PCB-Neuigkeiten - Wie leben HF-Schaltungen und digitale Schaltungen in Harmonie auf derselben Leiterplatte?

Wie leben HF-Schaltungen und digitale Schaltungen in Harmonie auf derselben PCB?
Das Einzelchip-Hochfrequenzgerät erleichtert die Anwendung im Bereich der drahtlosen Kommunikation innerhalb eines bestimmten Bereichs erheblich. Eine vollständige drahtlose Kommunikationsverbindung kann durch Verwendung eines geeigneten Mikrocontrollers und einer Antenne in Kombination mit dem Transceivergerät hergestellt werden. Sie können auf einem kleinen Leiterplatte und in vielen Bereichen wie drahtlosen digitalen Audio- und digitalen Video-Datenübertragungssystemen verwendet, drahtlose Fernsteuerungs- und Telemetriesysteme, drahtlose Datenerfassungssysteme, drahtlose Netzwerke, und drahtlose Sicherheitssysteme.

1 Potential contradictions between digital circuits and analog circuits

If the analog circuit (RF) and the digital circuit (microcontroller) work separately, sie/Sie arbeiten gut, aber sobald die beiden auf der gleichen Leiterplatte und arbeiten mit dem gleichen Netzteil zusammen, Das gesamte System ist wahrscheinlich instabil . This is mainly because the digital signal frequently swings between the ground and the positive power supply (3V in size), und die Periode ist sehr kurz, oft in der ns-Ebene. Durch die größere Amplitude und die geringere Schaltzeit, Diese digitalen Signale enthalten eine Vielzahl von hochfrequenten Komponenten, die unabhängig von der Schaltfrequenz sind. Im analogen Teil, Das Signal, das von der Antenneneinstimmungsschleife an den Empfangsteil des drahtlosen Geräts gesendet wird, ist im Allgemeinen kleiner als 1μV. Daher, the difference between the digital signal and the radio frequency signal will reach 10-6 (120dB). Offensichtlich, wenn das Digitalsignal und das Hochfrequenzsignal nicht gut getrennt werden können, das schwache Hochfrequenzsignal kann zerstört werden. Auf diese Weise, die Arbeitsleistung des drahtlosen Geräts verschlechtert sich oder gar nicht funktioniert.

2 Gemeinsame Probleme der HF-Schaltung und der digitalen Schaltung auf der gleichen Leiterplatte

Unzureichende Isolierung empfindlicher Leitungen und rauschender Signalleitungen ist ein häufiges Problem. Wie oben erwähnt, Das digitale Signal hat einen hohen Schwung und enthält eine große Anzahl von Hochfrequenzschwingungen. Wenn die digitale Signalverdrahtung auf der Leiterplatte is adjacent to the sensitive analog signal, Hochfrequenzschwingungen können durch. The most sensitive nodes of RF devices are usually the loop filter circuit of the phase-locked loop (PLL), the external voltage-controlled oscillator (VCO) inductor, das Kristallreferenzsignal und die Antennenanschluss. Diese Teile des Schaltkreises sollten mit besonderer Sorgfalt behandelt werden.

(1) Stromversorgungsgeräusche

Da das Eingangs-/Ausgangssignal einen Schwung von mehreren V hat, ist die digitale Schaltung allgemein akzeptabel für Stromversorgungsgeräusche (weniger als 50mV). Die analoge Schaltung ist sehr empfindlich auf Stromversorgungsgeräusche, insbesondere auf Störspannung und andere Hochfrequenzschwingungen. Daher muss die Stromleitung auf der Leiterplatte, die die HF (oder andere analoge) Schaltung enthält, vorsichtiger sein als die Verkabelung auf der gewöhnlichen digitalen Leiterplatte, und automatische Verkabelung sollte vermieden werden. Gleichzeitig sollte beachtet werden, dass der Mikrocontroller (oder eine andere digitale Schaltung) plötzlich den größten Teil des Stroms innerhalb eines kurzen Zeitraums innerhalb jedes internen Taktzyklus zieht. Denn moderne Mikrocontroller sind mit CMOS-Technologie ausgelegt. Wenn also ein Mikrocontroller mit einer internen Taktfrequenz von 1MHz läuft, wird er bei dieser Frequenz (Impuls-) Strom aus dem Netzteil ziehen. Wenn keine ordnungsgemäße Entkopplung der Stromversorgung vorgenommen wird, führt dies unweigerlich zu einem Spannungsfehler an der Stromleitung. Wenn diese Spannungsgrate die Stromversorgungsstifte des HF-Teils der Schaltung erreichen, können sie in schweren Fällen zu einem Arbeitsausfall führen. Daher ist es notwendig, sicherzustellen, dass die analoge Stromleitung vom digitalen Schaltungsbereich getrennt ist.

(2) Unvernünftiger Erdungsdraht

Die HF-Leiterplatte sollte immer eine Masseschicht haben, die mit der negativen Elektrode des Netzteils verbunden ist. Wenn es nicht richtig behandelt wird, können einige seltsame Phänomene auftreten. Für einen digitalen Schaltungsdesigner kann dies schwierig zu verstehen sein, da die meisten digitalen Schaltungsfunktionen auch ohne Erdungsebene gut funktionieren. Im HF-Frequenzband wirkt sogar ein kurzer Draht wie ein Induktor. Grobe Berechnung, die Induktivität pro mm Länge ist etwa 1nH, und die Induktivität einer 10mmPCB Schaltung bei 434MHz ist etwa 27Ω. Wenn die Erdungskabelschicht nicht verwendet wird, sind die meisten Erdungskabel länger und die Schaltung kann die Konstruktionseigenschaften nicht garantieren.

(3) Strahlung der Antenne auf andere analoge Teile

In Schaltungen, die Hochfrequenz und andere Teile umfassen, wird dies oft übersehen. Neben dem HF-Teil befinden sich in der Regel weitere analoge Schaltungen auf der Platine. Viele Mikrocontroller verfügen beispielsweise über eingebaute Analog-Digital-Wandler (ADC), um analoge Eingänge und Batteriespannung oder andere Parameter zu messen. Wenn sich die Antenne des HF-Senders in der Nähe dieser Leiterplatte (oder auf dieser Leiterplatte) befindet, kann das gesendete Hochfrequenzsignal den analogen Eingang des ADC erreichen. Vergessen Sie nicht, dass jede Schaltungsleitung HF-Signale wie eine Antenne senden oder empfangen kann. Wenn die ADC-Eingangsklemme nicht ordnungsgemäß verarbeitet wird, kann sich das HF-Signal im ESD-Diodeneingang durch den ADC selbst erregen und ADC-Abweichungen verursachen.

3 Die Lösung der HF-Schaltung und der digitalen Schaltung auf der gleichen Leiterplatte

Einige allgemeine Design- und Verdrahtungsstrategien in den meisten HF-Anwendungen sind unten gegeben. Wichtiger ist es jedoch, die Routing-Empfehlungen für HF-Geräte in realen Anwendungen zu befolgen.

(1) Eine zuverlässige Bodenfläche

Bei der Konstruktion einer Leiterplatte mit HF-Komponenten sollte immer eine zuverlässige Masseebene verwendet werden. Sein Zweck ist es, einen effektiven 0V-Potentialpunkt in der Schaltung zu etablieren, so dass alle Geräte leicht entkoppelt werden können. Die 0V-Klemme des Netzteils sollte direkt an diese Masseebene angeschlossen werden. Aufgrund der geringen Impedanz der Masseebene gibt es keine Signalkopplung zwischen den beiden entkoppelten Knoten. Es ist sehr wichtig, dass sich die Amplitude mehrerer Signale auf der Platine um 120dB unterscheiden kann. Auf einer oberflächenmontierten Leiterplatte befindet sich die gesamte Signalverdrahtung auf der gleichen Seite der Bauteilmontagefläche, und die Erdungsschicht befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite. Die ideale Masseebene sollte die gesamte Leiterplatte abdecken (außer unterhalb der Antennenplatte). Wenn eine Leiterplatte mit mehr als zwei Schichten verwendet wird, sollte die Masseschicht auf die an die Signalschicht angrenzende Schicht gelegt werden (z. B. die Schicht unter der Bauteiloberfläche). Eine weitere gute Methode besteht darin, den leeren Teil der Signalverdrahtungsschicht mit Erdungsebenen zu füllen. Diese Masseebenen müssen über mehrere Durchgänge mit der Hauptgrundebene verbunden werden. Es sollte beachtet werden, dass das Vorhandensein des Erdungspunktes dazu führt, dass sich die nahe gelegenen Induktivitätsmerkmale ändern, so dass die Auswahl des Induktivitätswertes und die Platzierung der Induktivität sorgfältig geprüft werden müssen.

(2) Verkürzen Sie den Verbindungsabstand mit der Erdungsebene

Alle Verbindungen zur Masseebene müssen so kurz wie möglich sein, und die Masseverbindungen sollten (oder sehr nahe) an den Bauteilpads platziert werden. Lassen Sie niemals zwei Erdsignale eine Erdung über teilen. Dies kann aufgrund der Durchgangsimpedanz zu Übersprechen zwischen den beiden Pads führen.

(3) HF-Entkopplung

Entkopplungskondensatoren sollten so nah wie möglich an den Pins platziert werden, und Kondensatoren sollten für die Entkopplung an jedem Pin verwendet werden, der entkoppelt werden muss. Unter Verwendung hochwertiger Keramikkondensatoren ist der beste dielektrische Typ "NPO". "X7R" kann auch in den meisten Anwendungen gut funktionieren. Die ideale Wahl des Kondensatorwertes sollte die Reihenresonanz gleich der Signalfrequenz machen. Zum Beispiel bei 434MHz funktionieren SMD montierte 100pF Kondensatoren gut. Bei dieser Frequenz beträgt der kapazitive Reaktanz des Kondensators etwa 4Ω, und der induktive Reaktanz des Durchgangs liegt ebenfalls im gleichen Bereich. Die Serienkondensatoren und Durchkontaktierungen bilden einen Notchfilter für die Signalfrequenz, so dass diese effektiv entkoppelt werden kann. Bei 868MHz ist ein 33pF Kondensator eine ideale Wahl. Neben dem Kleinwertkondensator zur HF-Entkopplung sollte auch ein Großwertkondensator an der Stromleitung platziert werden, um die Niederfrequenz zu entkoppeln. Sie können einen 2.2μF Keramik oder 10μF Tantal Kondensator wählen.

(4) Sternverdrahtung der Stromversorgung

Sternverdrahtung ist eine bekannte Technik im analogen Schaltungsdesign (wie in Abbildung 1 gezeigt). Sternverdrahtung – jedes Modul auf der Leiterplatte hat eine eigene Stromversorgungsleitung vom gemeinsamen Stromversorgungspunkt. In diesem Fall bedeutet Sternverdrahtung, dass der digitale Teil und der HF-Teil der Schaltung ihre eigenen Stromleitungen haben sollten, und diese Stromleitungen sollten getrennt in der Nähe des IC entkoppelt werden. Dies ist ein effektiver Weg, um Stromversorgungsgeräusche vom digitalen Teil und vom HF-Teil zu trennen. Wird ein Modul mit starkem Rauschen auf derselben Platine platziert, kann zwischen der Stromleitung und dem Modul ein Induktor (Magnetperle) oder ein kleiner Widerstandswiderstand (10Ω) in Reihe geschaltet werden, und für diese Module muss ein Tantalkondensator von mindestens 10μF verwendet werden. Solche Module sind RS 232 Treiber oder Schaltnetzregler.

(5) Arrange Leiterplattenlayout reasonably

Um die Störungen durch das Rauschmodul und die umliegenden analogen Teile zu reduzieren, ist das Layout jedes Schaltungsmoduls auf der Platine wichtig. Halten Sie empfindliche Module (HF-Teil und Antenne) immer von Rauschmodulen (Mikrocontroller und RS-232-Treiber) fern, um Störungen zu vermeiden.

(6) Abschirmung des Einflusses des HF-Signals auf andere analoge Teile

Wie oben erwähnt, verursachen HF-Signale Störungen zu anderen empfindlichen analogen Schaltungsmodulen wie ADCs, wenn sie gesendet werden. Die meisten Probleme treten in niedrigeren Betriebsfrequenzbändern (wie 27MHz) und hohen Leistungsniveaus auf. Es ist eine gute Konstruktionspraxis, einen HF-Entkopplungskondensator (100pF) an Masse anzuschließen, um empfindliche Punkte zu entkoppeln.

(7) Besondere Erwägungen für Bordschleifenantennen

Die Antenne kann auf dem PCB. Im Vergleich zur traditionellen Peitschenantenne, es spart nicht nur Platz und Produktionskosten, aber ist auch stabiler und zuverlässiger im Mechanismus. Konventionell, Schleifenantennendesign wird auf eine relativ schmale Bandbreite angewendet, Das hilft, unerwünschte starke Signale zu unterdrücken, um den Empfänger nicht zu stören. It should be noted that loop antennas (just like all other antennas) may receive noise capacitively coupled by nearby noise signal lines. Es stört den Empfänger und kann auch die Modulation des Senders beeinflussen. Daher, Sie dürfen keine digitalen Signalleitungen in der Nähe der Antenne verlegen, und es wird empfohlen, freien Platz um die Antenne zu halten. Jedes Objekt in der Nähe der Antenne bildet einen Teil des Tuning-Netzwerks, which will cause the antenna tuning to deviate from the expected frequency point and reduce the transmission and reception radiation range (distance). Für alle Arten von Antennen, attention must be paid to the fact that the shell (outer packaging) of the Leiterplatte kann auch die Antennenstimmung beeinflussen. Zur gleichen Zeit, Es sollte darauf geachtet werden, die Masseebene am Antennenbereich zu entfernen, sonst kann die Antenne nicht effektiv arbeiten.
(8) Connection of Leiterplatte
Wenn ein cable is used to connect the RF Leiterplatte zu einer externen digitalen Schaltung, Ein Twisted Pair Kabel sollte verwendet werden. Each signal wire must be twisted with the GND wire (DIN/GND, DOUT/GND, CS/GND, PWR _UP/GND). Denken Sie daran, den HF anzuschließen Leiterplatte und die digitale Anwendung Leiterplatte mit dem GND-Kabel eines Twisted-Pair-Kabels, und die Kabellänge sollte so kurz wie möglich sein. Der Stromkreis, der die HF mit Strom versorgt Leiterplatte must also be twisted with GND (VDD/GND).