Công nghệ PCB - Nguyên tắc thiết kế mạch tần số cao và PCB tần số cao

Nguyên tắc thiết kế PCB liên quan đến nhiều khía cạnh, bao gồm các nguyên tắc cơ bản, chống nhiễu, khả năng tương thích điện từ, bảo vệ an toàn, v.v... Đặc biệt, sự phát triển của mạch tần số cao (đặc biệt là PCB tần số cao) dẫn đến việc thiếu các khái niệm liên quan cho PCB tần số cao. Nhiều người vẫn bị mắc kẹt trên cơ sở "đóng một vai trò được xác định trước với các nguyên tắc điện được kết nối với dây dẫn" và thậm chí nghĩ rằng "thiết kế PCB thuộc về việc xem xét cấu trúc, quy trình và nâng cao hiệu quả sản xuất". Nhiều kỹ sư RF không hoàn toàn nhận ra rằng liên kết này nên là trọng tâm của toàn bộ nỗ lực thiết kế trong thiết kế RF, và họ đã tiêu tốn năng lượng của mình một cách sai lầm vào việc lựa chọn các thành phần hiệu suất cao, dẫn đến sự gia tăng đáng kể về chi phí nhưng ít cải thiện về hiệu suất.

Đặc biệt, mạch kỹ thuật số dựa vào khả năng chống nhiễu, phát hiện và sửa lỗi mạnh mẽ, có thể xây dựng các liên kết thông minh khác nhau tùy ý để đảm bảo chức năng bình thường của mạch. Một mạch ứng dụng kỹ thuật số thông thường với các cấu hình bổ sung cao với các liên kết "đảm bảo bình thường" khác nhau rõ ràng là một biện pháp không có khái niệm sản phẩm. Nhưng thường ở khâu "không đáng tiền", ngược lại dẫn đến một loạt vấn đề sản phẩm. Lý do là từ quan điểm kỹ thuật sản phẩm, liên kết chức năng này không đáng để xây dựng sự đảm bảo độ tin cậy nên dựa trên cơ chế làm việc của chính mạch kỹ thuật số, đó chỉ là cấu trúc sai trong thiết kế mạch (bao gồm cả thiết kế PCB), dẫn đến mạch ở trạng thái không ổn định. Trạng thái không ổn định này là một ứng dụng cơ bản theo cùng một khái niệm với các vấn đề tương tự như PCB tần số cao.

tần số cao PCB

Trong các mạch kỹ thuật số, có ba khía cạnh xứng đáng được xem xét nghiêm túc

(1) Tín hiệu kỹ thuật số thuộc về tín hiệu phổ rộng. Theo kết quả của hàm Fourier, nó chứa các thành phần tần số cao phong phú, vì vậy các thành phần tần số cao của tín hiệu kỹ thuật số được xem xét đầy đủ trong thiết kế IC kỹ thuật số. Tuy nhiên, ngoài IC kỹ thuật số, nếu khu vực chuyển đổi tín hiệu trong và giữa mỗi liên kết chức năng là tùy ý, nó sẽ dẫn đến một loạt các vấn đề. Đặc biệt là trong ứng dụng hỗn hợp của các mạch kỹ thuật số, tương tự và tần số cao.

(2) Tất cả các loại thiết kế độ tin cậy trong ứng dụng các mạch kỹ thuật số có liên quan đến các yêu cầu độ tin cậy và yêu cầu kỹ thuật sản phẩm của các mạch trong ứng dụng thực tế, vì vậy không thể thêm các bộ phận "đảm bảo" chi phí cao khác nhau vào các mạch đáp ứng các yêu cầu bằng thiết kế thông thường.

Tốc độ làm việc của các mạch kỹ thuật số đang chuyển sang tần số cao với sự phát triển chưa từng có (ví dụ, tần số chính của CPU đã đạt 1,7GHz vượt xa giới hạn thấp hơn của băng tần vi sóng). Mặc dù chức năng đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị liên quan cũng được đồng bộ hóa, nó dựa trên các đặc điểm tín hiệu bên trong và bên ngoài điển hình của thiết bị.

Đối với mạch tần số cao cấp vi sóng, mỗi dải tương ứng trên PCB tạo thành một dải vi sóng (loại không đối xứng) với tấm đặt đất. Đối với PCB có hơn hai lớp, nó có thể hình thành một dây chuyền dải vi và dây chuyền dải (dây chuyền truyền dải vi đối xứng). Các dòng microstrip khác nhau (PCB hai mặt) hoặc dòng strip (PCB đa lớp) hình thành các dòng microstrip nối với nhau, do đó hình thành mạng bốn cổng phức tạp khác nhau, do đó hình thành các đặc điểm khác nhau của PCB mạch cấp vi sóng.

Có thể thấy rằng lý thuyết dây chuyền truyền vi dải là cơ sở thiết kế của PCB mạch tần số cao vi sóng.

Đối với thiết kế RF-PCB trên 800MHz, thiết kế mạng PCB gần ăng-ten nên tuân theo hoàn toàn lý thuyết microstrip (thay vì chỉ sử dụng khái niệm microstrip như một công cụ để cải thiện hiệu suất của các thiết bị thông số cụm). Tần số càng cao, ý nghĩa hướng dẫn của lý thuyết microstrip càng quan trọng.

Đối với các thông số gộp và các thông số phân phối của mạch, tần số làm việc càng thấp, đặc điểm chức năng của các thông số phân phối càng yếu, nhưng các thông số phân phối luôn tồn tại. Không có đường ranh giới rõ ràng để xem xét ảnh hưởng của các thông số phân tán trên đặc điểm mạch hay không. Do đó, việc thiết lập khái niệm dải vi cũng quan trọng đối với thiết kế PCB của mạch kỹ thuật số và mạch tần số trung gian tương đối.

Cơ sở và khái niệm của lý thuyết microband và khái niệm thiết kế cho mạch RF và PCB cấp vi sóng thực sự là một khía cạnh ứng dụng của lý thuyết đường truyền kép vi sóng. Đối với hệ thống dây PCB RF, mỗi đường tín hiệu liền kề (bao gồm các đường liền kề trên các mặt phẳng khác nhau) có các đặc điểm tuân theo nguyên tắc cơ bản của hai đường (được mô tả chi tiết dưới đây).

Mặc dù mạch RF vi sóng phổ biến được trang bị một tấm mặt đất ở một bên, làm cho dây chuyền truyền tín hiệu vi sóng trên nó có xu hướng là một mạng bốn cổng phức tạp, do đó trực tiếp theo lý thuyết dải vi kết nối, nền tảng của nó vẫn là lý thuyết hai dây. Do đó, trong thực tiễn thiết kế, lý thuyết dòng kép có ý nghĩa hướng dẫn rộng rãi hơn.

Nói chung, đối với mạch vi sóng, lý thuyết microband có ý nghĩa hướng dẫn định lượng và thuộc về ứng dụng cụ thể của lý thuyết hai dây, trong khi lý thuyết hai dây có ý nghĩa hướng dẫn định tính rộng hơn.

Cần đề cập rằng tất cả các khái niệm được đưa ra bởi lý thuyết hai dây, trên bề mặt, dường như không có mối liên hệ với công việc thiết kế thực tế (đặc biệt là mạch kỹ thuật số và mạch tần số thấp), nhưng chúng thực sự là một ảo tưởng. Lý thuyết hai dây có thể hướng dẫn tất cả các vấn đề khái niệm trong thiết kế mạch điện tử, đặc biệt là trong thiết kế mạch PCB.

Mặc dù lý thuyết đường kép được thiết lập trên tiền đề của mạch tần số cao vi sóng, chỉ do ảnh hưởng của các thông số phân tán trong mạch tần số cao mà ý nghĩa hướng dẫn đặc biệt nổi bật. Trong các mạch tần số kỹ thuật số hoặc tần số trung bình và thấp, so với các thành phần tham số cụm gọn, các tham số phân phối có thể bị bỏ qua và khái niệm lý thuyết hai dây trở nên mơ hồ.

Tuy nhiên, cách phân biệt giữa mạch tần số cao và mạch tần số thấp thường bị bỏ qua trong thực tiễn thiết kế. Loại logic kỹ thuật số chung hoặc mạch xung thuộc về gì? Rõ ràng, mạch tần số thấp và mạch tần số thấp trung bình với các thành phần phi tuyến tính có thể dễ dàng phản ánh một số đặc điểm tần số cao một khi một số điều kiện nhạy cảm thay đổi. Tần số chính của CPU đã đạt 1,7GHz, vượt xa giới hạn thấp hơn của tần số vi sóng, nhưng nó vẫn là một mạch kỹ thuật số. Do những điều không chắc chắn này, thiết kế PCB rất quan trọng.

Trong nhiều trường hợp, các thành phần thụ động trong mạch có thể tương đương với dây chuyền truyền hoặc dây chuyền vi dải của các thông số kỹ thuật cụ thể, và có thể được mô tả bởi lý thuyết dây chuyền truyền kép và các thông số liên quan của nó.

Nói một từ, có thể xem xét rằng lý thuyết đường truyền đôi được sinh ra trên cơ sở tổng hợp các đặc điểm của tất cả các mạch điện tử. Do đó, nói nghiêm ngặt, nếu khái niệm được thể hiện trong lý thuyết đường truyền kép được coi là nguyên tắc trong mọi liên kết của thực hành thiết kế, thì mạch PCB tương ứng sẽ phải đối mặt với một vài vấn đề (bất kể điều kiện làm việc mạch được áp dụng).