderio. Il motivo è che rinunciano all'applicazione flessibile dei concetti di base della progettazione di circuiti ad alta frequenza e all'accumulo di esperienza nell'applicazione dei principi di progettazione di base sotto la comprensione sbagliata. Di conseguenza, spesso commettono errori applicativi di base nell'applicazione di strumenti software. Il software CAD di progettazione del circuito RF è un software di visualizzazione trasparente, che utilizza le sue varie librerie di modelli di configurazione di base ad alta frequenza per completare la simulazione dello stato di funzionamento effettivo del circuito. Finora, possiamo già capire il collegamento chiave, ci sono due tipi di modelli di configurazione di base ad alta frequenza, uno è un modello componente sotto forma di parametri centralizzati e l'altro è un modello di funzione locale nella progettazione convenzionale. Quindi ci sono i seguenti problemi:

1) Il modello dei componenti e il software CAD interagiscono e si sviluppano da molto tempo e stanno diventando sempre più perfetti. In pratica, l'autenticità del modello può essere fondamentalmente attendibile. Tuttavia, l'ambiente di applicazione considerato dal modello del componente (in particolare l'ambiente elettrico dell'applicazione del componente) sono tutti valori tipici. Nella maggior parte dei casi, la serie di parametri applicativi deve essere determinata empiricamente, altrimenti i risultati effettivi sono talvolta ancora più lontani dai risultati di progettazione senza l'aiuto di software CAD.

2) Il modello convenzionale di configurazione di base ad alta frequenza stabilito nel software CAD è solitamente limitato agli aspetti prevedibili nelle attuali condizioni applicative, e può essere limitato solo al modello funzionale di base (altrimenti, lo sviluppo del prodotto non ha bisogno di impiegare persone, e tutti i tipi di prodotti nascono facendo affidamento solo sul CAD. prodotto).

3) Vale in particolare la pena notare che la creazione di un modello funzionale tipico si completa applicando componenti in modo tipico e utilizzando una struttura di processo tipica e perfetta (compresa la struttura di scheda PCB), e le sue prestazioni hanno raggiunto anche un livello "tipico" alto. Ma in pratica, è un'imitazione completa, che è lontana dallo stato modello. Il motivo è: sebbene i componenti selezionati e i loro parametri siano gli stessi, il loro ambiente elettrico combinato non può essere lo stesso. Nei circuiti a bassa frequenza o nei circuiti digitali, una tale differenza di pochi centimetri non è un grande ostacolo, ma nei circuiti a radiofrequenza, spesso si verificano errori fatali.

4) Nella progettazione del software CAD, la progettazione tollerante ai guasti del software non presta attenzione a se si verifica l'impostazione errata dei parametri che è contraria alla situazione reale. Pertanto, un risultato ideale è dato in base al percorso di esecuzione del software, ma in pratica è pieno di problemi. risultato. Può essere noto che il collegamento di errore chiave non utilizza i principi di base della progettazione del circuito RF per applicare correttamente il software CAD.

5) Il software CAD è solo uno strumento ausiliario di progettazione. Utilizza la sua funzione di simulazione in tempo reale, la potente libreria di modelli di componenti e la sua funzione di generazione di funzioni, libreria di modelli di applicazioni tipiche, ecc. per semplificare il noioso lavoro di progettazione e calcolo delle persone. Finora, è lungi dall'essere in grado di sostituire l'intelligenza artificiale in una progettazione specifica. La potenza del software CAD nella progettazione assistita di schede PCB RF è un aspetto importante della popolarità del software. Ma in pratica, molti ingegneri RF sono spesso "compresi" da loro. La causa è ancora la sua natura fault-tolerant delle impostazioni dei parametri. Viene spesso utilizzato per ottenere un modello ideale (compreso ogni collegamento funzionale) utilizzando la sua funzione di simulazione, ma solo dopo aver trovato l'effettivo debug: è meglio utilizzare la propria esperienza per progettare. Pertanto, nella progettazione PCB, il software CAD è ancora vantaggioso solo per gli ingegneri con esperienza e competenze di base di progettazione RF, aiutandoli a impegnarsi in noiosa progettazione di processo (progettazione di principio non di base). Ci sono due tipi di analizzatori di rete, scalare e vettoriale, che sono strumenti essenziali per la progettazione del circuito RF. La pratica abituale è quella di completare la progettazione del circuito e della scheda PCB (o utilizzare software CAD) secondo i concetti e i principi di base di progettazione del circuito RF, completare l'elaborazione del campione della scheda PCB e assemblare il prototipo come richiesto, quindi utilizzare l'analizzatore di rete per progettare ogni collegamento. L'analisi della rete viene eseguita una ad una ed è possibile far raggiungere il circuito allo stato. Ma il costo di questo lavoro è la produzione effettiva di almeno 3 ~ 5 versioni del PCB, e se non ci sono principi di progettazione PCB di base e concetti di base, le versioni PCB richieste saranno più (o il progettazione non può essere completato). Nel processo di utilizzo di un analizzatore di rete per analizzare il circuito RF, è necessario avere un concetto e principi completi di progettazione della scheda PCB del circuito ad alta frequenza e deve essere in grado di conoscere chiaramente i difetti di progettazione della scheda PCB attraverso i risultati dell'analisi. Solo questo richiede agli ingegneri competenti di avere una notevole esperienza. Nel processo di analisi dei collegamenti di rete del prototipo, è necessario affidarsi ad esperienza e competenze sperimentali qualificate per costruire una rete funzionale locale. Perché in molti casi, i difetti del circuito rilevati dall'analizzatore di rete avranno molti fattori contemporaneamente, quindi è necessario utilizzare la costruzione di una rete funzionale locale per analizzare e indagare a fondo la causa. Questa costruzione sperimentale del circuito deve basarsi sulla chiara esperienza di progettazione del circuito ad alta frequenza e sui principi di costruzione qualificati del circuito stampato.

2. La portata del presente articolo

Questo articolo si rivolge principalmente al concetto e ai principi di progettazione di microonde-grade circuiti ad alta frequenza e i suoi Scheda PCB progettazione, una categoria di prodotti di comunicazione di frontiera. Il motivo per cui viene scelto il principio di progettazione PCB del circuito ad alta frequenza a microonde è che questo principio ha un ampio significato guida e appartiene all'attuale tecnologia di applicazione popolare high-tech. La transizione dal circuito a microonde Scheda PCB design concept to il high-speed wireless network (including various access networks) projects is also in the same vein, perché si basano sullo stesso principio di base, la teoria della doppia linea di trasmissione. I circuiti digitali o i PCB a circuito relativamente bassa frequenza progettati da ingegneri RF esperti hanno un tasso di successo molto alto, perché il loro concetto progettuale è centrato su parametri "distribuiti", and the concept of distributed parameters is used in lower-frequency circuits (including The destructive effect in digital circuits) is often ignored by people. Per molto tempo, the design of electronic products (mainly for communication products) completed by many peers is often full of problems. Da un lato, it is related to the lack of necessary links in electrical principle design (including redundancy design, progettazione di affidabilità, ecc.), ma soprattutto, molti di questi problemi si verificano quando la gente pensa che tutti i collegamenti necessari sono stati considerati. In risposta a questi problemi, spendono spesso le loro energie per controllare le procedure, principi elettrici, ridondanza dei parametri, ecc., ma raramente spendono le loro energie per la revisione Scheda PCB design, che è spesso dovuta a Scheda PCB difetti di progettazione. Causa molti problemi di prestazioni del prodotto. Scheda PCB I principi di progettazione coinvolgono molti aspetti, compresi i principi fondamentali, anti-interferenza, compatibilità elettromagnetica, protezione della sicurezza, e così via. Per questi aspetti, soprattutto in circuiti ad alta frequenza (especially microwave-grade circuiti ad alta frequenza), the lack of relevant concepts often leads to the failure of the entire R&D project. Molte persone rimangono ancora sulla base di "collegare i principi elettrici con i conduttori per svolgere un ruolo predeterminato", e anche pensare che "Scheda PCB il design appartiene alla considerazione della struttura, tecnologia e miglioramento dell'efficienza produttiva". Molti ingegneri RF inoltre non si rendono pienamente conto che questo collegamento dovrebbe essere l'obiettivo speciale dell'intero lavoro di progettazione nella progettazione RF, e spendono erroneamente le loro energie per selezionare componenti ad alte prestazioni, con conseguente aumento significativo dei costi e scarso miglioramento delle prestazioni. Ciò che dovrebbe essere particolarmente sottolineato qui è che il circuito digitale si basa sulla sua forte anti-interferenza, rilevamento e correzione degli errori, e può costruire arbitrariamente ogni collegamento intelligente per garantire la normale funzione del circuito. Un normale circuito applicativo digitale con alta configurazione aggiuntiva di vari collegamenti "normali garantiti" è ovviamente una misura senza un concetto di prodotto. Tuttavia, porta spesso ad una serie di problemi di prodotto nel link che viene considerato "non ne vale la pena". Il motivo è che questo tipo di collegamento funzionale che non è degno di garanzia di affidabilità costruttiva dal punto di vista dell'ingegneria del prodotto dovrebbe essere basato sul meccanismo di funzionamento del circuito digitale stesso, but the wrong construction in the circuit design (including the Scheda PCB design) causes the circuit to be in a state of failure. stato instabile. La causa di questo stato instabile è un'applicazione di base sotto lo stesso concetto dei problemi simili di circuiti ad alta frequenza.

Nei circuiti digitali ci sono tre aspetti da prendere sul serio:

1) Il segnale digitale stesso appartiene al segnale ad ampio spettro. Secondo il risultato della funzione Fourier, contiene componenti ad alta frequenza molto ricchi, quindi i componenti ad alta frequenza dei segnali digitali sono pienamente considerati nella progettazione di IC digitali. Tuttavia, oltre ai circuiti integrati digitali, le aree di transizione del segnale all'interno e tra ciascun collegamento funzionale, se arbitrarie, porteranno a una serie di problemi. Soprattutto nelle occasioni di circuito in cui i circuiti digitali e analogici e ad alta frequenza sono misti.

2) Vari tipi di progetti di affidabilità nelle applicazioni dei circuiti digitali sono correlati ai requisiti di affidabilità e ai requisiti di ingegneria del prodotto dei circuiti nelle applicazioni pratiche e varie parti di "garanzia" ad alto costo non possono essere aggiunte ai circuiti che sono stati convenzionalmente progettati per soddisfare i requisiti.

3) La velocità di lavoro dei circuiti digitali si sta muovendo verso l'alta frequenza con uno sviluppo senza precedenti (ad esempio, l'attuale CPU, la cui frequenza principale ha raggiunto 1.7GHz, supera di gran lunga il limite inferiore della banda di frequenza a microonde). Anche se le funzioni di garanzia dell'affidabilità dei dispositivi correlati sono supportate contemporaneamente, esse si basano sulle caratteristiche interne e tipiche del segnale esterno del dispositivo.

3. una panoramica del significato guida della teoria della linea di trasmissione doppia per la progettazione di circuiti a microonde e i principi del cablaggio della scheda PCB

Concetto di scheda PCB secondo la teoria a due linee

Per microonde circuiti ad alta frequenza, ogni striscia corrispondente sul Scheda PCB forms a microstrip line (asymmetrical) with the ground plate. Per Scheda PCBs con più di due strati, una linea microstrip e una striscia possono essere formati. line (symmetrical microstrip transmission line). Different microstrip lines (double-sided Scheda PCBs) or strip lines (multi-layer Scheda PCBs) form coupled microstrip lines, formando così varie complesse reti a quattro porti, formando così un circuito a livello di microonde PCB Varie caratteristiche della scheda. Può essere visto che la teoria della linea di trasmissione microtrip è la base di progettazione del circuito ad alta frequenza di grado a microonde Scheda PCB. Per RF-Scheda PCB progettazione superiore a 800 MHz, the Scheda PCB network design near the antenna should fully follow the microstrip theoretical basis (rather than just using the microstrip concept as a tool to improve the performance of lumped-parameter devices). Maggiore è la frequenza, più significativo diventa il significato guida della teoria del microtrip. Per i parametri centralizzati e i parametri distribuiti del circuito, anche se minore è la frequenza operativa, più debole è l'effetto dei parametri distribuiti, ma i parametri distribuiti esistono sempre. Non esiste una chiara linea di demarcazione se considerare l'influenza dei parametri di distribuzione sulle caratteristiche del circuito. Pertanto, L'istituzione del concetto di microtrip è altrettanto importante per la progettazione del circuito digitale e del circuito a frequenza intermedia relativa PCB. Le basi e i concetti della teoria microstrip e il concetto di progettazione dei circuiti RF a livello di microonde e Scheda PCBs sono in realtà un'applicazione della teoria della linea di trasmissione doppia a microonde. Per RF-Scheda PCB cablaggio, each adjacent signal line (including adjacent adjacent) All form the characteristics that follow the basic principle of the double line (this will be clearly explained later). Anche se il circuito RF a microonde comune è dotato di un piano di terra su un lato, in modo che la linea di trasmissione del segnale a microonde su di esso tende ad essere una complessa rete a quattro porte, seguendo quindi direttamente la teoria del microtrip accoppiato, ma la sua base è ancora la teoria dei due fili. Pertanto, nella pratica progettuale, il significato guida della teoria della doppia linea è più ampio. In generale, per circuiti a microonde, la teoria del microtrip ha un significato guida quantitativo, che appartiene all'applicazione specifica della teoria delle due linee, e la teoria a due linee ha un significato guida qualitativo più ampio. Vale la pena ricordare che tutti i concetti forniti dalla teoria delle due linee, sulla superficie, it seems that some concepts have no connection with the actual design work (especially digital circuits and low-frequency circuits), che in realtà è un'illusione. La teoria a due linee può guidare tutte le questioni concettuali nella progettazione di circuiti elettronici, soprattutto il significato dei concetti di progettazione del circuito PCB è più prominente. Anche se la teoria a due linee è stabilita sulla premessa del microonde circuiti ad alta frequenza, Questo è solo perché l'influenza dei parametri distribuiti in circuiti ad alta frequenza diventa significativo, che rende particolarmente evidente il significato guida. In circuiti digitali o a bassa frequenza, i parametri distribuiti sono trascurabili rispetto ai componenti centralizzati dei parametri, e il concetto di teoria a due linee diventa corrispondente vago. Tuttavia, come distinguere circuiti ad alta frequenza e bassa frequenza è spesso trascurato nella pratica di progettazione. In quale categoria rientra una tipica logica digitale o circuito a impulsi? Ovviamente circuiti a bassa frequenza e circuiti a bassa frequenza con componenti non lineari, una volta che alcune condizioni sensibili cambiano, è facile riflettere alcune caratteristiche ad alta frequenza. La frequenza principale della CPU ha raggiunto 1.7GHz, di gran lunga superiore al limite inferiore della frequenza delle microonde, ma è ancora un circuito digitale. A causa di queste incertezze, la progettazione del Scheda PCB è estremamente importante. In molti casi, I componenti passivi nei circuiti possono essere equivalenti a linee di trasmissione o microtrip di specifiche specifiche, e può essere descritto dalla teoria della doppia linea di trasmissione e dai relativi parametri. In breve, Si può ritenere che la teoria della doppia linea di trasmissione sia nata sulla base della sintesi di tutte le caratteristiche dei circuiti elettronici. Pertanto, in senso stretto, se ogni collegamento nella pratica di progettazione si basa innanzitutto sul concetto incorporato nella teoria della doppia linea di trasmissione, poi il corrispondente Scheda PCB circuit will face very few problems (no matter what the circuit is in working conditions).