Em que frequências o design de PCB fica complicado?

Eu projetei muitas PCBs de sinal misto, onde o componente de maior frequência é o próprio oscilador de cristal do microcontrolador. Entendo as melhores práticas padrão: traços curtos, planos de terra, tampas de desacoplamento, anéis de proteção, traços de blindagem, etc.

Eu também montei alguns circuitos de RF, na faixa ultra-larga de 2,4 GHz e ~ 6,5 GHz. Tenho uma compreensão prática da impedância característica, costura no solo, linhas de alimentação de RF balanceadas e não balanceadas e correspondência de impedâncias. Eu sempre contratei um engenheiro de RF para analisar e ajustar esses projetos.

O que não entendo é onde um reino começa a passar para o próximo. Meu projeto atual tem um barramento SPI de 20MHz compartilhado entre quatro dispositivos, o que me permitiu fazer essa pergunta. Mas estou realmente procurando diretrizes gerais.

1. Existem diretrizes quanto ao comprimento do traço versus frequência? Suponho que traços de ~ 3 polegadas sejam bons com 20MHz (15 metros), mas qual é o caso geral?

2. À medida que as frequências aumentam, como evitar que traços longos irradiem? Os striplines e persuadir o caminho a seguir?

3. Qual é a impedância característica de RF de um estágio típico de saída do microcontrolador?

4. etc.

Por favor, sinta-se à vontade para me dizer qualquer coisa que esteja faltando :)

1. Existem diretrizes quanto ao comprimento do traço versus frequência? Suponho que traços de ~ 3 polegadas sejam bons com 20MHz (15 metros), mas qual é o caso geral?

No meu trabalho, a diretriz é que, se o comprimento elétrico de um traço for maior que 1/10, você precisará tratá-lo como uma linha de transmissão. No mínimo, isso significa que você deve terminar com um resistor correspondente à impedância da linha. Como você descobre qual valor do resistor usar? Você estima qual será a impedância durante o projeto e depois ajusta o valor para minimizar o toque durante a TVP.

Agora, há alguma sutileza aqui sobre o verdadeiro significado de 1/10 de comprimento de onda. Para uma onda senoidal, isso é direto. Para uma onda quadrada, que é a soma de muitos senos, você deve usar o componente de maior frequência como seu estimador. Ao afiar os cantos da praça com uma taxa de rotação mais rápida, você aumenta a frequência do seno mais rápido competente.

O que isso significa é que, para um sinal digital, a força do inversor afeta diretamente o comprimento elétrico da linha. Maior força de acionamento pode transformar facilmente uma linha que não toca na que toca.

Aprendi isso da maneira mais difícil quando um fornecedor fez uma "melhoria" em um buffer digital sem nos informar. Essa alteração aumentou a taxa de rotação, o que causou um toque tão ruim que o chip receptor começou a travar. Um quadro que produzimos que funcionava bem há anos começou a trancar-se aleatoriamente.

1. Comprimento de rastreamento versus frequência - para enviar dados ou ondas de portadora entre um IC e outro, as diretrizes são bastante tolerantes, eu diria. A frequência máxima que pode ser gerada em quantidades significativas (talvez até vários harmônicos para uma onda quadrada) é o fator limitante e, se o comprimento do seu traço for "menor que" um décimo do comprimento de onda, provavelmente você não precisará operar com um terminador. Mesmo com traços um pouco maiores, você pode terminar com uma combinação em série de algumas dezenas de pF e (digamos) 50 ohms. Isso evita o problema de um terminador de 50 ohm diretamente através de uma linha lógica. Para circuitos diferentes, as "regras" são mais rigorosas, por exemplo, um amplificador de fotodíodo pode ter uma largura de banda 3dB de 1 GHz (comprimento de onda = 0. 3 m) e um décimo seria 30 mm - um comprimento de traço totalmente desastroso na entrada de um amplificador de fotodiodo e também a indutância da linha causaria todo tipo de surpresa escondida ao tentar fazê-la funcionar. Portanto, as regras mudam dependendo do que você está tentando fazer.

Então, estou fazendo uma distinção aqui entre transmissão digital robusta (ou analógica), circuitos sensíveis / fracos, como amplificadores de fotodiodo, e usarei seu UWB de 6,5 GHz como exemplo - pode ter uma sintonia ampla em alguns GHz, mas se você estava tentando fazer um amplificador linear da faixa de kHz a GHz, você encontrará problemas na indutância do comprimento do traço que ressoam com a capacitância do transistor parasita e, às vezes, é necessário colocar resistores em faixas muito pequenas para evitar um circuito auto-oscilante. Com a minha "cabeça de rádio", o que você pode obter em frequências realmente altas (mas com largura de banda limitada) significa que você pode utilizar parasitas em seu benefício, mas não em uma largura de banda muito ampla, de DC a vários GHz. É assim que costuma acontecer para mim.

1. A prevenção de traços longos irradiando pode ser feita com traços balanceados - o campo distante é zero porque os dois campos EM são cancelados (quando feitos corretamente). O uso de striplines é uma técnica e não impede que um sinal seja irradiado. Coax faz, é claro, e o mesmo acontece com a linha equilibrada.
2. A impedância de micro saída não é tão relevante quanto você pensa em muitos exemplos - digamos, 10 ohms a 100 MHz - sua saída diminui um stripline de 50 ohm (ou coaxial) e fornecer a terminação na extremidade receptora é adequado, reflexões são minimizados. Eu sei que na faculdade eles dizem que sua produção precisa ser controlada por impedância, mas na realidade não.

Você está fazendo uma boa pergunta. De muitas maneiras, a mesma pergunta que esta: Que tipos de sinais devem ser considerados como tendo uma impedância de rastreamento de 50??

Não vou repetir minha resposta aqui, mas sugiro que você a leia lá. Isso deve cobrir o seu 1).

2) Não se preocupe com traços irradiando se você passar por cima de um plano de referência. Preocupe-se com o momento em que o sinal deixa o domínio de baixa impedância próximo ao plano de referência. Conectores, cabos, etc.

3) Use seu simulador IBIS favorito para encontrar isso. E é importante para a rescisão. A maioria está na faixa de 10 a 25R - mas você pode encontrar algumas que são assimétricas, portanto os FETs de saída do lado alto e do lado baixo não estão fornecendo a mesma impedância.

1) Existem diretrizes quanto ao comprimento do traço versus frequência? Suponho que traços de ~ 3 polegadas sejam bons com 20MHz (15 metros), mas qual é o caso geral?

Dimensões> 1/10 de comprimento de onda da frequência mais alta ou harmônica. Isso não significa que o circuito pare de funcionar com 2/10 de comprimento de onda. Depende da sensibilidade do circuito.

2) À medida que as frequências aumentam, como impedir que traços longos irradiem? Os striplines e persuadir o caminho a seguir?

Existem regras práticas diferentes, dependendo do que você estiver preocupado com o rastreio. Um circuito de RF sempre irradiará. Imagine o sinal sendo guiado pelo rastreamento, não existindo dentro dele. O sinal em um rastreamento pode saltar para outro, se estiverem próximos o suficiente. A maioria das pessoas chama isso de acoplamento. Para minimizar o acoplamento, separe os traços em pelo menos 2 * (distância do plano de referência). Uma parede de vias pode ser usada para garantir que dois traços sejam isolados um do outro.

Existem algumas regras práticas para minimizar o quanto um traço irradia para fora do circuito e vai para outro lugar. - Verifique se todos os rastreamentos terminaram em algo. Um traço de 1/4 de onda cria uma antena decente, se uma extremidade é aberta. - Evite descontinuidades. Pense em um traço como uma estrada. Se você estiver a 90 km / h e fizer uma curva de 90 graus, não poderá seguir a estrada. O mesmo acontece com os sinais de alta frequência.

Se um sinal irradiar para longe de um circuito, ele pode ser contido com um gabinete de metal ou absorvido. Stripline e coaxial têm metal que contém sinais de RF. Placas sem uma camada de metal superior sólida geralmente são cobertas com um gabinete de metal. A distância da placa ao gabinete de metal geralmente é feita com menos de 1/2 comprimento de onda para atenuar os sinais irradiados e evitar que outras coisas estranhas aconteçam. Você também pode comprar materiais projetados para absorver sinais de RF, para que eles não reflitam por todo o lugar.

4) etc. Existem jogos divertidos que você pode jogar alterando a espessura de seus traços ou a distância da referência. Uma linha mais larga parece mais curta, mas uma linha estreita parece indutiva e pode ser usada para cancelar dispositivos capacitivos.