Công nghệ PCB - Về thiết kế mạch RF PCB

Để đảm bảo hiệu suất mạch, EMC nên được xem xét trong thiết kế PCB của mạch RF, do đó, nguyên tắc dây của các thành phần được thảo luận để đạt được mục đích của EMC.

Với sự phát triển của công nghệ truyền thông, công nghệ mạch RF không dây cầm tay ngày càng được sử dụng rộng rãi, chẳng hạn như máy nhắn tin không dây, điện thoại di động, máy tính cầm tay không dây, v.v. Các chỉ số hiệu suất của mạch RF ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của toàn bộ sản phẩm. Một trong những tính năng lớn nhất của các sản phẩm cầm tay này là thu nhỏ, có nghĩa là mật độ của các thành phần rất cao, làm cho sự can thiệp lẫn nhau của các thành phần (bao gồm SMD, SMC, chip trần, v.v.) rất nổi bật. Nếu tín hiệu nhiễu điện từ không được xử lý đúng cách, toàn bộ hệ thống mạch có thể không hoạt động đúng. Do đó, làm thế nào để ngăn chặn và ức chế nhiễu điện từ, cải thiện khả năng tương thích điện từ, trở thành một chủ đề rất quan trọng trong thiết kế mạch RF PCB. Các chỉ số hiệu suất cho cùng một mạch và cấu trúc thiết kế PCB khác nhau sẽ khác nhau rất nhiều. Trong cuộc thảo luận này, khi sử dụng phần mềm Protel99 se để thiết kế mạch RF PCB cho các sản phẩm cầm tay, các chỉ số hiệu suất của mạch có thể được tối đa hóa để đáp ứng các yêu cầu về khả năng tương thích điện từ.

1 Sự lựa chọn của bảng mạch RF PCB

Chất nền của mạch RF PCB bao gồm chất nền hữu cơ và vô cơ. Các tính chất quan trọng nhất trong chất nền là hằng số điện môi. Yếu tố tiêu tán (hoặc mất điện môi) Đảo Tan, hệ số giãn nở nhiệt CET và hút ẩm. Trong đó, R ảnh hưởng đến trở kháng mạch và tốc độ truyền tín hiệu. Đối với mạch tần số cao, dung lượng hằng số điện môi là yếu tố quan trọng nhất cần xem xét và nên chọn lớp nền có dung sai hằng số điện môi nhỏ hơn.

2 RF mạch PCB quy trình thiết kế

Vì việc sử dụng phần mềm Protel99 se khác với phần mềm như Protel 98, bài viết này bắt đầu với một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về quá trình thiết kế PCB với phần mềm Protel99 se.

1. Vì Protel99 se được quản lý theo chế độ cơ sở dữ liệu dự án, ngụ ý trong Windows 99, nên trước tiên bạn nên thiết lập một tệp cơ sở dữ liệu để quản lý sơ đồ mạch và bố cục PCB được thiết kế.

2. Thiết kế chương trình. Để thực hiện kết nối mạng, các thành phần được sử dụng phải tồn tại trong thư viện thành phần trong quá trình thiết kế nguyên tắc. Nếu không, các thành phần cần thiết phải được thực hiện trong schlib và lưu trữ trong một tập tin.

Sau đó, chúng ta chỉ cần gọi các thành phần cần thiết từ thư viện thành phần và kết nối chúng theo sơ đồ mạch được thiết kế.

3. Sau khi thiết kế sơ đồ hoàn thành, bảng mạng cho thiết kế PCB có thể được hình thành.

4. Thiết kế PCB. a. Xác định hình dạng và kích thước PCB. Hình dạng và kích thước của PCB được xác định dựa trên vị trí của PCB trong sản phẩm, kích thước và hình dạng của không gian và sự phù hợp với các thành phần khác. Trên một lớp cơ học, sử dụng lệnh Place Track để vẽ hình dạng của PCB. b. Làm lỗ định vị, tầm nhìn, điểm tham chiếu, v.v. trên PCB theo yêu cầu của SMT. c. Sản xuất linh kiện. Nếu bạn cần sử dụng một số bộ phận đặc biệt không tồn tại trong thư viện linh kiện, bạn cần tạo các bộ phận trước khi bố trí. Quá trình tạo các thành phần trong Protel99 tương đối đơn giản. Chọn lệnh Make Library trong menu Design để đi đến cửa sổ Component Maker, sau đó chọn lệnh New Component Design trong menu Tools. Tại thời điểm này, dựa trên hình dạng và kích thước của phần tử thực tế, hãy vẽ miếng đệm tương ứng ở đâu đó trên tầng trên cùng với lệnh đặt miếng đệm và chỉnh sửa nó thành miếng đệm mong muốn (bao gồm hình dạng, kích thước, kích thước đường kính bên trong và góc của miếng đệm, ngoài việc đánh dấu tên pin tương ứng của miếng đệm), sau đó vẽ hình dạng tối đa của phần tử trong lớp phủ trên cùng bằng lệnh đặt đường ray, lấy tên phần tử và lưu trữ trong kho phần tử. d. Sau khi sản xuất các bộ phận hoàn thành, bố trí và định tuyến được thực hiện. Cả hai phần sẽ được thảo luận chi tiết dưới đây. e. Việc kiểm tra phải được thực hiện sau khi hoàn thành quá trình nêu trên. Một mặt, nó bao gồm việc kiểm tra nguyên tắc mạch. Mặt khác, nó cũng phải kiểm tra các vấn đề phù hợp và lắp ráp giữa chúng. Nguyên tắc mạch có thể được kiểm tra bằng tay hoặc tự động thông qua mạng (mạng được hình thành bởi sơ đồ có thể được so sánh với mạng được hình thành bởi PCB). f. Sau khi kiểm tra đối chiếu tài liệu, lưu trữ đầu ra. Trong Protel99 se, bạn phải sử dụng lệnh "export" trong tùy chọn "file" để lưu trữ tệp trong đường dẫn và tệp được chỉ định (lệnh "import" sẽ gọi tệp vào Protel99 se). Lưu ý: Sau khi thực hiện lệnh "save copy as..." trong tùy chọn "file" trong Protel99 se, tên tệp đã chọn không hiển thị trong Windows 98 và do đó không thể nhìn thấy tệp trong Explorer. Điều này không hoàn toàn giống với tính năng "Save as..." trong Protel 98.

3 bố trí lắp ráp PCB mạch RF

Bởi vì SMT thường sử dụng hàn dòng nhiệt lò hồng ngoại để đạt được hàn của các yếu tố, bố trí của các yếu tố sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của các mối hàn, do đó ảnh hưởng đến tỷ lệ sản phẩm tốt. Đối với thiết kế PCB của mạch tần số vô tuyến, khả năng tương thích điện từ yêu cầu mỗi mô-đun mạch không tạo ra bức xạ điện từ càng nhiều càng tốt và có khả năng chống nhiễu điện từ nhất định. Do đó, cách bố trí của các thành phần cũng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng gây nhiễu và chống nhiễu của chính mạch, điều này cũng liên quan trực tiếp đến hiệu suất của mạch được thiết kế. Do đó, trong thiết kế PCB của mạch RF, ngoài cách bố trí của thiết kế PCB thông thường, cần phải xem xét làm thế nào để giảm sự can thiệp lẫn nhau giữa các bộ phận của mạch RF, làm thế nào để giảm sự can thiệp của chính mạch vào các mạch khác và khả năng chống nhiễu của chính mạch. Theo nguyên tắc chung, hiệu quả của mạch RF không chỉ phụ thuộc vào các chỉ số hiệu suất của chính bảng RF mà còn phụ thuộc vào sự tương tác với bảng xử lý CPU. Do đó, trong thiết kế PCB, bố trí hợp lý xuất hiện đặc biệt quan trọng.

Nguyên tắc chung của bố trí PCB mạch RF: các thành phần cố gắng sắp xếp theo cùng một hướng, bằng cách chọn hướng của PCB vào hệ thống thiếc nóng chảy, giảm hoặc thậm chí tránh hàn kém; Theo nguyên tắc chung, khoảng cách giữa các thành viên phải ít nhất 0,5mm để đáp ứng các yêu cầu về thiếc nóng chảy của các thành viên. Nếu không gian của bảng mạch PCB cho phép, khoảng cách giữa các thành phần phải càng rộng càng tốt. Đối với bảng điều khiển kép, các thành phần SMD và SMC nên được thiết kế ở một bên và các thành phần rời rạc nên được thiết kế ở phía bên kia.

Bố trí PCB của mạch RF cần lưu ý những điểm sau:

Đầu tiên, xác định vị trí của các thành phần giao diện với các bảng PCB hoặc hệ thống khác trên bảng PCB và chú ý đến sự phối hợp giữa các thành phần giao diện (chẳng hạn như hướng của các thành phần).

Vì kích thước nhỏ của sản phẩm cầm tay và sự sắp xếp của các thành phần nhỏ gọn, nên các thành phần lớn hơn phải được ưu tiên, xác định vị trí tương ứng và xem xét sự hợp tác giữa chúng.

Phân tích cẩn thận cấu trúc mạch, chặn mạch (chẳng hạn như mạch khuếch đại tần số cao, mạch trộn và mạch giải điều chế), tách tín hiệu mạnh và yếu càng xa càng tốt, tách mạch tín hiệu kỹ thuật số và mạch tín hiệu tương tự. Các mạch hoàn thành chức năng tương tự nên được bố trí càng nhiều càng tốt trong một phạm vi nhất định để giảm diện tích vòng lặp tín hiệu; Mạng lọc của các bộ phận khác nhau của mạch phải được kết nối gần nhau, tùy thuộc vào khả năng chống nhiễu của mạch, không chỉ có thể giảm bức xạ mà còn giảm xác suất nhiễu.

Các mạch đơn vị được nhóm theo độ nhạy của chúng đối với khả năng tương thích điện từ đang sử dụng. Đối với các thành phần dễ bị nhiễu trong mạch, hãy cố gắng tránh các nguồn gây nhiễu (chẳng hạn như nhiễu từ CPU trên bảng xử lý dữ liệu).

4 RF mạch PCB định tuyến

Sau khi bố cục của các thành phần cơ bản đã hoàn thành, đã đến lúc bắt đầu định tuyến. Nguyên tắc cơ bản của hệ thống dây là: khi mật độ lắp ráp cho phép, hãy chọn thiết kế hệ thống dây có mật độ thấp nhất có thể và định tuyến tín hiệu nhất quán nhất có thể, có lợi cho việc kết hợp trở kháng.

Đối với mạch RF, thiết kế không hợp lý của hướng, chiều rộng và khoảng cách giữa các đường tín hiệu có thể gây nhiễu chéo giữa các đường truyền tín hiệu; Ngoài ra, bản thân nguồn điện của hệ thống cũng có nhiễu tiếng ồn, vì vậy khi thiết kế mạch RF PCB, phải xem xét toàn diện và định tuyến hợp lý.

Khi định tuyến, tất cả các dây phải cách xa khung bảng PCB (khoảng 2mm) để tránh nguy cơ mất dây hoặc đứt dây trong quá trình sản xuất bảng PCB. Dây nguồn phải rộng nhất có thể để giảm điện trở vòng lặp. Đồng thời, hướng của dây nguồn và dây mặt đất phải phù hợp với hướng truyền dữ liệu để cải thiện khả năng chống nhiễu; Đường tín hiệu phải càng ngắn càng tốt và số lượng lỗ thủng nên được giảm thiểu; Kết nối giữa các thành phần càng ngắn càng tốt, do đó làm giảm các thông số phân phối và nhiễu điện từ lẫn nhau; Các đường tín hiệu không tương thích nên cách xa nhau và tránh các đường dây song song càng nhiều càng tốt, trong khi các đường tín hiệu ở cả hai bên của hướng tích cực nên vuông góc với nhau; Khi định tuyến, cần phải có một góc với mặt địa chỉ 135 °, để tránh sự xuất hiện của góc vuông.

Khi kết nối dây, đường dây kết nối trực tiếp với tấm hàn không nên quá rộng, dây phải càng xa các bộ phận không được kết nối càng tốt, tránh ngắn mạch; Không được phun lỗ trên các thành phần, nên cố gắng tránh xa các thành phần không được kết nối, tránh hàn giả, hàn liên tục, ngắn mạch và các hiện tượng khác trong sản xuất.

Trong thiết kế PCB của mạch RF, việc định tuyến chính xác các dây nguồn và dây mặt đất là đặc biệt quan trọng. Thiết kế hợp lý là phương tiện quan trọng nhất để vượt qua nhiễu điện từ. Một số lượng đáng kể các nguồn gây nhiễu trên PCB được tạo ra thông qua nguồn điện và dây mặt đất, trong đó dây mặt đất tạo ra nhiễu tiếng ồn lớn nhất.

Lý do chính khiến dây mặt đất dễ hình thành nhiễu điện từ là trở kháng của dây mặt đất. Khi dòng điện chạy qua đường đất, điện áp được tạo ra trên đường đất, dẫn đến dòng điện vòng của đường đất và nhiễu mạch của đường đất. Khi nhiều mạch chia sẻ một đoạn đường đất, một khớp nối trở kháng chung được hình thành, tạo ra cái gọi là nhiễu đường đất. Do đó, khi dây nối đất của mạch RF PCB, nên:

Đầu tiên, chia mạch thành nhiều khối. Mạch RF về cơ bản có thể được chia thành khuếch đại tần số cao, trộn tần số, giải điều chế, rung bản địa và các bộ phận khác. Nó là cần thiết để cung cấp cho mỗi mô-đun mạch một điểm tham chiếu tiềm năng chung, đường đất cho mỗi mạch mô-đun, để truyền tín hiệu giữa các mô-đun mạch khác nhau. Sau đó, tóm tắt nơi mạch RF PCB được kết nối với dây nối đất, đó là, tóm tắt trong dây nối đất chung. Vì chỉ có một điểm tham chiếu, không có khớp nối trở kháng chung và do đó không có vấn đề can thiệp lẫn nhau.

Các khu vực kỹ thuật số nên được tách biệt với các khu vực tương tự càng nhiều càng tốt, và các khu vực kỹ thuật số phải được tách biệt với các khu vực tương tự và cuối cùng được kết nối với các khu vực cung cấp điện.

Các đường nối đất bên trong các bộ phận khác nhau của mạch cũng nên chú ý đến nguyên tắc nối đất một điểm, giảm thiểu diện tích vòng lặp tín hiệu và kết nối gần với địa chỉ của mạch lọc tương ứng.

Nếu không gian cho phép, tốt nhất là cô lập từng mô-đun bằng dây nối đất để ngăn chặn ảnh hưởng của các tín hiệu ghép nối với nhau.

5 Kết luận mạch RF PCB

Chìa khóa cho thiết kế mạch RF PCB là làm thế nào để giảm khả năng bức xạ và cải thiện khả năng chống nhiễu. Bố trí hợp lý và định tuyến là sự đảm bảo cho thiết kế mạch RF PCB. Các phương pháp được mô tả trong bài viết này giúp cải thiện độ tin cậy của thiết kế PCB mạch RF, giải quyết các vấn đề nhiễu điện từ và do đó đạt được mục đích tương thích điện từ.