À quelles fréquences la conception de circuits imprimés devient-elle délicate?

J'ai conçu de nombreux PCB à signaux mixtes où le composant à fréquence la plus élevée est l'oscillateur à cristal du microcontrôleur lui-même. Je comprends les bonnes pratiques standard: traces courtes, plans de masse, bouchons de découplage, anneaux de garde, traces de blindage, etc.

J'ai également mis en place quelques circuits RF, à 2,4 GHz et à bande ultra large ~ 6,5 GHz. J'ai une compréhension pratique de l'impédance caractéristique, de l'assemblage au sol, des lignes d'alimentation RF symétriques et asymétriques et de l'adaptation d'impédance. J'ai toujours engagé un ingénieur RF pour analyser et affiner ces conceptions.

Ce que je ne comprends pas, c'est où un domaine commence à traverser le suivant. Mon projet actuel a un bus SPI 20 MHz partagé entre quatre appareils, ce qui m'a permis de répondre à cette question. Mais je cherche vraiment des directives générales.

1. Existe-t-il des directives concernant la longueur de la trace par rapport à la fréquence? Je suppose que les traces de ~ 3 pouces sont très bien avec 20 MHz (15 mètres), mais quel est le cas général?

2. À mesure que les fréquences augmentent, comment empêcher les longues traces de rayonner? Les striplines et les coaxiaux sont-ils la voie à suivre?

3. Quelle est l'impédance caractéristique RF d'un étage de sortie de microcontrôleur typique, de toute façon?

4. etc.

N'hésitez pas à me dire tout ce qui me manque :)

1. Existe-t-il des directives concernant la longueur de la trace par rapport à la fréquence? Je suppose que les traces de ~ 3 pouces sont très bien avec 20 MHz (15 mètres), mais quel est le cas général?

Dans mon travail, la ligne directrice est que si la longueur électrique d'une trace est supérieure à la longueur d'onde 1/10, vous devez la traiter comme une ligne de transmission. Au minimum, cela signifie que vous devez terminer avec une résistance adaptée à l'impédance de la ligne. Comment déterminez-vous quelle valeur de résistance utiliser? Vous estimez l'impédance lors de la conception, puis vous ajustez la valeur pour minimiser la sonnerie pendant la TVP.

Maintenant, il y a une certaine subtilité ici sur la vraie signification de la longueur d'onde 1/10. Pour une onde sinusoïdale, c'est simple. Pour une onde carrée, qui est la somme de nombreux sinus, vous devez utiliser la composante de fréquence la plus élevée comme estimateur. En affinant les coins du carré avec une vitesse de balayage plus rapide, vous augmentez la fréquence du sinus le plus rapide compétent.

Cela signifie que, pour un signal numérique, la force du variateur affecte directement la longueur électrique de la ligne. Une force d'entraînement plus élevée peut facilement transformer une ligne qui ne sonne pas en une ligne qui le fait.

J'ai appris cela à la dure lorsqu'un fournisseur a apporté une "amélioration" à un tampon numérique sans nous le dire. Ce changement a augmenté la vitesse de balayage, ce qui a provoqué une sonnerie si mauvaise que la puce de réception a commencé à se verrouiller. Une planche que nous avons produite et qui fonctionnait bien depuis des années a soudainement commencé à se bloquer de façon aléatoire.

1. Longueur de trace en fonction de la fréquence - pour l'envoi de données ou d'ondes porteuses entre un CI et un autre, les directives sont assez tolérantes, je dirais. La fréquence maximale pouvant être générée en quantités importantes (peut-être jusqu'à plusieurs harmoniques pour une onde carrée) est le facteur limitant et si votre longueur de trace est "inférieure à" un dixième de la longueur d'onde, alors vous n'avez probablement pas besoin de fonctionner avec un terminateur. Même à des longueurs de trace légèrement plus longues, vous pouvez terminer avec une combinaison en série de quelques dizaines de pF et (disons) 50 ohms. Cela évite le problème d'un terminateur de 50 ohms directement sur une ligne logique. Pour différents circuits, les "règles" sont plus strictes, par exemple, un amplificateur à photodiode peut avoir une bande passante de 3 GHz de 1 GHz (longueur d'onde = 0. 3 m) et un dixième serait de 30 mm - une longueur de trace totalement désastreuse à l'entrée d'un amplificateur à photodiode et également l'inductance de la ligne provoqueraient toutes sortes de surprises cachées lors de la tentative de fonctionnement. Les règles changent donc en fonction de ce que vous essayez de faire.

Je fais donc une distinction ici entre une transmission numérique (ou analogique) robuste, des circuits sensibles / faibles comme des amplificateurs à photodiode et j'utiliserai votre UWB 6,5 GHz comme exemple - il peut avoir eu un large réglage sur quelques GHz mais si vous essayiez de fabriquer un amplificateur linéaire de la plage de kHz à GHz, vous rencontrerez des problèmes d'inductance de longueur de piste résonnant avec une capacité de transistor parasite et parfois vous devrez placer des résistances sur de très petites pistes pour éviter un circuit auto-oscillant. Avec ma "tête radio" sur ce que vous pouvez réaliser à des fréquences très élevées (mais avec une bande passante limitée), vous pouvez utiliser les parasites à votre avantage, mais pas sur une bande passante vraiment large de DC à plusieurs GHz. C'est comme ça que ça a tendance à me plaire de toute façon.

1. La prévention des longues traces rayonnantes peut être effectuée avec des traces équilibrées - le champ lointain est nul car les deux champs EM s'annulent (lorsqu'ils sont effectués correctement). L'utilisation de striplines est une technique qui n'arrête pas en elle-même un signal rayonnant. Coax le fait bien sûr, tout comme la stripline équilibrée.
2. L'impédance de sortie micro n'est pas aussi pertinente que vous le pensez dans de nombreux exemples - disons qu'elle est de 10 ohms à 100 MHz - votre sortie descend sur une ligne stripline (ou coaxiale) de 50 ohms et la fourniture de la terminaison à l'extrémité de réception est adéquate, les réflexions sont minimisés. Je sais qu'au collège, ils disent que votre sortie doit être contrôlée par impédance, mais en réalité ce n'est pas le cas.

Vous posez une bonne question. À bien des égards, la même question que celle-ci: quels types de signaux doivent être considérés comme ayant une impédance de trace de 50 Ω?

Je ne répéterai pas ma réponse ici, mais je vous suggère d'aller la lire ici. Cela devrait couvrir votre 1).

2) Ne vous inquiétez pas des traces rayonnant si vous passez sur un plan de référence. Inquiétez-vous plutôt du moment où le signal quitte le domaine de faible impédance près du plan de référence. Connecteurs, câbles, etc.

3) Utilisez votre simulateur IBIS préféré pour le trouver. Et c'est important pour la résiliation. La plupart sont dans la gamme 10-25R - mais vous pouvez même en trouver qui sont asymétriques, donc les FET de sortie côté haut et côté bas ne vous donnent pas la même impédance.

1) Existe-t-il des directives concernant la longueur de la trace par rapport à la fréquence? Je suppose que les traces de ~ 3 pouces sont très bien avec 20 MHz (15 mètres), mais quel est le cas général?

Dimensions> 1/10 longueur d'onde de la fréquence la plus élevée ou de l'harmonique. Cela ne signifie pas que le circuit cessera de fonctionner à une longueur d'onde de 2/10. Cela dépend de la sensibilité du circuit.

2) À mesure que les fréquences augmentent, comment empêcher les longues traces de rayonner? Les striplines et les coaxiaux sont-ils la voie à suivre?

Il existe différentes règles empiriques en fonction de ce qui vous inquiète. Un circuit RF rayonnera toujours. Imaginez le signal guidé par la trace, n'existant pas à l'intérieur de la trace. Le signal sur une trace peut sauter sur une autre trace s'ils sont suffisamment proches. La plupart des gens appellent ce couplage. Pour minimiser le couplage, séparez les traces d'au moins 2 * (distance par rapport au plan de référence). Un mur de vias peut être utilisé pour s'assurer que deux traces sont isolées l'une de l'autre.

Il existe quelques règles générales pour minimiser la quantité de traces rayonnant hors du circuit et allant ailleurs. - Assurez-vous que toutes les traces sont terminées en quelque chose. Une trace d'ondes 1/4 fait une antenne décente, si une extrémité est ouverte. - Évitez les discontinuités. Considérez une trace comme une autoroute. Si vous roulez à 70 mph et atteignez un virage à 90 degrés, vous ne pourrez pas suivre la route. Il en va de même pour les signaux haute fréquence.

Si un signal rayonne loin d'un circuit, il peut être contenu dans une enceinte métallique ou absorbé. Stripline et coax ont tous deux du métal contenant des signaux RF. Les panneaux sans couche métallique supérieure solide sont généralement recouverts d'une enceinte métallique. La distance entre la carte et le boîtier métallique est généralement inférieure à 1/2 longueur d'onde pour atténuer les signaux rayonnés et éviter que d'autres choses étranges ne se produisent. Vous pouvez également acheter des matériaux conçus pour absorber les signaux RF, afin qu'ils ne rebondissent pas partout.

4) etc. Il existe des jeux amusants auxquels vous pouvez jouer en modifiant l'épaisseur de vos traces ou la distance par rapport à la référence. Une ligne plus large semble effectivement plus courte, mais une ligne étroite semble inductive et peut être utilisée pour annuler les appareils capacitifs.