Bei welchen Frequenzen wird das PCB-Design schwierig?

Ich habe viele Mixed-Signal-Leiterplatten entworfen, bei denen die Komponente mit der höchsten Frequenz der Quarzoszillator des Mikrocontrollers selbst ist. Ich verstehe die Standard-Best-Practice-Beispiele: kurze Leiterbahnen, Erdungsebenen, Entkopplungskappen, Schutzringe, Abschirmungsspuren usw.

Ich habe auch ein paar HF-Schaltungen mit 2,4 GHz und ~ 6,5 GHz Ultra-Wide-Band zusammengestellt. Ich verstehe die charakteristische Impedanz, die Masseverbindung, symmetrische und unsymmetrische HF-Speiseleitungen sowie die Impedanzanpassung. Ich habe immer einen HF-Ingenieur damit beauftragt, diese Entwürfe zu analysieren und zu optimieren.

Was ich nicht verstehe, ist, wo ein Bereich beginnt, in den nächsten überzugehen. Mein aktuelles Projekt verfügt über einen 20-MHz-SPI-Bus, der von vier Geräten gemeinsam genutzt wird, was mich zu dieser Frage geführt hat. Aber ich suche wirklich nach allgemeinen Richtlinien.

1. Gibt es Richtlinien in Bezug auf die Länge der Spuren im Verhältnis zur Häufigkeit? Ich gehe davon aus, dass ~ 3 Zoll Spuren bei 20 MHz (15 Meter) in Ordnung sind, aber wie ist der allgemeine Fall?

2. Wie kann mit zunehmenden Frequenzen verhindert werden, dass lange Spuren ausgestrahlt werden? Sind Streifenleitungen und Koaxialkabel der richtige Weg?

3. Wie hoch ist überhaupt die HF-Impedanz einer typischen Mikrocontroller-Endstufe?

4. etc.

Bitte zögern Sie nicht, mir alles zu sagen, was ich vermisse :)

1. Gibt es Richtlinien in Bezug auf die Länge der Spuren im Verhältnis zur Häufigkeit? Ich gehe davon aus, dass ~ 3 Zoll Spuren bei 20 MHz (15 Meter) in Ordnung sind, aber wie ist der allgemeine Fall?

Bei meiner Arbeit lautet die Richtlinie: Wenn die elektrische Länge einer Spur länger als 1/10 Wellenlänge ist, müssen Sie sie als Übertragungsleitung behandeln. Dies bedeutet, dass Sie mindestens mit einem Widerstand abschließen müssen, der an die Impedanz der Leitung angepasst ist. Wie ermitteln Sie den zu verwendenden Widerstandswert? Sie schätzen die Impedanz während des Entwurfs und passen dann den Wert an, um das Klingeln während des DVT zu minimieren.

Nun, hier gibt es einige Feinheiten über die wahre Bedeutung von 1/10 Wellenlänge. Für eine Sinuswelle ist dies unkompliziert. Für eine Rechteckwelle, die die Summe vieler Sinusse ist, müssen Sie die höchste Frequenzkomponente als Schätzer verwenden. Wenn Sie die Ecken des Quadrats mit einer schnelleren Anstiegsrate schärfen, erhöhen Sie die Frequenz des schnellsten kompetenten Sinus.

Dies bedeutet, dass für ein digitales Signal die Antriebsstärke direkt die elektrische Länge der Leitung beeinflusst. Eine höhere Laufwerksstärke kann eine Leitung, die nicht klingelt, leicht in eine solche verwandeln.

Das habe ich auf die harte Tour gelernt, als ein Lieferant einen digitalen Puffer "verbessert" hat, ohne es uns mitzuteilen. Diese Änderung erhöhte die Anstiegsgeschwindigkeit, wodurch der Ring so schlecht wurde, dass der empfangende Chip anfing, sich zu verriegeln. Ein Board, das wir produziert hatten und das seit Jahren einwandfrei funktioniert hatte, wurde plötzlich zufällig blockiert.

1. Trace-Länge im Verhältnis zur Frequenz - für das Senden von Daten oder Trägerwellen zwischen einem IC und einem anderen sind die Richtlinien meiner Meinung nach ziemlich tolerant. Die maximale Frequenz, die in erheblichen Mengen erzeugt werden kann (möglicherweise bis zu mehreren Harmonischen für eine Rechteckwelle), ist der begrenzende Faktor. Wenn Ihre Spurlänge "weniger als" ein Zehntel der Wellenlänge beträgt, müssen Sie dies wahrscheinlich nicht tun mit einem Terminator arbeiten. Selbst bei etwas längeren Leiterbahnen könnte man mit einer Reihenkombination von einigen zehn pF und (sagen wir) 50 Ohm enden. Dies vermeidet das Problem eines 50-Ohm-Abschlusses direkt über eine Logikleitung. Für verschiedene Schaltkreise sind die "Regeln" beispielsweise strenger, ein Fotodiodenverstärker könnte eine Bandbreite von 3 dB von 1 GHz (Wellenlänge = 0) haben. 3 m) und ein Zehntel wäre 30 mm - eine völlig katastrophale Spurlänge am Eingang eines Fotodiodenverstärkers und auch die Induktivität der Leitung würden beim Versuch, sie zum Laufen zu bringen, alle möglichen versteckten Überraschungen bereiten. Die Regeln ändern sich also je nachdem, was Sie tun möchten.

Ich unterscheide hier also zwischen robusten digitalen (oder analogen) Übertragungsschaltkreisen, empfindlichen / schwachen Schaltkreisen wie Fotodiodenverstärkern und ich verwende Ihr 6,5-GHz-UWB als Beispiel - es hatte möglicherweise eine breite Abstimmung über ein paar GHz, aber wenn ja Sie haben versucht, einen linearen Verstärker im kHz- bis GHz-Bereich herzustellen. Sie werden Probleme mit der Induktivität der Leiterbahnlänge haben, die mit parasitärer Transistorkapazität in Resonanz ist, und manchmal müssen Sie Widerstände in sehr kleine Spuren einbauen, um eine selbstoszillierende Schaltung zu vermeiden. Mit meinem "Funkkopf" können Sie bei wirklich hohen Frequenzen (aber begrenzter Bandbreite) Parasiten zu Ihrem Vorteil nutzen, jedoch nicht bei einer wirklich großen Bandbreite von Gleichstrom bis zu mehreren GHz. Das ist, wie es für mich sowieso pan-out neigt.

1. Das Verhindern von langen strahlenden Spuren kann mit ausgeglichenen Spuren erfolgen - das Fernfeld ist Null, da sich die beiden EM-Felder auslöschen (wenn dies ordnungsgemäß durchgeführt wird). Die Verwendung von Streifenleitungen ist eine Technik und stoppt selbst nicht das Ausstrahlen eines Signals. Koax ist natürlich ebenso wie eine symmetrische Streifenleitung.
2. Die Mikro-Ausgangsimpedanz ist nicht so relevant, wie Sie es in vielen Beispielen denken - sagen wir, sie beträgt 10 Ohm bei 100 MHz - Ihr Ausgang geht über eine 50 Ohm-Streifenleitung (oder Koax) nach unten und vorausgesetzt, der Abschluss am Empfangsende ist ausreichend, Reflexionen werden minimiert. Ich weiß, dass am College gesagt wird, dass Ihr Ausgang impedanzgesteuert sein muss, aber in Wirklichkeit ist dies nicht der Fall.

Sie stellen eine gute Frage. In vielerlei Hinsicht die gleiche Frage wie diese: Welche Arten von Signalen sollten mit einer 50-Ω-Leiterbahnimpedanz betrachtet werden?

Ich werde meine Antwort hier nicht wiederholen, aber empfehlen, dass Sie sie dort lesen. Dies sollte Ihre 1) abdecken.

2) Machen Sie sich keine Sorgen über strahlende Spuren, wenn Sie über eine Referenzebene fahren. Sorgen Sie sich stattdessen darum, wann das Signal den niederohmigen Bereich in der Nähe der Referenzebene verlässt. Stecker, Kabel usw.

3) Verwenden Sie Ihren bevorzugten IBIS-Simulator, um dies zu finden. Und es ist wichtig für die Kündigung. Die meisten liegen im Bereich von 10-25R - aber es kann sogar vorkommen, dass Sie asymmetrische FETs finden, sodass der High-Side- und der Low-Side-Ausgangs-FET nicht die gleiche Impedanz aufweisen.

1) Gibt es Richtlinien in Bezug auf die Länge der Spuren im Verhältnis zur Frequenz? Ich gehe davon aus, dass ~ 3 Zoll Spuren bei 20 MHz (15 Meter) in Ordnung sind, aber wie ist der allgemeine Fall?

Abmessungen> 1/10 Wellenlänge der höchsten Frequenz oder Harmonischen. Das bedeutet nicht, dass die Schaltung bei 2/10 Wellenlängen nicht mehr funktioniert. Es kommt darauf an, wie empfindlich die Schaltung ist.

2) Wie kann mit zunehmenden Frequenzen verhindert werden, dass lange Spuren ausstrahlen? Sind Streifenleitungen und Koaxialkabel der richtige Weg?

Es gibt verschiedene Faustregeln, je nachdem, auf welche Weise der Trace ausgestrahlt wird. Ein HF-Schaltkreis wird immer strahlen. Stellen Sie sich das Signal vor, das von der Messkurve geleitet wird und nicht in der Messkurve vorhanden ist. Das Signal auf einer Spur kann auf eine andere Spur springen, wenn sie nah genug ist. Die meisten Leute nennen diese Kopplung. Trennen Sie die Leiterbahnen mindestens 2 * (Abstand zur Referenzebene), um die Kopplung zu minimieren. Eine Wand aus Durchkontaktierungen kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass zwei Leiterbahnen voneinander isoliert sind.

Es gibt ein paar Faustregeln, um zu minimieren, wie viel Spuren von der Rennstrecke ausgestrahlt werden und woanders hingehen. - Stellen Sie sicher, dass alle Spuren in etwas abgeschlossen sind. Eine 1/4-Wellenlinie ergibt eine anständige Antenne, wenn ein Ende offen ist. - Unstetigkeiten vermeiden. Stellen Sie sich eine Spur als Autobahn vor. Wenn Sie 100 km / h fahren und eine 90-Grad-Kurve fahren, können Sie der Straße nicht folgen. Gleiches gilt für Hochfrequenzsignale.

Wenn ein Signal von einem Stromkreis abgestrahlt wird, kann es in einem Metallgehäuse enthalten sein oder absorbiert werden. Streifenleitung und Koax haben beide Metall, das HF-Signale enthält. Platten ohne feste obere Metallschicht sind normalerweise mit einem Metallgehäuse bedeckt. Der Abstand zwischen der Platine und dem Metallgehäuse beträgt normalerweise weniger als die Hälfte der Wellenlänge, um abgestrahlte Signale zu dämpfen und zu verhindern, dass andere seltsame Dinge passieren. Sie können auch Materialien kaufen, die zur Absorption von HF-Signalen entwickelt wurden, damit diese nicht überall abprallen.

4) usw. Es gibt lustige Spiele, bei denen Sie die Dicke Ihrer Spuren oder den Abstand zur Referenz ändern können. Eine breitere Leitung sieht tatsächlich kürzer aus, eine schmale Leitung sieht jedoch induktiv aus und kann zum Löschen kapazitiver Bauelemente verwendet werden.