Hướng dẫn định tuyến cho PCB RF

Trong vài năm gần đây, thiết kế PCB đã trở thành một nhiệm vụ ngày càng khó khăn, trong hầu hết các trường hợp, chủ yếu là do sự hiện diện kết hợp của tín hiệu kỹ thuật số, hỗn hợp và tần số vô tuyến (RF). Nói chung, một bảng mạch in có thể được coi là thuộc loại RF khi tần số của các tín hiệu liên quan cao hơn, ít nhất là 100 MHz. Bố cục và định tuyến của PCB RF yêu cầu một số cân nhắc đặc biệt và cách tiếp cận khác với cách tiếp cận được sử dụng cho PCB tần số thấp. Với tần số ngày càng tăng, bước sóng của tín hiệu RF trở nên tương đương với kích thước hình học của trace; do đó, cần phải coi toàn bộ mạch là một hệ thống tham số phân tán, xem xét cả biên độ và sự dịch pha mà tín hiệu trải qua dọc theo đường truyền để tránh phản xạ tín hiệu có thể xảy ra.

HƯỚNG DẪN CHÍNH

Khía cạnh đầu tiên cần xem xét trong quá trình định tuyến tín hiệu RF liên quan đến kết hợp trở kháng. Trên thực tế, một mạch không khớp trở kháng không chỉ tạo ra tổn thất điện năng đáng kể mà còn tạo ra phản xạ tín hiệu nguy hiểm dọc theo trace PCB. Định lý truyền công suất cực đại nói rằng công suất truyền là cực đại khi điện trở tải bằng điện trở trong của nguồn. Mở rộng sang lĩnh vực dòng điện xoay chiều, định lý phát biểu rằng trở kháng của tải phải là liên hợp phức tạp của trở kháng nguồn. Do đó, để tối đa hóa việc truyền tải điện năng, điều cần thiết là phải xem xét kết hợp trở kháng. Vì hầu hết các hệ thống và mô-đun RF có trở kháng 50 Ω, tốt hơn là các trace của PCB RF có trở kháng đặc trưng là 50 Ω. Hai loại trace thường được sử dụng trên PCB là Microstrip, trong đó các trace được đặt trên các lớp bên ngoài của PCB (thường ở trên mặt phẳng đất) và Stripline, trong đó mỗi trace được kẹp giữa hai mặt phẳng nối đất. Hình 1 cho thấy hai loại trace: một khi trở kháng Z được cố định ở 50 Ω, có thể tính chiều rộng W như một hàm của độ dày T và khoảng cách H giữa trace và mặt phẳng tham chiếu (thường là mặt phẳng đất), sử dụng các công thức có trong trong tiêu chuẩn IPC2141A.

Hình 1: Đường truyền microstrip và stripline

Theo nguyên tắc chung, chúng ta có thể nói rằng chiều rộng của một trace trở nên phù hợp khi chiều dài của nó lớn hơn một phần mười bước sóng của tín hiệu chạy qua nó. Chẳng hạn, tần số f = 1 GHz tương ứng với bước sóng λ = c/f  = 30 cm (trong đó c là tốc độ ánh sáng trong chân không) và độ dài tới hạn của trace do đó bằng khoảng 3 cm. Tuy nhiên, trên PCB, tốc độ truyền tín hiệu nhỏ hơn tốc độ ánh sáng; đặc biệt, nó giảm theo bình phương của hằng số điện môi tương đối của vật liệu, trong trường hợp của FR-4 là xấp xỉ 4,3. Do đó, độ dài tới hạn ở 1 GHz trở thành xấp xỉ 16 mm: mỗi trace (hay đúng hơn là mỗi đường truyền) có độ dài lớn hơn giá trị này sẽ có chiều rộng được tính toán chính xác. Các đường dây truyền tải phải được giữ thẳng càng lâu càng tốt. Đối với nhu cầu định tuyến, cần phải chuyển hướng, nên sử dụng bán kính cong bằng ít nhất ba lần chiều rộng của vạch, như thể hiện trong hình ảnh bên trái của Hình 2. Bằng cách đó, sự thay đổi trong trở kháng đặc tính được giảm thiểu dọc theo toàn bộ độ cong. Nếu không thể đặt dấu cong, định tuyến sẽ áp dụng góc vuông tròn, như được chỉ ra trong hình bên phải của Hình 2.

Hình 2: Định tuyến các trace cong.

Khi vì nhu cầu bố trí, một đường dây truyền tải phải chiếm nhiều lớp thì cần phải luồn qua các lỗ, sử dụng ít nhất hai lỗ cho mỗi lần chuyển tiếp để giảm thiểu tải điện cảm. Ngoài ra, việc lựa chọn chính xác kích thước các thành phần SMD cũng rất quan trọng, vì chúng có sẵn trên thị trường với nhiều lựa chọn định dạng. Đối với các thành phần SMD thụ động (điện trở và tụ điện), một quy tắc thường được sử dụng là chọn các thành phần có chiều rộng tương đương với chiều rộng của trace có trở kháng 50 Ω, do đó giảm các vấn đề về khớp trở kháng giữa trace và pad của linh kiện.

Một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến định tuyến là lựa chọn stack-up, đó là số lượng và loại lớp tạo nên mạch in. PCB RF thường bao gồm 2 hoặc 4 lớp, nhưng trong một số trường hợp, chúng có thể đạt tới 8 lớp. PCB hai mặt có các linh kiện và trace ở lớp trên, trong khi lớp dưới được sử dụng làm mặt phẳng đất, cung cấp đường dẫn ngắn nhất cho dòng trở về trên mặt phẳng đất. PCB hai mặt là một giải pháp rất tiết kiệm chi phí, nhưng nó yêu cầu định tuyến và sắp xếp linh kiện rất cẩn thận do không gian có sẵn hạn chế. Độ dày của PCB hai mặt thường nằm trong khoảng từ 0,8 đến 1 mm, vì độ dày lớn hơn sẽ dẫn đến (dựa trên những gì đã nói trước đây về trở kháng) độ rộng quá mức của trace. PCB 4 lớp hỗ trợ rất nhiều cho việc định tuyến, với nhiều không gian hơn cho các linh kiện và khả năng tạo cả mặt phẳng plane đất và mặt phẳng plane nguồn.

Stack-up được đề xuất được hiển thị trong Hình 3. Lưu ý cách trong cấu trúc này, mặt phẳng plane đất sẽ luôn xuất hiện bên dưới lớp trên cùng, lớp này chứa các linh kiện và trace. PCB 4 lớp, nhờ độ dày lớn hơn, cũng mang lại độ bền và khả năng chống cơ học cao hơn cho mạch.

Hình 3: Stack-up PCB 4 lớp

Tham khảo cách bố trí của Hình 3, chúng ta cần đảm bảo rằng tín hiệu RF được cách ly đúng cách, tránh ghép nối không mong muốn với các tín hiệu khác. Điều này chủ yếu ảnh hưởng đến đường truyền tần số vô tuyến (ví dụ: đường Rx và Tx của bộ thu phát không dây), tín hiệu tần số cao (ví dụ: tín hiệu clock hoặc PLL) và đường dây điện. Cũng cần phải đặt các tụ điện decoupling càng gần càng tốt với mỗi chân hoặc điểm phân phối của V_CC. Chức năng của chúng là cung cấp đường trở kháng thấp cho nhiễu tần số cao. Điện dung của các tụ điện này sẽ được chọn theo tần số của tín hiệu RF truyền qua mạch, lưu ý rằng điều quan trọng là phải biết tham số SRF (tần số tự cộng hưởng), vì trên giá trị này, tụ điện hoạt động như một cuộn cảm và do đó không còn có thể thực hiện chức năng decoupling hoặc bypass.

Như thể hiện trong Hình 3, thực tế phổ biến là sử dụng một mặt phẳng plane liên tục, vững chắc (không bị gián đoạn), được đặt ngay bên dưới lớp trên nơi đặt các linh kiện và đường truyền. Tín hiệu RF, được đặc trưng bởi các sườn rise time rất dốc, yêu cầu một mặt phẳng đất được đặt ở lớp lân cận ngay lập tức, có khả năng mang dòng điện trở lại. Nếu điều này không được thực hiện, các vòng lặp dòng điện có thể được tạo ra với bức xạ tín hiệu không mong muốn và do đó làm méo tín hiệu RF. Ngay cả sự gián đoạn nhỏ nhất trong mặt phẳng mặt đất cũng khiến tín hiệu quay lại đi theo một đường khác, gây ra các vấn đề nghiêm trọng về tín hiệu. Chính vì lý do này mà các trace Microstrip được sử dụng, có thể kiểm soát độ rộng và khoảng cách từ mặt phẳng tham chiếu để thu được giá trị trở kháng chính xác giúp giảm thiểu phản xạ tín hiệu. Một mặt phẳng đất vững chắc cũng cho phép, thông qua các lỗ via đặc biệt, kết nối dễ dàng với đất của các pad. Theo nguyên tắc chung, khoảng cách giữa hai lỗ via được nối với đất không được vượt quá một phần mười bước sóng của tần số hoạt động tối đa trong mạch. Ví dụ: nếu tần số hoạt động tối đa là 2,4 GHz, thì các lỗ via phải cách nhau 6 mm.

Mặt phẳng đất cũng thực hiện một chức năng phụ quan trọng, đó là cung cấp một phương tiện hiệu quả để tản nhiệt. Về vấn đề này, trong trường hợp này cũng cần chèn một số lỗ xuyên thích hợp, có thể xuyên qua các lỗ xuyên để xuyên qua tất cả các lớp của PCB và được phủ bên trong bằng keo tản nhiệt dẫn điện để cải thiện khả năng quản lý nhiệt.