На каких частотах дизайн печатной платы становится сложным?

Я разработал много печатных плат со смешанным сигналом, где наиболее высокочастотным компонентом является сам кристаллический генератор микроконтроллера. Я понимаю стандартные передовые практики: короткие следы, наземные плоскости, развязывающие колпачки, защитные кольца, защитные следы и т. Д.

Я также собрал несколько радиочастотных цепей в сверхшироком диапазоне 2,4 ГГц и ~ 6,5 ГГц. У меня есть рабочее понимание характеристического импеданса, сшивания грунта, сбалансированных и несбалансированных РЧ-линий и согласования импедансов. Я всегда заключал контракт с радиочастотным инженером на анализ и уточнение этих проектов.

Что я не понимаю, так это то, где одно царство начинает переходить в другое. В моем текущем проекте шина SPI 20 МГц используется четырьмя устройствами, что позволило мне ответить на этот вопрос. Но я действительно ищу общие рекомендации.

1. Есть ли рекомендации относительно длины трассы в зависимости от частоты? Я предполагаю, что ~ 3-дюймовые следы в порядке с 20 МГц (15 метров), но каков общий случай?

2. Как увеличить частоты, как предотвратить излучение длинных следов? Стриплайны и коаксиалы - это путь?

3. Что такое ВЧ характеристическое сопротивление типичного выходного каскада микроконтроллера?

4. и т.п.

Пожалуйста, не стесняйтесь сказать мне все, что я пропускаю :)

1. Есть ли рекомендации относительно длины трассы в зависимости от частоты? Я предполагаю, что ~ 3-дюймовые следы в порядке с 20 МГц (15 метров), но каков общий случай?

В моей работе указывается, что если электрическая длина трассы больше 1/10 длины волны, вы должны рассматривать ее как линию передачи. Как минимум, это означает, что вы должны подключиться к резистору, согласованному с полным сопротивлением линии. Как определить, какое значение резистора использовать? Вы оцениваете импеданс во время проектирования, а затем корректируете значение, чтобы минимизировать звон во время DVT.

Здесь есть некоторая тонкость в отношении истинного значения длины волны 1/10. Для синусоиды это просто. Для прямоугольной волны, которая является суммой многих синусов, вы должны использовать в качестве своей оценки компонент с наивысшей частотой. Когда вы обостряете углы квадрата с большей скоростью нарастания, вы увеличиваете частоту самого быстрого синусоида.

Это означает, что для цифрового сигнала мощность привода напрямую влияет на электрическую длину линии. Более высокая сила привода может легко превратить линию, которая не звучит, в линию, которая делает это.

Я усвоил это нелегко, когда поставщик «улучшил» цифровой буфер, не сказав нам. Это изменение увеличило скорость нарастания, что вызвало настолько сильное кольцо, что приемный чип начал зависать. Изготовленная нами доска, которая годами работала нормально, неожиданно начала зависать.

1. Длина трассы в зависимости от частоты - для отправки данных или несущих волн между одной микросхемой и другой, рекомендации, я бы сказал, достаточно терпимы. Максимальная частота, которая может быть сгенерирована в значительных количествах (возможно, до нескольких гармоник для прямоугольной волны), является ограничивающим фактором, и если длина вашей трассы «меньше» одной десятой длины волны, то вам, вероятно, нет необходимости работать с терминатором. Даже при чуть большей длине трассы вы можете завершить последовательной комбинацией нескольких десятков пФ и (скажем) 50 Ом. Это позволяет избежать проблемы 50-омного терминатора непосредственно через логическую линию. Для разных схем «правила» являются более строгими, например, фотодиодный усилитель может иметь полосу пропускания 3 дБ 1 ГГц (длина волны = 0. 3 м) и одна десятая будет 30 мм - абсолютно катастрофическая длина следа на входе в фотодиодный усилитель, а также индуктивность линии вызовет всевозможные скрытые сюрпризы при попытке заставить ее работать. Так что правила меняются в зависимости от того, что вы пытаетесь сделать.

Итак, я делаю различие между надежной цифровой (или аналоговой) передачей, чувствительными / слабыми цепями, такими как фотодиодные усилители, и я буду использовать ваш UWB 6,5 ГГц в качестве примера - он может иметь широкую настройку на пару ГГц, но если Вы пытались сделать линейный усилитель в диапазоне от кГц до ГГц, у вас возникнут проблемы с индуктивностью длины трассы, резонирующей с емкостью паразитного транзистора, и иногда вам придется помещать резисторы в очень маленькие дорожки, просто избегая автоколебаний цепи. Моя «радиоголовка» о том, чего вы можете достичь на действительно высоких частотах (но с ограниченной полосой пропускания), означает, что вы можете использовать паразитные средства в своих интересах, но не так, в очень широкой полосе частот от постоянного тока до нескольких ГГц. Вот так все и получается для меня.

1. Предотвращение излучения длинных трасс может быть выполнено с помощью сбалансированных трасс - дальнее поле равно нулю, потому что два электромагнитных поля отменяются (если все сделано правильно). Использование полосковых линий является техникой и само по себе не останавливает излучение сигнала. Коакс, конечно, и сбалансированный стриплайн тоже.
2. Выходной импеданс микропроцессора не так актуален, как вы думаете во многих примерах - скажем, он равен 10 Ом при 100 МГц - ваш выход идет по полосе 50 Ом (или коаксиальному кабелю) и обеспечивает достаточное согласующее сопротивление на приемном конце, отражения сведены к минимуму. Я знаю, что в колледже говорят, что ваш выход должен контролироваться импедансом, но на самом деле это не так.

Вы задаете хороший вопрос. Во многом тот же вопрос, что и этот: какие типы сигналов следует считать имеющими импеданс трассы 50 Ом?

Я не буду повторять мой ответ здесь, но предлагаю вам прочитать его там. Это должно охватывать ваш 1).

2) Не беспокойтесь о следах, излучающихся, если вы пробегаете по базовой плоскости. Вместо этого беспокойтесь о том, когда сигнал покидает область низкого импеданса вблизи плоскости отсчета. Разъемы, кабели и т. Д.

3) Используйте свой любимый симулятор IBIS, чтобы найти это. И это важно для прекращения. Большинство из них находятся в диапазоне 10-25R, но вы можете даже найти асимметричные, так что выходные полевые транзисторы с высокой и низкой стороны не дают вам одинакового сопротивления.

1) Есть ли рекомендации относительно длины трассы в зависимости от частоты? Я предполагаю, что ~ 3-дюймовые следы в порядке с 20 МГц (15 метров), но каков общий случай?

Размеры> 1/10 длины волны самой высокой частоты или гармоники. Это не значит, что схема перестанет работать на длине волны 2/10. Это зависит от того, насколько чувствительна схема.

2) Как увеличить частоты, как предотвратить появление длинных следов? Стриплайны и коаксиалы - это путь?

Существуют разные практические правила в зависимости от того, к чему вы относитесь, к чему будет стремиться трассировка. ВЧ цепь всегда будет излучать. Представьте, что сигнал направляется по трассе, а не внутри нее. Сигнал на одной трассе может перейти на другую трассу, если они достаточно близки. Большинство людей называют это сцеплением. Чтобы свести к минимуму сцепление, разделите трассы как минимум на 2 * (расстояние до базовой плоскости). Стенка переходных отверстий может быть использована для обеспечения изоляции двух следов друг от друга.

Есть несколько практических правил, чтобы минимизировать, сколько следов излучается из схемы и уходит куда-то еще. - Убедитесь, что все следы завершены во что-то. Волновая трасса 1/4 образует приличную антенну, если один ее конец открыт. - Избегайте разрывов. Думайте о следе как о шоссе. Если вы едете со скоростью 70 миль в час и совершаете поворот на 90 градусов, вы не сможете следовать по дороге. То же самое относится и к высокочастотным сигналам.

Если сигнал излучается от цепи, он может быть заключен в металлический корпус или поглощен. Stripline и коаксиальный кабель имеют металл, содержащий радиочастотные сигналы. Доски без сплошного верхнего металлического слоя обычно покрыты металлическим корпусом. Расстояние от платы до металлического корпуса обычно составляет менее половины длины волны, чтобы ослабить излучаемые сигналы и избежать других странных вещей. Вы также можете купить материалы, предназначенные для поглощения радиочастотных сигналов, чтобы они не отражались повсюду.

4) и т. Д. Существуют забавные игры, в которые можно играть, изменяя толщину следов или расстояние до эталона. Более широкая линия фактически выглядит короче, но узкая линия выглядит индуктивной и может использоваться для отмены емкостных устройств.