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

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

En mi trabajo, la directriz 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 que coincida con la impedancia de la línea. ¿Cómo saber qué valor de resistencia usar? Estima cuál será la impedancia durante el diseño y luego ajusta el valor para minimizar el zumbido durante la TVP.

Ahora, hay cierta sutileza aquí sobre el verdadero significado de 1/10 de longitud de onda. 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 respuesta más rápida, aumenta la frecuencia del seno competente más rápido.

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

Aprendí esto de la manera más difícil cuando un proveedor hizo una "mejora" en un búfer digital sin avisarnos. Este cambio incrementó la velocidad de respuesta, lo que provocó que el timbre sonara tan mal que el chip receptor comenzó a trabarse. Una placa que produjimos que había estado funcionando bien durante años de repente comenzó a bloquearse al azar.

1. Longitud de seguimiento 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 (quizás hasta varios armónicos para una onda cuadrada) es el factor limitante y si la longitud de su traza es "menos de" una décima parte de la longitud de onda, entonces probablemente no necesite operar con un terminador. Incluso en longitudes de traza ligeramente más largas, podría terminar con una combinación en serie de unas pocas decenas de pF y (digamos) 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 fotodiodo puede tener un ancho de banda de 3 dB de 1 GHz (longitud de onda = 0. 3 m) y una décima sería 30 mm - una longitud de traza totalmente desastrosa en la entrada de un amplificador de fotodiodos y además la inductancia de la línea provocaría todo tipo de sorpresas ocultas al intentar hacerlo funcionar. Así que las reglas cambian dependiendo de lo que intentes hacer.

Así que estoy haciendo una distinción aquí entre transmisión digital robusta (o analógica), circuitos sensibles/débiles como amplificadores de fotodiodo y usaré su UWB de 6,5 GHz como ejemplo: puede haber tenido una sintonización amplia en un par de GHz, pero si estaba tratando de hacer un amplificador lineal desde el rango de kHz a GHz, tendrá problemas en la inductancia de longitud de traza que resuena con la capacitancia de transistor parásito y, a veces, tiene que colocar resistencias en pistas muy pequeñas para evitar un circuito autooscilante. Con mi "cabeza de radio" en lo que puede lograr en frecuencias realmente altas (pero con un ancho de banda limitado), significa que puede utilizar parásitos a su favor, pero no tanto en un ancho de banda realmente amplio, desde CC hasta varios GHz. Así es como tiende a funcionar para mí de todos modos.

1. La prevención de la radiación 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). El uso de striplines es una técnica y en sí mismo no detiene la radiación de una señal. Coax lo hace, por supuesto, y también lo hace el stripline balanceado.
2. La impedancia de salida micro no es tan relevante como cree en muchos ejemplos, digamos que es de 10 ohmios a 100 MHz, su salida baja a una línea de banda de 50 ohmios (o coaxial) y proporciona la terminación en el extremo receptor adecuado, reflexiones se minimizan. Sé que en la universidad dicen que su salida debe 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 se deben considerar con una impedancia de traza de 50 Ω?

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

2) No se preocupe por las trazas que se irradian si pasa por encima de un plano de referencia. En cambio, preocúpese por cuándo la señal deja 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 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 brindan la misma impedancia.

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

Dimensiones > 1/10 de longitud de onda de la frecuencia o armónico más alto. Eso no significa que el circuito dejará de funcionar a 2/10 de longitud de onda. Depende de la sensibilidad del circuito.

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

Hay diferentes reglas generales dependiendo de lo que le preocupe que se irradiará el rastro. Un circuito de RF siempre irradiará. Imagine la señal guiada por la traza, que no existe dentro de la traza. La señal en un rastro puede saltar a otro rastro si están lo suficientemente cerca. La mayoría de la gente llama a esto acoplamiento. Para minimizar el acoplamiento, separe las trazas en al menos 2* (distancia al plano de referencia). Se puede utilizar una pared de vías para garantizar que dos trazas estén aisladas entre sí.

Hay algunas reglas generales para minimizar la cantidad de trazas que irradia fuera del circuito y va a otro lugar. - Asegúrese de que todos los rastros terminen en algo. Una traza de 1/4 de onda hace una antena decente, si un extremo está abierto. - Evitar discontinuidades. Piense en un rastro como una carretera. Si vas a 70 mph y haces un giro de 90 grados, no podrás seguir la carretera. Lo mismo ocurre con las señales de alta frecuencia.

Si una señal se irradia lejos de un circuito, puede estar contenida en una caja de metal o absorbida. Stripline y coaxial tienen metal que contiene señales de RF. Los tableros sin una capa superior sólida de metal generalmente se cubren con una carcasa de metal. La distancia entre la placa y la carcasa metálica suele ser inferior a la mitad de la longitud de onda para atenuar las señales radiadas y evitar que sucedan otras cosas extrañas. También puede comprar materiales diseñados para absorber señales de RF, para que no reboten por todos lados.

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