|
Импеданс может быть определен как некоторое
препятствие (сопротивление) протеканию переменного тока в системах,
работающих с переменным напряжением. Таким образом, импеданс представляет
собой комплексную величину.
Спектральная характеристика сигнала может быть
сопоставлена со спектром светового излучения с множеством цветов и
представляет собой набор синусоидальных сигналов некоторых частот с
определенными амплитудами.
Частота сигнала определяется как количество полных
циклов изменения тока или напряжения этого сигнала в секунду.
Длина волны представляет собой расстояние, проходимое
волной, в течение одного полного цикла. Необходимо понимать, что это
расстояние не всегда относится к воздушной среде. В воздухе радиоволны
распространяются со скоростью света, но в электронных устройствах (в
частности, печатных платах) скорость распространения уменьшается из-за
диэлектрических эффектов. В воздушной среде или вакууме скорость света
очень близка к величине 300 мм в наносекунду, в типичных печатных платах
она опускается до 150 мм в наносекунду. Таким образом, сигнал частотой 300
МГц, например, в печатной плате будет иметь длину волны около 500 мм.
Поэтому часто в расчетах необходимо учитывать влияние диэлектрических
эффектов.
Временной и частотный анализ - два метода исследования
поведения переменного тока или напряжения. Первый метод относится к
поведению сигнала во времени, второй - к поведению амплитудно-частотной
характеристики.
Линия передачи представляет собой некоторую структуру,
предназначенную для передачи высокочастотной энергии с одного места к
другому. Характеристический импеданс (конечное сопротивление электрически
однородной линии передачи) - очень важная величина с точки зрения передачи
максимальной энергии сигнала, а также для согласования входного и
выходного импедансов различных элементов схем. Линии передачи имеют много
разновидностей, но при разработке печатных плат наиболее часто применяются
несимметричные микрополосковые (microstrip), встроенные
микрополосковые (embedded microstrip) и полосковые
(stripline) линии передачи (рис. 1). Каждый из этих типов
обладает своими собственными параметрами. Чаще всего в печатных платах
присутствуют встроенные микрополосковые линии передачи, располагающиеся на
поверхности платы и покрытые сверху слоем лака (маски). Расчеты таких
линий без учета диэлектрической постоянной могут привести к ошибке в 10 и
более процентов. |
Рис. 1. Полосковые линии передачи
Под несущей традиционно понимается
центральная частота, которая переносит радиосигнал. Для передачи
информации несущая может модулироваться различными способами.
Модуляция - процесс изменения поведения
несущей частоты для передачи информации.
Полоса частот - диапазон частот вокруг
интересующей частоты.
Поверхностный эффект (скин-эффект) -
явление, при котором переменный ток стремиться протекать по поверхности
проводника при увеличении частоты. Скин-эффект приводит к увеличению
импеданса проводника при увеличении частоты сигнала.
Резонансная частота - частота, при которой
реактивные сопротивления последовательно или параллельно включенных
индуктивности и конденсатора равны. Последовательная резонансная схема
обладает низким импедансом на резонансной частоте, а параллельная
резонансная схема - высоким (рис. 2).
Рис. 2. Резонансные характеристики контуров
Измерение мощности - метод измерений (в
контексте ВЧ-приложений), при котором характеристики схемы или устройства
в целом предпочтительнее определять отношением мощностей, чем в абсолютных
единицах напряжения или тока. Это значение обычно выражается логарифмом
отношения и описывает усиление или потери усилителей или других схем.
Значения отношений, выраженные в логарифмических единицах, более удобно
складывать и вычитать, чем умножать и делить абсолютные величины.
Диэлектрическая постоянная - критерий
воздействия свойств изоляционного материала на проходящую волну
радиочастотного излучения или соседний материал, отнесенный к эффекту
воздействия такой же волны, проходящей через воздух. |
|
|
РАЗМЕЩЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ |
|
Как и в подавляющем большинстве случаев, аккуратное и тщательное
размещение компонентов является ключом к хорошей работе схемы. |
Оптимальное размещение компонентов уменьшает длину шин
высокочастотных сигналов, уменьшает или устраняет полностью взаимовлияние
сигналов и минимизирует связи между мощными и чувствительными частями
схемы. |
|
|
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛУЧШЕГО ПУТИ СИГНАЛА |
|
Перед общей разводкой необходимо тщательно продумать пути
высокочастотных сигналов, что предполагает минимизацию длины
высокочастотных |
трасс, уменьшение взаимовлияния сигналов, за исключением
особых случаев, разнесение входных и выходных шин усилителей и
фильтров. |
|
|
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ |
|
Во время размещения компонентов необходимо следить за распределением
рассеиваемой мощности на печатной плате. Это особенно важно при разработке
устройств, питание которых осуществляется от батарей или
аккумуляторов. |
Такие устройства обычно содержат несколько
энергопотребляющих частей, которые могут включаться и выключаться
независимо друг от друга, что увеличивает время непрерывной работы
источника питания. |
|
|
ЭКРАНЫ |
|
Экраны используются для уменьшения паразитного взаимовлияния сигналов.
Использование их повышает стоимость и увеличивает размеры устройства, а
также требует особой внимательности к их заземлению. |
Тем не менее, в некоторых случаях лишь применение экранов
позволяет решить задачу предотвращения влияния между сильноточными и
слаботочными частями схемы. |
|
|
ТЕПЛОВОЕ РАССЕЯНИЕ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ |
|
Как и во всех других типах дизайна печатных плат, необходимо помнить о
равномерном (по возможности) тепловом распределении и стараться не
располагать |
рядом друг с другом тепловыделяющие компоненты во избежание
проблем, связанных с перегревом. |
|
|
СОПРОВОЖДЕНИЕ |
|
В общем случае, желательно уменьшение стоимости печатной платы, следуя
умеренным требованиям к дизайну, уменьшая количество слоев и используя
приемлемые типы переходных отверстий. |
Однако, для высокочастотных приложений такие подходы часто
неприемлемы из-за жестких специфических требований к качеству сигналов,
особенно, для миниатюрных разработок. |
|
|
РАЗДЕЛЕНИЕ ВЧ-ТРАСС |
|
Параллельные трассы высокочастотных сигналов не должны проходить близко
друг от друга и пересекаться на соседних слоях. Если же последнее
происходит, то необходимо, чтобы пересечение осуществлялось под прямым
углом для минимизации связи между ними. В идеальном случае, пересечение
таких трасс должно быть разделено слоем с земляным полигоном.
Полигон земли, к сожалению, не всегда имеет нулевой потенциал во всех
точках, т.к. он тоже обладает индуктивностью и емкостью, что может быть
причиной снижения качественных характеристик точных схем. |
Высокочастотные трассы на каждом слое должны быть в
достаточной мере окружены земляными шинами, которые, в свою очередь,
должны иметь хорошее соединение с земляным полигоном. Краевые и угловые
эффекты этих земляных шин и самих высокочастотных трасс должны быть
минимизированы. |
|
|
КОНТРОЛЬ ИМПЕДАНСА |
|
При разводке для получения приемлемых результатов необходимо
использовать хороший калькулятор импеданса, который позволял бы расчитать
требуемые ширины проводников на внешних и внутренних слоях. CAD-системы,
которые могут производить подобные расчеты, используют специфические
классы цепей и позволяют достаточно просто добиваться приемлемых
результатов. Хорошие калькуляторы импеданса, обладающие достаточной
точностью можно найти на сайтах фирм IPC [www.ipc.org] и UltraCAD
[www.ultracad.com]. Более полный и универсальный калькулятор можно найти
на сайте фирмы Polar Instruments [www.polarinstruments.com]. |
Для работы на частотах до 5 ГГц недопустимо применение при
разводке прямых углов в разводке трасс. Такие углы создают нарушения
однородности импеданса и должны полностью исключаться. Длина
высокочастотных трасс, проходящих по внутренним слоям, должна быть
минимальной. Они обычно в большей степени подвержены влиянию других
сигналов. Переходные отверстия ВЧ-трасс добавляют паразитную индуктивность
к уже и без того имеющейся. Поэтому их количество должно быть оптимальным
с точки зрения протяженности трассы. Кроме того, такие переходные
отверстия могут передавать высокочастотную энергию на противоположную
сторону с возможными пагубными последствиями. |
|
|
РАЗДЕЛЕНИЕ ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ ТРАСС |
|
Усилители могут начать работать нестабильно или даже стать генераторами
неконтролируемых колебаний при возникновении положительной обратной связи
с выхода на вход. В большей мере это касается усилителей с большим
коэффициентом усиления. |
Фильтры также могут ухудшать свои качественные
характеристики при влиянии выходного сигнала на входные
элементы. |
|
|
РАЗВЯЗКА |
|
Расположение компонентов развязки напряжения питания также важно. При
использовании составных развязывающих конденсаторов, необходимо следить за
тем, чтобы высококачественные керамические конденсаторы располагались
вблизи (насколько это возможно) с выводами питания микросхем. |
При разводке шин питания также необходимо проявлять
внимание. Расстояние между выводом питания микросхемы и развязывающим
конденсатором должно быть минимальным, а общий вывод этого конденсатора
должен непосредственно и кратчайшим путем соединяться с земляным
полигоном. |
|
|
АНАЛОГОВЫЕ, ЦИФРОВЫЕ И ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ СИГНАЛЫ |
|
Большое внимание должно быть уделено разделению аналоговых, цифровых и
высокочастотных сигналов. Особенно важно хорошо разнести цифровые сигналы
от чувствительных ВЧ-компонентов и низкоуровневые аналоговые сигналы от
ВЧ-сигналов любых уровней. |
Кроме того, важно обеспечить разделение путей возвратных
токов этих сигналов. О взаимовлиянии возвратных токов часто забывается,
что приводит к серьезным перекрестным помехам. |
|
|
ЗАЛИВКА СВОБОДНЫХ ОБЛАСТЕЙ |
|
Области на всех слоях, свободные от компонентов и проводников, должны
быть залиты полигоном, подключенным через множество переходных отверстий к
полигону земляного слоя. Это благоприятно влияет на увеличение эффективной
площади полигона земли и приводит к уменьшению излучения и наводок.
Земляные полигоны, расположенные на нескольких слоях, должны соединяться
переходными отверстиями по краям платы, вокруг всех вырезов и крепежных
отверстий для предотвращения утечек высокочастотной энергии. |
Необходимо внимательно следить за возможностью появления
любых протяженных узких областей земляных полигонов между выводами
компонентов. Такие области необходимо либо удалять, либо соединять
дополнительными переходными отверстиями с полигоном слоя земли. Без таких
действий эти островки могут выступать в качестве антенн ВЧ-излучения. На
печатной плате не должно быть неподсоединенных залитых областей - они
должны быть подсоединены к земляному полигону внутреннего слоя. |
|
|
ВЫВОДЫ |
|
Хорошему ВЧ-дизайну присущи следующие элементы:
- полная и очень внимательная
разработка от начала и до конца;
- уделение особого внимания каждому
шагу во время размещения компонентов и
разводки; |
- непрерывная и
всесторонняя оценка действий в процессе разработки с возможностью
исправления допущенных ошибок. |
|
|
|
