Con quali frequenze la progettazione PCB diventa complicata?

Ho progettato molti PCB a segnale misto in cui il componente ad alta frequenza è l'oscillatore a cristallo del microcontrollore stesso. Comprendo le migliori pratiche standard: tracce brevi, piani di massa, tappi di disaccoppiamento, anelli di protezione, tracce di schermatura, ecc.

Ho anche messo insieme alcuni circuiti RF, con banda ultra larga a 2,4 GHz e ~ 6,5 GHz. Ho una conoscenza pratica dell'impedenza caratteristica, della cucitura a terra, delle linee di alimentazione RF bilanciate e non bilanciate e della corrispondenza dell'impedenza. Ho sempre contattato un ingegnere RF per analizzare e mettere a punto questi progetti.

Quello che non capisco è dove un regno inizia a passare al successivo. Il mio progetto attuale ha un bus SPI a 20 MHz condiviso tra quattro dispositivi, il che mi ha permesso di rispondere a questa domanda. Ma sto davvero cercando linee guida generali.

1. Esistono linee guida per quanto riguarda la lunghezza della traccia rispetto alla frequenza? Presumo che le tracce di ~ 3 pollici vadano bene con 20 MHz (15 metri), ma qual è il caso generale?

2. Con l'aumentare delle frequenze, come evitare che si irradino lunghe tracce? Stripline e coax sono la strada da percorrere?

3. Qual è comunque l'impedenza caratteristica RF di un tipico stadio di uscita del microcontrollore?

4. eccetera.

Non esitate a dirmi tutto ciò che mi manca :)

1. Esistono linee guida per quanto riguarda la lunghezza della traccia rispetto alla frequenza? Presumo che le tracce di ~ 3 pollici vadano bene con 20 MHz (15 metri), ma qual è il caso generale?

Nel mio lavoro, la linea guida è che se la lunghezza elettrica di una traccia è più lunga della lunghezza d'onda di 1/10, è necessario trattarla come una linea di trasmissione. Come minimo, ciò significa che è necessario terminare con una resistenza adattata all'impedenza della linea. Come capire quale valore di resistenza usare? Si stima quale sarà l'impedenza durante la progettazione e quindi si regola il valore per ridurre al minimo lo squillo durante DVT.

Ora, c'è qualche sottigliezza qui sul vero significato di 1/10 di lunghezza d'onda. Per un'onda sinusoidale, questo è semplice. Per un'onda quadra, che è la somma di molti seni, è necessario utilizzare il componente di frequenza più alta come stimatore. Quando si affilano gli angoli del quadrato con una velocità di risposta più elevata, si aumenta la frequenza del seno più veloce competente.

Ciò significa che, per un segnale digitale, la potenza del convertitore influisce direttamente sulla lunghezza elettrica della linea. Una maggiore forza motrice può facilmente trasformare una linea che non squilla in una che lo fa.

L'ho imparato nel modo più duro quando un fornitore ha apportato un "miglioramento" a un buffer digitale senza dircelo. Questa modifica ha aumentato la velocità di risposta, causando un squillo così grave che il chip ricevente ha iniziato a bloccarsi. Una tavola che abbiamo prodotto che funzionava bene per anni ha improvvisamente iniziato a bloccarsi casualmente.

1. Lunghezza della traccia rispetto alla frequenza: per l'invio di dati o onde portanti tra un IC e un altro, direi che le linee guida sono abbastanza tolleranti. La frequenza massima che potrebbe essere generata in quantità significative (forse fino a diverse armoniche per un'onda quadra) è il fattore limitante e se la lunghezza della traccia è "inferiore a" un decimo della lunghezza d'onda, probabilmente non è necessario operare con un terminatore. Anche con lunghezze di traccia leggermente più lunghe, è possibile terminare con una combinazione in serie di alcune decine di pF e (diciamo) 50 ohm. Questo evita il problema di un terminatore da 50 ohm direttamente attraverso una linea logica. Per diversi circuiti le "regole" sono più rigorose, ad esempio, un amplificatore a fotodiodo potrebbe avere una larghezza di banda 3dB di 1 GHz (lunghezza d'onda = 0. 3 m) e un decimo sarebbe 30 mm - una lunghezza della traccia totalmente disastrosa sull'ingresso di un amplificatore a fotodiodo e anche l'induttanza della linea provocherebbe ogni sorta di sorprese nascoste quando si cerca di farlo funzionare. Quindi le regole cambiano a seconda di ciò che stai cercando di fare.

Quindi sto facendo una distinzione qui tra robusta trasmissione digitale (o analogica), circuiti sensibili / deboli come amplificatori a fotodiodo e userò il tuo UWB a 6,5 ​​GHz come esempio - potrebbe aver avuto un'ampia sintonizzazione su un paio di GHz ma se stavi cercando di realizzare un amplificatore lineare dalla gamma kHz a GHz, colpirai problemi sull'induttanza della lunghezza della traccia che risuonava con la capacità del transistor parassita e talvolta devi mettere i resistori su tracce molto piccole solo per evitare un circuito auto-oscillante. Con la mia "testa radio" su ciò che puoi ottenere a frequenze molto alte (ma larghezza di banda limitata) significa che puoi utilizzare i parassiti a tuo vantaggio, ma non così attraverso una larghezza di banda davvero ampia da DC a diversi GHz. È così che tende ad andare in panico per me comunque.

1. La prevenzione dell'irradiazione di tracce lunghe può essere eseguita con tracce bilanciate: il campo lontano è zero poiché i due campi EM si annullano (se eseguiti correttamente). L'uso delle stripline è una tecnica e non si ferma da solo un segnale che si irradia. Coax lo fa ovviamente, così come la linea di base bilanciata.
2. L'impedenza dell'uscita micro non è rilevante come si pensa in molti esempi - diciamo che è 10 ohm a 100 MHz - l'uscita scende su una striscia di 50 ohm (o coassiale) e fornendo la terminazione all'estremità di ricezione è adeguata, le riflessioni sono ridotti al minimo. So che al college dicono che la tua produzione deve essere controllata dall'impedenza, ma in realtà non lo è.

Stai facendo una buona domanda. In molti modi la stessa domanda di questa: quali tipi di segnali dovrebbero essere considerati con un'impedenza di traccia di 50 Ω?

Non ripeterò la mia risposta qui, ma suggerisco di andare a leggerlo lì. Questo dovrebbe coprire il tuo 1).

2) Non preoccuparti delle tracce che si irradiano se ti imbatti in un piano di riferimento. Preoccupati invece di quando il segnale lascia il reame di bassa impedenza vicino al piano di riferimento. Connettori, cavi, ecc.

3) Usa il tuo simulatore IBIS preferito per trovare questo. Ed è importante per la risoluzione. La maggior parte si trova nell'intervallo 10-25R, ma potresti persino trovarne alcuni asimmetrici, quindi i FET di uscita lato alto e lato basso non ti danno la stessa impedenza.

1) Esistono linee guida per quanto riguarda la lunghezza della traccia rispetto alla frequenza? Presumo che le tracce di ~ 3 pollici vadano bene con 20 MHz (15 metri), ma qual è il caso generale?

Dimensioni> 1/10 di lunghezza d'onda della frequenza più alta o armonica. Ciò non significa che il circuito smetterà di funzionare alla lunghezza d'onda 2/10. Dipende dalla sensibilità del circuito.

2) Con l'aumentare delle frequenze, come evitare che si irradino lunghe tracce? Stripline e coax sono la strada da percorrere?

Esistono diverse regole empiriche a seconda di ciò che ti preoccupa la traccia si irradierà. Un circuito RF si irradierà sempre. Immagina il segnale guidato dalla traccia, non esistente all'interno della traccia. Il segnale su una traccia può saltare su un'altra traccia se sono abbastanza vicini. Molte persone chiamano questo accoppiamento. Per ridurre al minimo l'accoppiamento, separare le tracce di almeno 2 * (distanza dal piano di riferimento). Un muro di via può essere utilizzato per garantire che due tracce siano isolate l'una dall'altra.

Ci sono alcune regole pratiche per ridurre al minimo la quantità di una traccia che si irradia dal circuito e va da qualche altra parte. - Assicurati che tutte le tracce siano terminate in qualcosa. Una traccia di 1/4 d'onda crea un'antenna decente, se un'estremità è aperta. - Evitare discontinuità. Pensa a una traccia come a un'autostrada. Se stai andando a 70 miglia all'ora e fai una curva a 90 gradi, non sarai in grado di seguire la strada. Lo stesso vale per i segnali ad alta frequenza.

Se un segnale si irradia lontano da un circuito, può essere contenuto in un contenitore metallico o assorbito. Stripline e coassiale hanno entrambi un metallo che contiene segnali RF. Le schede senza uno strato metallico superiore solido sono generalmente coperte da un involucro metallico. La distanza dalla scheda alla custodia in metallo viene generalmente ridotta a 1/2 lunghezza d'onda per attenuare i segnali irradiati ed evitare che accadano altre cose strane. Puoi anche acquistare materiali progettati per assorbire i segnali RF, in modo che non rimbalzino dappertutto.

4) ecc. Ci sono giochi divertenti a cui puoi giocare modificando lo spessore delle tue tracce o la distanza dal riferimento. Una linea più ampia sembra effettivamente più corta, ma una linea stretta sembra induttiva e può essere utilizzata per annullare i dispositivi capacitivi.