¿A qué frecuencias se vuelve complicado el diseño de PCB?

He diseñado muchos PCB de señal mixta donde el componente de mayor frecuencia es el oscilador de cristal del microcontrolador. Entiendo las mejores prácticas estándar: trazas cortas, planos de tierra, tapas de desacoplamiento, anillos de protección, trazas de protección, etc.

También he reunido algunos circuitos de RF, a una banda ultra ancha de 2.4GHz y ~ 6.5GHz. Tengo un conocimiento práctico de la impedancia característica, la conexión a tierra, las líneas de alimentación de RF balanceadas y no balanceadas, y la coincidencia de impedancias. Siempre he contratado a un ingeniero de RF para analizar y ajustar estos diseños.

Lo que no entiendo es dónde un reino comienza a cruzar al siguiente. Mi proyecto actual tiene un bus SPI de 20MHz compartido entre cuatro dispositivos, lo que me ha permitido hacer esta pregunta. Pero, realmente estoy buscando pautas generales.

1. ¿Existen pautas en cuanto a la longitud de la traza frente a la frecuencia? Supongo que las huellas de ~ 3 pulgadas están bien con 20MHz (15 metros), pero ¿cuál es el caso general?

2. A medida que aumentan las frecuencias, ¿cómo evitar que se irradien trazas largas? ¿Son las disciplinas y el coaxial el camino a seguir?

3. ¿Cuál es la impedancia característica de RF de una etapa típica de salida de microcontrolador, de todos modos?

4. etc.

Por favor, siéntase libre de decirme lo que me falta :)

1. ¿Existen pautas en cuanto a la longitud de la traza frente a la frecuencia? Supongo que las huellas de ~ 3 pulgadas están bien con 20MHz (15 metros), pero ¿cuál es el caso general?

En mi trabajo, la pauta es que, si la longitud eléctrica de una traza es mayor que 1/10 de longitud de onda, debe tratarla como una línea de transmisión. Como mínimo, esto significa que debe terminar con una resistencia adaptada a la impedancia de la línea. ¿Cómo calculas qué valor de resistencia usar? Usted calcula cuál será la impedancia durante el diseño y luego ajusta el valor para minimizar el timbre durante la TVP.

Ahora, hay algo de sutileza aquí sobre el verdadero significado de la longitud de onda 1/10. Para una onda sinusoidal, esto es sencillo. Para una onda cuadrada, que es la suma de muchos senos, debe usar el componente de frecuencia más alta como estimador. A medida que afina las esquinas del cuadrado con una velocidad de rotación más rápida, aumenta la frecuencia del seno sinusoidal más rápido competente.

Lo que esto significa es que, para una señal digital, la fuerza del disco afecta directamente la longitud eléctrica de la línea. Una mayor fuerza de manejo puede convertir fácilmente una línea que no suena en una que sí lo hace.

Aprendí esto de la manera difícil cuando un proveedor hizo una "mejora" a un búfer digital sin avisarnos. Este cambio aumentó la velocidad de respuesta, lo que causó un anillo tan malo que el chip receptor comenzó a engancharse. Una placa que produjimos que había estado funcionando bien durante años de repente comenzó a bloquearse al azar.

1. Longitud de rastreo versus frecuencia: para enviar datos u ondas portadoras entre un IC y otro, diría que las pautas son bastante tolerantes. La frecuencia máxima que podría generarse en cantidades significativas (tal vez hasta varios armónicos para una onda cuadrada) es el factor limitante y si la longitud de su trazo es "menor que" una décima parte de la longitud de onda, entonces probablemente no necesite operar con un terminador. Incluso con trazas ligeramente más largas, puede terminar con una combinación en serie de unas pocas decenas de pF y (por ejemplo) 50 ohmios. Esto evita el problema de un terminador de 50 ohmios directamente a través de una línea lógica. Para diferentes circuitos, las "reglas" son más estrictas, por ejemplo, un amplificador de fotodiodos podría tener un ancho de banda de 3 G de 1 GHz (longitud de onda = 0. 3 m) y una décima parte sería de 30 mm, una longitud de traza totalmente desastrosa en la entrada a un amplificador de fotodiodos y también la inductancia de la línea causaría todo tipo de sorpresas ocultas al intentar que funcione. Entonces las reglas cambian dependiendo de lo que intentas hacer.

Así que estoy haciendo una distinción aquí entre transmisión digital (o analógica) robusta, circuitos sensibles / débiles como amplificadores de fotodiodos y usaré su UWB de 6.5 GHz como ejemplo; puede haber tenido una sintonización amplia en un par de GHz, pero si si intentaba hacer un amplificador lineal del rango de kHz a GHz, tendrá problemas con la inductancia de longitud de traza que resuena con la capacitancia del transistor parásito y, a veces, tiene que colocar resistencias en pistas muy pequeñas solo para evitar un circuito auto-oscilante. Con mi "cabezal de radio" sobre lo que puede lograr a frecuencias realmente altas (pero ancho de banda limitado) significa que puede utilizar parásitos para su ventaja, pero no así en un ancho de banda realmente amplio desde DC a varios GHz. De todos modos, así es como tiende a funcionar conmigo.

1. La prevención de la irradiación de trazas largas se puede hacer con trazas equilibradas: el campo lejano es cero porque los dos campos EM se cancelan (cuando se hace correctamente). Usar striplines es una técnica y no detiene una señal que se irradia. Coax, por supuesto, y también lo hace la línea de banda equilibrada.
2. La impedancia de la micro salida no es tan relevante como cree en muchos ejemplos, digamos que es de 10 ohmios a 100 MHz, su salida baja una línea de banda de 50 ohmios (o coaxial) y siempre que la terminación en el extremo receptor sea adecuada, reflexiones son minimizados Sé que en la universidad dicen que tu salida necesita ser controlada por impedancia, pero en realidad no es así.

Estás haciendo una buena pregunta. En muchos sentidos, la misma pregunta que esta: ¿Qué tipos de señales deben considerarse que tienen una impedancia de traza de 50 Ω?

No repetiré mi respuesta aquí, pero te sugiero que lo leas allí. Esto debería cubrir su 1).

2) No se preocupe por las trazas que se irradian si pasa sobre un plano de referencia. En cambio, preocúpese por cuándo la señal abandona el reino de baja impedancia cerca del plano de referencia. Conectores, cables, etc.

3) Use su simulador IBIS favorito para encontrar esto. Y es importante para la terminación. La mayoría están en el rango de 10-25R, pero incluso puede encontrar algunos que son asimétricos, por lo que los FET de salida del lado alto y del lado bajo no le están dando la misma impedancia.

1) ¿Existen pautas en cuanto a la longitud de la traza frente a la frecuencia? Supongo que las huellas de ~ 3 pulgadas están bien con 20MHz (15 metros), pero ¿cuál es el caso general?

Dimensiones> 1/10 de longitud de onda de la frecuencia más alta o armónico. Eso no significa que el circuito dejará de funcionar a una longitud de onda de 2/10. Depende de lo sensible que sea el circuito.

2) A medida que aumentan las frecuencias, ¿cómo evitar que se irradien trazas largas? ¿Son las disciplinas y el coaxial el camino a seguir?

Existen diferentes reglas generales que dependen de lo que le preocupa que irradie el rastro. Un circuito de RF siempre irradiará. Imagine que la señal es guiada por la traza, que no existe dentro de la traza. La señal en una traza puede saltar a otra traza si están lo suficientemente cerca. La mayoría de la gente llama a este acoplamiento. Para minimizar el acoplamiento, separe las trazas al menos 2 * (distancia al plano de referencia). Se puede usar un muro de vías para garantizar que dos trazas estén aisladas una de la otra.

Hay algunas reglas generales para minimizar la cantidad de rastros que se irradian del circuito y se van a otro lado. - Asegúrese de que todos los rastros se terminen en algo. Un trazo de 1/4 de onda hace una antena decente, si un extremo es abierto. - Evitar discontinuidades. Piense en un rastro como una carretera. Si va a 70 mph y da un giro de 90 grados, no podrá seguir el camino. Lo mismo es cierto con las señales de alta frecuencia.

Si una señal se irradia lejos de un circuito, puede ser contenida con una caja de metal o absorbida. Stripline y coaxial tienen metal que contiene señales de RF. Los tableros sin una capa superior de metal sólido generalmente están cubiertos con una carcasa de metal. La distancia desde el tablero hasta el recinto de metal generalmente se hace menos de 1/2 longitud de onda para atenuar las señales radiadas y evitar que ocurran otras cosas extrañas. También puede comprar materiales diseñados para absorber señales de RF, de modo que no reboten por todas partes.

4) etc. Hay juegos divertidos que puedes jugar cambiando el grosor de tus rastros o la distancia a la referencia. Una línea más ancha parece efectivamente más corta, pero una línea estrecha parece inductiva y puede usarse para cancelar dispositivos capacitivos.