Blogue PCB - Le concept et le principe de conception du circuit haute fréquence et de la carte PCB

Pour la conception de cartes PCB de circuit haute fréquence, il existe déjà de bons logiciels CAO, et ses fonctions puissantes sont suffisantes pour surmonter le manque d'expérience de conception des gens et la récupération et le calcul des paramètres encombrants. Ceux qui ont peu d'expérience devraient pouvoir compléter les composants RF avec une meilleure qualité. Mais dans la pratique, ce n'est pas le cas.

À propos du logiciel de conception assistée par CAO et de l'analyseur de réseau

Pour la conception de circuits haute fréquence, il existe déjà de très bons logiciels CAO. Ses fonctions puissantes sont suffisantes pour surmonter le manque d'expérience de conception des gens et la récupération et le calcul encombrants des paramètres. Combiné avec des analyseurs de réseau puissants, il devrait être Ceux qui ont un peu d'expérience peuvent compléter des composants RF de meilleure qualité. Cependant, dans la pratique, ce n'est pas le cas. Le logiciel de conception CAO repose sur des fonctions de bibliothèque puissantes, y compris les paramètres des composants et les indicateurs de performance de base fournis par la plupart des fabricants mondiaux de dispositifs radio. De nombreux ingénieurs RF croient à tort que tant que l'outil sera utilisé pour la conception, il n'y aura pas de problème.

Cependant, le résultat réel est toujours contraire au souhait. La raison en est qu'ils abandonnent l'application flexible des concepts de base de la conception de circuits haute fréquence et l'accumulation d'expérience dans l'application des principes de conception de base sous la mauvaise compréhension. En conséquence, ils commettent souvent des erreurs d'application de base dans l'application d'outils logiciels. Le logiciel CAO de conception de circuits RF est un logiciel de visualisation transparent qui utilise ses diverses bibliothèques de modèles de configuration de base haute fréquence pour compléter la simulation de l'état de fonctionnement réel du circuit. Jusqu'à présent, nous pouvons déjà comprendre le lien clé, il existe deux types de modèles de configuration de base haute fréquence, l'un est un modèle de composant sous forme de paramètres centralisés, et l'autre est un modèle de fonction locale dans la conception conventionnelle. Il y a donc les problèmes suivants:

circuit haute fréquence carte PCB

1. Le modèle de composant et le logiciel CAD interagissent et se développent depuis longtemps, et ils deviennent de plus en plus parfaits. En pratique, l'authenticité du modèle peut être fondamentalement fiable. Cependant, l'environnement d'application considéré par le modèle de composant (en particulier l'environnement électrique de l'application de composant) sont toutes des valeurs typiques. Dans la plupart des cas, la série de paramètres d'application doit être déterminée empiriquement, sinon les résultats réels sont parfois même plus éloignés des résultats de conception sans l'aide de logiciels CAO.

2. Le modèle de configuration de base à haute fréquence conventionnel établi dans le logiciel de CAO est généralement limité aux aspects prévisibles dans les conditions d'application actuelles et ne peut être limité qu'au modèle fonctionnel de base (sinon, le développement de produits n'a pas besoin d'employer de personnes et toutes sortes de produits naissent en s'appuyant uniquement sur le CAO. produit).

3. Il convient en particulier de noter que l'établissement d'un modèle fonctionnel typique est complété par l'application de composants de manière typique et l'utilisation d'une structure de processus typique et parfaite (y compris la structure de la carte PCB), et ses performances ont également atteint un niveau "typique" élevé. . Mais en pratique, c'est une imitation complète, qui est loin de l'état modèle. La raison est que, bien que les composants sélectionnés et leurs paramètres soient les mêmes, leur environnement électrique combiné ne peut pas être le même. Dans les circuits de basse fréquence ou les circuits numériques, une telle différence de quelques centimètres n'est pas un grand obstacle, mais dans les circuits de radiofréquence, des erreurs fatales se produisent souvent.

4. Dans la conception du logiciel CAO, la conception tolérante aux défauts du logiciel ne prête pas attention à savoir si le paramètre erroné qui est contraire à la situation réelle se produit. Par conséquent, un résultat idéal est donné en fonction de la trajectoire d'exécution du logiciel, mais en pratique il est plein de problèmes. résultat. On sait que le lien d'erreur clé n'utilise pas les principes de base de la conception de circuits RF pour appliquer correctement le logiciel CAO.

5. Le logiciel CAD n'est qu'un outil auxiliaire de conception. Il utilise sa fonction de simulation en temps réel, sa puissante bibliothèque de modèles de composants et sa fonction de génération de fonctions, sa bibliothèque de modèles d'applications typiques, etc. pour simplifier le travail ennuyeux de conception et de calcul des gens.

La puissance du logiciel CAO dans la conception assistée de cartes PCB RF est un aspect important de la popularité du logiciel. Mais dans la pratique, de nombreux ingénieurs RF sont souvent "compris" par eux. La cause est toujours sa nature tolérante aux défauts des paramètres. Il est souvent utilisé pour obtenir un modèle idéal (y compris chaque lien fonctionnel) en utilisant sa fonction de simulation, mais seulement après que le débogage réel a été trouvé: il est préférable d'utiliser votre propre expérience pour concevoir. Par conséquent, dans la conception de PCB, le logiciel CAO n'est toujours bénéfique que pour les ingénieurs ayant une expérience et des compétences de conception RF de base, les aidant à s'engager dans la conception de processus fastidieuse (conception de principes non de base). Il existe deux types d'analyseurs de réseau, scalaires et vectoriels, qui sont des instruments essentiels pour la conception de circuits RF.

La pratique habituelle consiste à compléter la conception du circuit et de la carte PCB (ou à utiliser un logiciel CAO) selon les concepts et principes de conception de circuit RF de base, à compléter le traitement de l'échantillon de la carte PCB et à assembler le prototype selon les besoins, puis à utiliser l'analyseur de réseau pour concevoir chaque lien. L'analyse du réseau est effectuée une par une, et il est possible de faire en sorte que le circuit atteigne l'état. Mais le coût de ce travail est la production réelle d'au moins 3 ~ 5 versions du PCB, et s'il n'y a pas de principes de conception de base de PCB et de concepts de base, les versions de PCB requises seront plus (ou la conception ne peut pas être terminée).

Dans le processus d'utilisation d'un analyseur de réseau pour analyser le circuit RF, il est nécessaire d'avoir un concept et des principes complets de conception de la carte PCB de circuit haute fréquence, et il doit pouvoir connaître clairement les défauts de conception de la carte PCB à travers les résultats d'analyse. Seul cela nécessite que les ingénieurs concernés aient une expérience considérable. Dans le processus d'analyse des liens réseau du prototype, il est nécessaire de compter sur une expérience expérimentale qualifiée et des compétences pour construire un réseau fonctionnel local. Parce que dans de nombreux cas, les défauts de circuit trouvés par l'analyseur de réseau auront de nombreux facteurs en même temps, il est donc nécessaire d'utiliser la construction d'un réseau fonctionnel local pour analyser et étudier en profondeur la cause. Cette construction de circuit expérimental doit reposer sur une expérience claire de conception de circuit haute fréquence et des principes de construction de cartes PCB de circuit qualifié.

La portée de cet article

Cet article vise principalement le concept et les principes de conception des circuits haute fréquence de qualité micro-ondes et sa conception de cartes PCB, une catégorie de produits de communication de pointe. La raison pour laquelle le principe de conception de PCB de circuit haute fréquence de qualité micro-ondes est choisi est que ce principe a une grande importance directeure et appartient à la technologie d'application populaire de haute technologie actuelle. La transition du concept de conception de la carte PCB de circuit micro-ondes aux projets de réseau sans fil à grande vitesse (y compris divers réseaux d'accès) est également dans la même veine, car ils sont basés sur le même principe de base, la théorie de la double ligne de transmission.

Les circuits numériques ou les PCB de circuit relativement à basse fréquence conçus par des ingénieurs RF expérimentés ont un taux de réussite très élevé, car leur concept de conception est centré sur des paramètres "distribués", et le concept de paramètres distribués est utilisé dans les circuits à basse fréquence (y compris l'effet destructeur dans les circuits numériques) est souvent ignoré par les gens. Depuis longtemps, la conception de produits électroniques (principalement pour les produits de communication) achevée par de nombreux pairs est souvent pleine de problèmes. D'une part, il est lié au manque de liens nécessaires dans la conception du principe électrique (y compris la conception de la redondance, la conception de la fiabilité, etc.), mais plus important encore, beaucoup de tels problèmes se produisent lorsque les gens pensent que tous les liens nécessaires ont été pris en compte. En réponse à ces problèmes, ils dépensent souvent leur énergie à vérifier les procédures, les principes électriques, la redondance des paramètres, etc., mais dépensent rarement leur énergie à revoir la conception de la carte PCB, ce qui est souvent dû à des défauts de conception de la carte PCB.

Ce qu'il convient de souligner ici, c'est que le circuit numérique repose sur sa forte anti-interférence, détection et correction d'erreurs, et peut construire arbitrairement chaque lien intelligent pour assurer le fonctionnement normal du circuit. Un circuit d'application numérique ordinaire avec une configuration supplémentaire élevée de différentes liaisons "normales garanties" est évidemment une mesure sans concept de produit. Cependant, cela conduit souvent à une série de problèmes de produit dans le lien qui est considéré comme "ne vaut pas la peine". La raison est que ce type de lien fonctionnel qui n'est pas digne de garantie de fiabilité de construction du point de vue de l'ingénierie du produit devrait être basé sur le mécanisme de travail du circuit numérique lui-même, mais la mauvaise construction dans la conception du circuit (y compris la conception de la carte PCB) fait que le circuit soit dans un état de défaillance. état instable. La cause de cet état instable est une application de base sous le même concept que les problèmes similaires des circuits haute fréquence.

Dans les circuits numériques, il y a trois aspects à prendre au sérieux :

1. Le signal numérique lui-même appartient au signal à large spectre. Selon le résultat de la fonction de Fourier, elle contient des composants haute fréquence très riches, de sorte que les composants haute fréquence des signaux numériques sont pleinement pris en compte dans la conception des circuits intégrés numériques. Cependant, en plus des circuits intégrés numériques, les zones de transition de signal à l'intérieur et entre chaque liaison fonctionnelle, si elles sont arbitraires, entraîneront une série de problèmes. Surtout dans les cas de circuit où les circuits numériques et analogiques et haute fréquence sont mélangés.

2. Divers types de conceptions de fiabilité dans les applications de circuits numériques sont liés aux exigences de fiabilité et aux exigences d'ingénierie des produits des circuits dans les applications pratiques, et diverses pièces "garanties" coûteuses ne peuvent pas être ajoutées aux circuits qui ont été conçus conventionnellement pour répondre aux exigences.

3. La vitesse de fonctionnement des circuits numériques est en train de progresser vers la fréquence élevée avec un développement sans précédent (par exemple, le processeur actuel, dont la fréquence principale a atteint 1,7 GHz, dépasse de loin la limite inférieure de la bande de fréquences micro-ondes). Bien que les fonctions d'assurance de fiabilité des dispositifs connexes soient également prises en charge simultanément, elles sont basées sur les caractéristiques de signal interne et externe typiques du dispositif.

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Un aperçu de l'importance de la théorie de la double ligne de transmission pour la conception de circuits à micro-ondes et des principes du câblage de cartes PCB

Concept de carte PCB sous la théorie de deux lignes

Pour les circuits haute fréquence de qualité micro-ondes, chaque ligne de bande correspondante sur la carte PCB forme une ligne de microbande (asymétrique) avec la plaque de masse. Pour les cartes PCB avec plus de deux couches, une ligne de microbande et une bande peuvent être formées. ligne (ligne de transmission à microbande symétrique). Différentes lignes de microbandes (cartes PCB double face) ou lignes de bandes (cartes PCB multicouche) forment des lignes de microbandes couplées, formant ainsi divers réseaux complexes à quatre ports, formant ainsi un circuit au niveau micro-ondes PCB Diverses caractéristiques de la carte. On peut voir que la théorie de la ligne de transmission de microbande est la base de conception de la carte PCB de circuit haute fréquence de qualité micro-ondes.

Pour la conception de cartes RF-PCB au-dessus de 800MHz, la conception du réseau de cartes PCB près de l'antenne devrait suivre pleinement la base théorique de la microbande (plutôt que d'utiliser simplement le concept de microbande comme outil pour améliorer les performances des dispositifs à paramètres groupés). Plus la fréquence est élevée, plus la signification directeure de la théorie des microbandes devient significative. Pour les paramètres centralisés et les paramètres distribués du circuit, bien que plus la fréquence de fonctionnement est faible, plus l'effet des paramètres distribués est faible, mais les paramètres distribués existent toujours. Il n'y a pas de ligne de séparation claire pour déterminer s'il faut considérer l'influence des paramètres de distribution sur les caractéristiques du circuit.

Par conséquent, l'établissement du concept de microbande est tout aussi important pour la conception de circuit numérique et de circuit de fréquence intermédiaire relative PCB. Les bases et les concepts de la théorie des microbandes et le concept de conception des circuits RF au niveau des microondes et des cartes PCB sont en fait une application de la théorie de la double ligne de transmission des microondes. Pour le câblage de cartes RF-PCB, chaque ligne de signal adjacente (y compris adjacente adjacente) forme toutes les caractéristiques qui suivent le principe de base de la double ligne (cela sera clairement expliqué plus tard). Bien que le circuit RF micro-ondes commun soit équipé d'un plan de masse d'un côté, de sorte que la ligne de transmission de signal micro-ondes sur lui a tendance à être un réseau complexe à quatre ports, suivant ainsi directement la théorie des microbandes couplées, mais sa base est toujours la théorie des deux fils.

Par conséquent, dans la pratique de la conception, la signification directeure de la théorie de la double ligne est plus étendue. En général, pour les circuits micro-ondes, la théorie des microbandes a une signification de guidage quantitative, qui appartient à l'application spécifique de la théorie des deux lignes, et la théorie des deux lignes a une signification de guidage qualitative plus large. Il convient de mentionner que tous les concepts donnés par la théorie des deux lignes, en surface, il semble que certains concepts n'ont aucun lien avec le travail de conception réel (en particulier les circuits numériques et les circuits à basse fréquence), ce qui est en fait une illusion. La théorie de deux lignes peut guider toutes les questions conceptuelles dans la conception de circuits électroniques, en particulier l'importance des concepts de conception de circuits PCB est plus importante. Bien que la théorie des deux lignes soit établie sur la premise des circuits à haute fréquence à micro-ondes, c'est seulement parce que l'influence des paramètres distribués dans les circuits à haute fréquence devient significative, ce qui rend la signification de guidage particulièrement importante. Dans les circuits numériques ou à basse fréquence, les paramètres distribués sont négligeables par rapport aux composants de paramètre centralisés, et le concept de théorie de deux lignes devient correspondamment vague. Cependant, la façon de distinguer les circuits haute et basse fréquence est souvent négligée dans la pratique de conception.

Dans quelle catégorie relève un circuit logique ou impulsionnel numérique typique ? Évidemment, les circuits à basse fréquence et les circuits à basse fréquence avec des composants non linéaires, une fois que certaines conditions sensibles changent, il est facile de refléter certaines caractéristiques de haute fréquence. La fréquence principale du processeur a atteint 1,7 GHz, dépassant de loin la limite inférieure de la fréquence micro-ondes, mais il s'agit toujours d'un circuit numérique. En raison de ces incertitudes, la conception de la carte PCB est extrêmement importante. Dans de nombreux cas, les composants passifs dans les circuits peuvent être équivalents à des lignes de transmission ou des lignes de microbandes de spécifications spécifiques, et peuvent être décrits par la théorie de la double ligne de transmission et ses paramètres connexes. En bref, on peut considérer que la théorie de la double ligne de transmission est née sur la base de la synthèse de toutes les caractéristiques des circuits électroniques. Par conséquent, dans un sens strict, si chaque lien dans la pratique de conception est d'abord basé sur le concept incarné dans la théorie de la double ligne de transmission, alors le circuit de carte PCB correspondant rencontrera très peu de problèmes (quel que soit le circuit dans des conditions de travail).