Thông tin PCB - Khái niệm và nguyên tắc thiết kế mạch tần số cao và bảng PCB

Đối với thiết kế bảng PCB mạch tần số cao, đã có phần mềm CAD tốt và các chức năng mạnh mẽ của nó đủ để vượt qua sự thiếu kinh nghiệm thiết kế của mọi người và truy xuất và tính toán thông số khó khăn. Những người có ít kinh nghiệm nên có thể hoàn thành các thành phần RF với chất lượng tốt hơn. Nhưng trong thực tế, điều này không phải là trường hợp.

Về phần mềm thiết kế hỗ trợ CAD và máy phân tích mạng

Đối với thiết kế mạch tần số cao, đã có phần mềm CAD rất tốt. Các chức năng mạnh mẽ của nó đủ để vượt qua sự thiếu kinh nghiệm thiết kế của mọi người và truy xuất và tính toán thông số khó khăn. Kết hợp với máy phân tích mạng mạnh mẽ, nó nên là những người có một chút kinh nghiệm có thể hoàn thành các thành phần RF chất lượng tốt hơn. Tuy nhiên, trong thực tế điều này không phải là trường hợp. Phần mềm thiết kế CAD dựa vào các chức năng thư viện mạnh mẽ, bao gồm các thông số thành phần và các chỉ số hiệu suất cơ bản được cung cấp bởi hầu hết các nhà sản xuất thiết bị vô tuyến trên thế giới. Nhiều kỹ sư RF tin nhầm rằng miễn là công cụ được sử dụng cho thiết kế, sẽ không có vấn đề.

Tuy nhiên, kết quả thực sự luôn trái ngược với mong muốn. Lý do là họ từ bỏ việc áp dụng linh hoạt các khái niệm cơ bản của thiết kế mạch tần số cao và tích lũy kinh nghiệm trong việc áp dụng các nguyên tắc thiết kế cơ bản dưới sự hiểu lầm. Kết quả là, họ thường phạm lỗi ứng dụng cơ bản trong việc ứng dụng các công cụ phần mềm. Phần mềm CAD thiết kế mạch RF là một phần mềm hình ảnh minh bạch, sử dụng các thư viện mô hình cấu hình cơ bản tần số cao khác nhau để hoàn thành mô phỏng trạng thái làm việc mạch thực tế. Cho đến nay, chúng ta đã có thể hiểu được liên kết chính, có hai loại mô hình cấu hình cơ bản tần số cao, một là mô hình thành phần dưới dạng các thông số tập trung, và mô hình chức năng địa phương trong thiết kế thông thường. Vì vậy, có những vấn đề sau:

bảng mạch tần số cao PCB

1. Mô hình thành phần và phần mềm CAD đã tương tác và phát triển trong một thời gian dài, và chúng đang trở nên ngày càng hoàn hảo hơn. Trong thực tế, tính xác thực của mô hình về cơ bản có thể được tin cậy. Tuy nhiên, môi trường ứng dụng được xem xét bởi mô hình thành phần (đặc biệt là môi trường điện của ứng dụng thành phần) là tất cả các giá trị điển hình. Trong hầu hết các trường hợp, loạt các thông số ứng dụng phải được xác định theo kinh nghiệm, nếu không kết quả thực tế đôi khi thậm chí xa hơn so với kết quả thiết kế mà không có sự trợ giúp của phần mềm CAD.

2. Mô hình cấu hình cơ bản tần số cao thông thường được thiết lập trong phần mềm CAD thường giới hạn ở các khía cạnh có thể dự đoán được dưới điều kiện ứng dụng hiện tại và chỉ có thể giới hạn ở mô hình chức năng cơ bản (nếu không, phát triển sản phẩm không cần thuê nhân viên và tất cả các loại sản phẩm được sinh ra bằng cách dựa vào CAD một mình. sản phẩm).

3. Đặc biệt đáng lưu ý là việc thiết lập một mô hình chức năng điển hình được hoàn thành bằng cách áp dụng các thành phần theo cách điển hình và sử dụng một cấu trúc quy trình điển hình và hoàn hảo (bao gồm cấu trúc bảng PCB), và hiệu suất của nó cũng đã đạt mức cao "điển hình". . Nhưng trong thực tế, nó là một sự bắt chước hoàn toàn, cách xa trạng thái mô hình. Lý do là: mặc dù các thành phần được chọn và thông số của chúng giống nhau, môi trường điện kết hợp của chúng không thể giống nhau. Trong các mạch tần số thấp hoặc các mạch kỹ thuật số, sự khác biệt như vậy của một vài cm không phải là một trở ngại lớn, nhưng trong các mạch tần số vô tuyến, các lỗi gây tử vong thường xảy ra.

4. Trong thiết kế phần mềm CAD, thiết kế dung nạp lỗi của phần mềm không chú ý đến việc có thiết lập thông số sai trái với tình huống thực tế xảy ra hay không. Do đó, một kết quả lý tưởng được đưa ra theo con đường chạy của phần mềm, nhưng trong thực tế nó đầy đủ các vấn đề. kết quả. Có thể biết rằng liên kết lỗi chính không sử dụng các nguyên tắc cơ bản của thiết kế mạch RF để áp dụng chính xác phần mềm CAD.

5. Phần mềm CAD chỉ là một công cụ phụ trợ thiết kế. Nó sử dụng chức năng mô phỏng thời gian thực, thư viện mô hình thành phần mạnh mẽ và chức năng tạo chức năng, thư viện mô hình ứng dụng điển hình, v.v. để đơn giản hóa công việc thiết kế và tính toán nhàm chán của mọi người.

Sức mạnh của phần mềm CAD trong thiết kế hỗ trợ của bảng PCB RF là một khía cạnh quan trọng của sự phổ biến của phần mềm. Nhưng trong thực tế, nhiều kỹ sư RF thường được họ "hiểu". Nguyên nhân vẫn là bản chất chịu lỗi của cài đặt thông số. Nó thường được sử dụng để có được một mô hình lý tưởng (bao gồm mỗi liên kết chức năng) bằng cách sử dụng chức năng mô phỏng của nó, nhưng chỉ sau khi gỡ lỗi thực tế được tìm thấy: tốt hơn là sử dụng kinh nghiệm của riêng bạn để thiết kế. Do đó, trong thiết kế PCB, phần mềm CAD vẫn chỉ có lợi cho các kỹ sư có kinh nghiệm và kỹ năng thiết kế RF cơ bản, giúp họ tham gia vào thiết kế quy trình nhàm chán (thiết kế nguyên tắc không cơ bản). Có hai loại máy phân tích mạng, scalar và vector, là các công cụ cần thiết cho thiết kế mạch RF.

Thực hành thông thường là hoàn thành thiết kế mạch và bảng PCB (hoặc sử dụng phần mềm CAD) theo các khái niệm và nguyên tắc thiết kế mạch RF cơ bản, hoàn thành xử lý mẫu của bảng PCB và lắp ráp nguyên mẫu theo yêu cầu, và sau đó sử dụng máy phân tích mạng để thiết kế mỗi liên kết. Phân tích mạng được thực hiện từng lần, và có thể làm cho mạch đạt đến trạng thái. Nhưng chi phí của công việc này là sản xuất thực tế của ít nhất 3 ~ 5 phiên bản của PCB, và nếu không có các nguyên tắc thiết kế PCB cơ bản và khái niệm cơ bản, các phiên bản PCB cần thiết sẽ nhiều hơn (hoặc thiết kế không thể hoàn thành).

Trong quá trình sử dụng máy phân tích mạng để phân tích mạch RF, cần phải có một khái niệm và nguyên tắc thiết kế bảng PCB tần số cao hoàn chỉnh và phải có thể biết rõ ràng những khuyết tật thiết kế của bảng PCB thông qua kết quả phân tích. Chỉ có điều này đòi hỏi các kỹ sư có liên quan phải có kinh nghiệm đáng kể. Trong quá trình phân tích các liên kết mạng của nguyên mẫu, cần dựa vào kinh nghiệm thử nghiệm và kỹ năng có tay nghề để xây dựng một mạng chức năng cục bộ. Bởi vì trong nhiều trường hợp, lỗi mạch được phát hiện bởi máy phân tích mạng sẽ có nhiều yếu tố cùng một lúc, vì vậy cần sử dụng việc xây dựng một mạng chức năng cục bộ để phân tích và điều tra kỹ lưỡng nguyên nhân. Xây dựng mạch thí nghiệm này phải dựa vào kinh nghiệm thiết kế mạch tần số cao rõ ràng và các nguyên tắc xây dựng bảng PCB mạch kỹ năng.

Phạm vi của bài viết này

Bài viết này chủ yếu nhằm vào khái niệm và nguyên tắc thiết kế của các mạch tần số cao cấp vi sóng và thiết kế bảng PCB của nó, một loại sản phẩm truyền thông biên giới. Lý do tại sao nguyên tắc thiết kế PCB của mạch tần số cao cấp vi sóng được chọn là nguyên tắc này có ý nghĩa hướng dẫn rộng rãi và thuộc về công nghệ ứng dụng phổ biến công nghệ cao hiện tại. Việc chuyển đổi từ khái niệm thiết kế bảng PCB mạch vi sóng sang các dự án mạng không dây tốc độ cao (bao gồm các mạng truy cập khác nhau) cũng là trong cùng một tĩnh mạch, bởi vì chúng dựa trên cùng một nguyên tắc cơ bản, lý thuyết đường truyền kép.

Các mạch kỹ thuật số hoặc các PCB mạch tần số tương đối thấp được thiết kế bởi các kỹ sư RF có kinh nghiệm có tỷ lệ thành công rất cao, bởi vì khái niệm thiết kế của chúng tập trung vào các thông số "phân phối", và khái niệm của các thông số phân phối được sử dụng trong các mạch tần số thấp hơn (bao gồm cả hiệu ứng phá hủy trong các mạch kỹ thuật số) thường bị mọi người bỏ qua. Trong một thời gian dài, thiết kế các sản phẩm điện tử (chủ yếu là cho các sản phẩm truyền thông) được hoàn thành bởi nhiều đồng nghiệp thường đầy rắc rối. Một mặt, nó liên quan đến việc thiếu các liên kết cần thiết trong thiết kế nguyên tắc điện (bao gồm thiết kế dư lượng, thiết kế độ tin cậy, v.v.), nhưng quan trọng hơn, nhiều vấn đề như vậy xảy ra khi mọi người nghĩ rằng tất cả các liên kết cần thiết đã được xem xét. Để đáp ứng các vấn đề này, họ thường dành năng lượng của họ cho các thủ tục kiểm tra, nguyên tắc điện, dư lượng thông số, v.v., nhưng hiếm khi dành năng lượng của họ cho việc xem xét thiết kế bảng PCB, thường do lỗi thiết kế bảng PCB.

Điều cần đặc biệt chỉ ra ở đây là mạch kỹ thuật số dựa vào chống can thiệp mạnh mẽ, phát hiện lỗi và sửa chữa, và có thể tùy ý xây dựng mỗi liên kết thông minh để đảm bảo chức năng bình thường của mạch. Một mạch ứng dụng kỹ thuật số thông thường với cấu hình bổ sung cao của các liên kết "được đảm bảo bình thường" khác nhau rõ ràng là một biện pháp mà không có khái niệm sản phẩm. Tuy nhiên, nó thường dẫn đến một loạt các vấn đề sản phẩm trong liên kết được coi là "không đáng giá". Lý do là loại liên kết chức năng này không xứng đáng với đảm bảo độ tin cậy xây dựng từ quan điểm kỹ thuật sản phẩm nên dựa trên cơ chế làm việc của bản thân mạch kỹ thuật số, nhưng xây dựng sai trong thiết kế mạch (bao gồm thiết kế bảng PCB) khiến mạch ở trong trạng thái thất bại. trạng thái không ổn định. Nguyên nhân của trạng thái không ổn định này là một ứng dụng cơ bản theo cùng một khái niệm như các vấn đề tương tự của các mạch tần số cao.

Trong các mạch kỹ thuật số, có ba khía cạnh cần xem xét nghiêm túc:

1. Bản thân tín hiệu kỹ thuật số thuộc về tín hiệu phổ rộng. Theo kết quả của hàm Fourier, nó chứa các thành phần tần số cao rất phong phú, vì vậy các thành phần tần số cao của tín hiệu kỹ thuật số được xem xét đầy đủ trong thiết kế IC kỹ thuật số. Tuy nhiên, ngoài IC kỹ thuật số, các khu vực chuyển đổi tín hiệu trong và giữa mỗi liên kết chức năng, nếu tùy ý, sẽ dẫn đến một loạt các vấn đề. Đặc biệt là trong các dịp mạch nơi các mạch kỹ thuật số và tương tự và tần số cao được pha trộn.

2. Các loại thiết kế độ tin cậy khác nhau trong các ứng dụng mạch kỹ thuật số liên quan đến các yêu cầu độ tin cậy và yêu cầu kỹ thuật sản phẩm của các mạch trong các ứng dụng thực tế, và các bộ phận "bảo hành" chi phí cao khác nhau không thể được thêm vào các mạch đã được thiết kế thông thường để đáp ứng các yêu cầu.

3. Tốc độ làm việc của các mạch kỹ thuật số đang chuyển sang tần số cao với sự phát triển chưa từng có (ví dụ, CPU hiện tại, tần số chính đã đạt 1,7GHz, vượt xa giới hạn thấp hơn của băng tần số vi sóng). Mặc dù các chức năng đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị liên quan cũng được hỗ trợ đồng thời, chúng dựa trên các đặc điểm tín hiệu bên trong và bên ngoài điển hình của thiết bị.

Bảng PCB

Tổng quan về tầm quan trọng hướng dẫn của lý thuyết đường truyền kép cho thiết kế mạch vi sóng và các nguyên tắc dây PCB

Khái niệm bảng PCB theo lý thuyết hai dòng

Đối với các mạch tần số cao cấp vi sóng, mỗi dòng dải tương ứng trên bảng PCB tạo thành một dòng dải vi sóng (không đối xứng) với tấm mặt đất. Đối với các tấm PCB có hơn hai lớp, một dòng dải vi mô và một dải có thể được hình thành. dây chuyền (dây chuyền truyền microstrip đối xứng). Các dòng dải vi khác nhau (bảng PCB hai mặt) hoặc dòng dải (bảng PCB đa lớp) hình thành các dòng dải vi kết nối, do đó hình thành các mạng bốn cổng phức tạp khác nhau, do đó hình thành một mạch PCB cấp vi sóng Đặc điểm khác nhau của bảng. Có thể thấy rằng lý thuyết của dây chuyền truyền vi dải là cơ sở thiết kế của bảng PCB mạch tần số cao cấp vi sóng.

Đối với thiết kế bảng RF-PCB trên 800MHz, thiết kế mạng bảng PCB gần ăng ten nên tuân theo đầy đủ cơ sở lý thuyết dải vi (thay vì chỉ sử dụng khái niệm dải vi như một công cụ để cải thiện hiệu suất của các thiết bị thông số cụm). Tần số càng cao, ý nghĩa hướng dẫn của lý thuyết dải vi mô càng quan trọng. Đối với các thông số tập trung và các thông số phân tán của mạch, mặc dù tần số hoạt động càng thấp, hiệu ứng của các thông số phân tán càng yếu, nhưng các thông số phân tán luôn tồn tại. Không có đường chia rõ ràng xem xét ảnh hưởng của các thông số phân phối đối với đặc điểm mạch hay không.

Do đó, việc thiết lập khái niệm microstrip là quan trọng như nhau đối với thiết kế mạch kỹ thuật số và PCB mạch tần số trung gian tương đối. Những điều cơ bản và khái niệm của lý thuyết dải vi và khái niệm thiết kế các mạch RF cấp vi sóng và bảng PCB thực sự là một ứng dụng của lý thuyết đường truyền kép vi sóng. Đối với dây mạch bảng RF-PCB, mỗi dòng tín hiệu liền kề (bao gồm cả liền kề) Tất cả hình thành các đặc điểm tuân theo nguyên tắc cơ bản của dòng kép (điều này sẽ được giải thích rõ ràng sau). Mặc dù mạch RF vi sóng phổ biến được trang bị một phẳng mặt đất ở một bên, vì vậy đường truyền tín hiệu vi sóng trên nó có xu hướng là một mạng bốn cổng phức tạp, do đó trực tiếp theo lý thuyết dải vi kết nối, nhưng cơ sở của nó vẫn là lý thuyết hai dây.

Do đó, trong thực tiễn thiết kế, ý nghĩa hướng dẫn của lý thuyết dòng kép là rộng rãi hơn. Nói chung, đối với các mạch vi sóng, lý thuyết dải vi có ý nghĩa hướng dẫn định lượng, thuộc về ứng dụng cụ thể của lý thuyết hai dòng, và lý thuyết hai dòng có ý nghĩa hướng dẫn định lượng rộng hơn. Đáng chú ý là tất cả các khái niệm được đưa ra bởi lý thuyết hai dòng, trên bề mặt, dường như một số khái niệm không liên quan đến công việc thiết kế thực tế (đặc biệt là mạch kỹ thuật số và mạch tần số thấp), thực sự là một ảo tưởng. Lý thuyết hai dòng có thể hướng dẫn tất cả các vấn đề khái niệm trong thiết kế mạch điện tử, đặc biệt là tầm quan trọng của các khái niệm thiết kế mạch PCB nổi bật hơn. Mặc dù lý thuyết hai dòng được thiết lập trên tiền đề của các mạch tần số cao vi sóng, điều này chỉ là bởi vì ảnh hưởng của các thông số phân tán trong các mạch tần số cao trở nên đáng kể, làm cho ý nghĩa hướng dẫn đặc biệt nổi bật. Trong các mạch kỹ thuật số hoặc tần số thấp, các thông số phân tán là không đáng kể so với các thành phần thông số tập trung, và khái niệm của lý thuyết hai dòng trở nên mơ hồ tương ứng. Tuy nhiên, cách phân biệt các mạch tần số cao và tần số thấp thường bị bỏ qua trong thực tiễn thiết kế.

Một logic kỹ thuật số hoặc mạch xung điển hình rơi vào loại nào? Rõ ràng các mạch tần số thấp và mạch tần số thấp với các thành phần phi tuyến tính, một khi một số điều kiện nhạy cảm thay đổi, nó dễ dàng phản ánh một số đặc điểm tần số cao. Tần số chính của CPU đã đạt 1,7GHz, vượt xa giới hạn thấp hơn của tần số vi sóng, nhưng nó vẫn là một mạch kỹ thuật số. Do những điều không chắc chắn này, thiết kế của bảng PCB là cực kỳ quan trọng. Trong nhiều trường hợp, các thành phần thụ động trong các mạch có thể tương đương với các dây chuyền truyền tải hoặc dây chuyền dải vi của các thông số kỹ thuật cụ thể, và có thể được mô tả bằng lý thuyết dây chuyền truyền kép và các thông số liên quan của nó. Tóm lại, có thể xem rằng lý thuyết đường truyền kép được sinh ra trên cơ sở tổng hợp tất cả các đặc điểm của các mạch điện tử. Do đó, theo nghĩa nghiêm ngặt, nếu mỗi liên kết trong thực tiễn thiết kế đầu tiên dựa trên khái niệm được thể hiện trong lý thuyết đường truyền kép, thì mạch bảng PCB tương ứng sẽ phải đối mặt với rất ít vấn đề (bất kể mạch là gì trong điều kiện làm việc).