Leiterplatte Blog - Wie man HF-Schaltungen und digitale Schaltungen auf einer Leiterplatte platziert

Sie können auf einem kleinen Leiterplatte und werden im drahtlosen digitalen Audio verwendet, digitale Videodatenübertragungssysteme, drahtlose Fernsteuerungs- und Telemetriesysteme, drahtlose Datenerfassungssysteme, Drahtlose Netzwerke und drahtlose Sicherheitssysteme und viele andere Bereiche.Das Single-Chip-Hochfrequenzgerät erleichtert die, und eine vollständige drahtlose Kommunikationsverbindung kann gebildet werden, indem.

1. Potential conflicts between digital circuits and analog circuits
If the analog circuit (RF) and the digital circuit (microcontroller) work separately, sie/Sie arbeiten fein, aber sobald sie auf der gleichen Platine platziert sind und von der gleichen Stromversorgung laufen, Das gesamte System ist wahrscheinlich instabil . This is mainly because the digital signal frequently swings between the ground and the positive power supply (3 V 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. So the difference between the digital signal and the RF signal will be 10-6 (120 dB). Offensichtlich, wenn das digitale Signal nicht gut vom Hochfrequenzsignal getrennt ist, Das schwache Hochfrequenzsignal kann beschädigt werden, so dass die Arbeitsleistung des drahtlosen Geräts verschlechtert wird, oder sogar völlig arbeitsunfähig.

2. Common problems with RF circuits and digital circuits on the same PCB
Insufficient isolation of sensitive and noisy signal lines is a common problem. Wie oben erwähnt, Digitale Signale haben hohe Schwingungen und enthalten viele Hochfrequenzschwingungen. Wenn das digitale Signalrouting auf einer Leiterplatte neben empfindlichen analogen Signalen liegt, Hochfrequenzschwingungen können durch. Sensitive nodes of RF devices are usually the phase-locked loop (PLL) loop filter circuit, external voltage-controlled oscillator (VCO) inductance, Kristallreferenzsignal- und Antennenanschlüsse, und diese Teile des Schaltkreises sollten mit besonderer Sorgfalt behandelt werden.

(1) Power supply noise
Since the input/Ausgangssignale haben Schwankungen von mehreren Volt, digital circuits are generally acceptable for power supply noise (less than 50 mV). Analoge Schaltungen, auf der anderen Seite, sind sehr empfindlich gegenüber Stromversorgungsgeräuschen, insbesondere Störspannungen und andere Hochfrequenzschwingungen. Daher, the routing of power lines on PCB containing RF (or other analog) circuits must be done more carefully than on ordinary digital boards, und automatisches Routing sollte vermieden werden. It should also be noted that a microcontroller (or other digital circuit) will suddenly draw most of the current for a short period of time during each internal clock cycle, da moderne Mikrocontroller auf einem CMOS-Prozess ausgelegt sind. Daher, Annahme eines Mikrocontrollers, der mit einer internen Taktfrequenz von 1 MHz läuft, it will draw (pulse) current from the power supply at this frequency, was unweigerlich Spannungsstörungen an der Stromversorgungsleitung verursachen wird, wenn keine ordnungsgemäße Entkopplung vorgenommen wird. Wenn diese Spannungsstörungen die Power Pins des HF-Teils der Schaltung erreichen, es kann ernsthaft zu Arbeitsausfällen führen, Daher muss sichergestellt werden, dass die analogen Stromleitungen vom digitalen Schaltungsbereich getrennt sind.

(2) Unreasonable ground wire
RF circuit boards should always have a ground plane connected to the negative side of the power supply, was zu seltsamem Verhalten führen kann, wenn nicht richtig gehandhabt. Dies kann für einen digitalen Schaltungsdesigner schwierig zu verstehen sein, da die meisten digitalen Schaltungen auch ohne Erdungsebene gut funktionieren. Im HF-Frequenzband, Selbst ein sehr kurzer Draht kann wie eine Induktivität wirken. Grob berechnet, Die Induktivität pro mm Länge beträgt etwa 1 nH, und die Induktivität einer 10-mm-Leiterplattenleitung bei 434 MHz beträgt etwa 27 Ω. Ohne Bodenfläche, Die meisten Erdungsleitungen sind lang und die Schaltung kann die Konstruktionseigenschaften nicht garantieren.

(3) Radiation from the antenna to other analog parts
In circuits containing RF and other parts, das wird oft übersehen. Neben der HF-Sektion, Es gibt normalerweise andere analoge Schaltungen auf der Platine. Zum Beispiel, many microcontrollers have built-in analog-to-digital converters (ADCs) for measuring analog inputs as well as battery voltage or other parameters. If the RF transmitter's antenna is located near (or on) this PCB, Das emittierte Hochfrequenzsignal kann den Analogeingang des ADC erreichen. Vergessen Sie nicht, dass jede Schaltungsleitung HF-Signale wie eine Antenne senden oder empfangen kann. Wenn der ADC-Eingang nicht richtig verarbeitet wird, Das HF-Signal kann sich in der ESD-Diode des ADC-Eingangs selbst anregen, Auslöser des ADC zum Driften.

3. Solution A with RF circuit and digital circuit on the same PCB
Some general design and routing strategies in most RF applications are given below. Allerdings, Es ist wichtiger, die Routing-Empfehlungen für HF-Geräte in realen Anwendungen zu befolgen.

(1) A reliable ground plane
When designing a PCB with RF components, Es sollte immer eine zuverlässige Bodenfläche verwendet werden. Sein Zweck ist es, einen effektiven 0-V-Potentialpunkt in der Schaltung zu etablieren, Einfache Entkopplung aller Geräte. Die 0-V-Klemme der Stromversorgung sollte direkt an diese Masseebene angeschlossen werden. Aufgrund der geringen Impedanz der Masseebene, Es wird keine Signalkopplung zwischen den beiden entkoppelten Knoten geben. Dies ist sehr wichtig, da die Amplituden mehrerer Signale auf der Platine um 120dB variieren können. Auf einer oberflächenmontierten Leiterplatte, Die gesamte Signalführung befindet sich auf der gleichen Seite der Bauteilmontagefläche, und die Bodenebene ist auf der gegenüberliegenden Seite. The ideal ground plane should cover the entire PCB (except under the antenna PCB). Wenn mehr als zwei Schichten PCB verwendet werden, the ground layer should be placed on the layer adjacent to the signal layer (such as the next layer on the component side). Ein weiterer guter Ansatz besteht darin, auch die leeren Teile der Signalleitungsschichten mit Masseebenen zu füllen., die über mehrere Durchkontaktierungen mit der Hauptbodenebene verbunden werden muss. Es sollte beachtet werden, dass die Existenz des Erdungspunktes die Änderung der Induktivitätsmerkmale daneben verursacht, Die Auswahl des Induktivitätswertes und die Anordnung der Induktivität müssen sorgfältig geprüft werden.

(2) Shorten the connection distance to the ground layer
All connections to ground planes must be kept as short as possible, and ground vias should be placed at (or very close to) the component pads. Lassen Sie niemals zwei Erdsignale eine Erdung teilen über, da dies aufgrund der Durchgangsimpedanz zu Übersprechen zwischen den beiden Pads führen kann.

(3) RF decoupling
Decoupling capacitors should be placed as close to the pins as possible, An jedem Pin, der entkoppelt werden muss, sollte Kondensator- und Kondensator-Entkopplung verwendet werden. Verwendung hochwertiger Keramikkondensatoren, der dielektrische Typ ist "NPO", "X7R" wird auch in den meisten Anwendungen gut funktionieren. Der ideale Kondensatorwert sollte so gewählt werden, dass seine Reihenresonanz gleich der Signalfrequenz ist. Zum Beispiel, bei 434 MHz, Ein SMD montierter 100 pF Kondensator funktioniert gut. Bei dieser Frequenz, Der kapazitive Reaktanz des Kondensators beträgt etwa 4 Ω, und die induktive Reaktanz des Durchgangs liegt im gleichen Bereich. Die Kondensatoren und Durchkontaktierungen in Serie bilden einen Notchfilter für die Signalfrequenz, Ermöglichung einer wirksamen Entkopplung. Bei 868 MHz, Ein 33 pF Kondensator ist eine ideale Wahl. Zusätzlich zum Kleinwertkondensator zur HF-Entkopplung, Ein Großwertkondensator sollte ebenfalls an der Stromleitung angebracht werden, um niedrige Frequenzen zu entkoppeln. Wählen Sie ein 2.2 μF Keramik oder 10 μF Tantal Kondensator.

(4) Star wiring of power supply
Star wiring is a well-known trick in analog circuit design. Sternverdrahtung.Jedes Modul auf der Platine hat seine eigene Stromleitung von einem gemeinsamen Stromversorgungspunkt. In diesem Fall, Sternrouting bedeutet, dass die digitalen und HF-Teile der Schaltung ihre eigenen Stromversorgungsleitungen haben sollten, die getrennt in der Nähe des IC entkoppelt werden sollten. This is a spacer from a number
Partial and efficient approach to power supply noise from the RF part. Wenn ein Modul mit starkem Rauschen auf der gleichen Platine platziert wird, an inductor (magnetic bead) or a small-value resistor (10 Ω) can be connected in series between the power line and the module, und ein Tantalkondensator von mindestens 10 μF muss für diese verwendet werden. Entkopplung der Stromversorgung für das Modul. Solche Module sind RS 232 Treiber oder Schaltleistungsregler.

(5) Reasonable arrangement of Leiterplatte layout
In order to reduce the interference from the noise module and the surrounding analog parts, Das Layout jedes Schaltungsmoduls auf der Platine ist wichtig. Sensitive modules (RF section and antenna) should always be kept away from noisy modules (microcontroller and RS 232 driver) to avoid interference.

(6) Shield the influence of RF signal on other analog parts
As mentioned above, HF-Signale können andere empfindliche analoge Schaltungsblöcke wie ADCs stören, wenn sie übertragen werden. Most problems occur in lower operating frequency bands (eg 27 MHz) and high power output levels. It is a good design practice to decouple sensitive points with RF decoupling capacitors (100p F) connected to ground.

(7) Special Considerations for On-Board Loop Antennas
The antenna can be made on the PCB as a whole. Im Vergleich zur traditionellen Peitschenantenne, es spart nicht nur Platz und Produktionskosten, aber ist auch stabiler und zuverlässiger im Mechanismus. Konventionell, Schleifenantennendesigns werden für relativ schmale Bandbreiten verwendet, die helfen, unerwünschte starke Signale von Störung des Empfängers zu unterdrücken. It should be noted that loop antennas (like all other antennas) may receive noise capacitively coupled from nearby noisy signal lines. Es stört den Empfänger und kann auch die Modulation des Senders beeinflussen. Daher, Digitale Signalleitungen dürfen nicht in der Nähe der Antenne geführt werden, und es wird empfohlen, freien Platz um die Antenne zu halten. Alles in der Nähe der Antenne wird Teil des Tuning-Netzwerks, die Antenne von der vorgesehenen Frequenz abstimmt, reducing the transmit and receive radiation range (distance). Diese Tatsache muss für alle Arten von Antennen beachtet werden, the enclosure (peripheral packaging) of the circuit board may also affect the antenna tuning. Zur gleichen Zeit, Es sollte darauf geachtet werden, die Bodenebene am Antennenbereich zu entfernen, sonst funktioniert die Antenne nicht effektiv.


4 Conclusion
The rapidly developing radio frequency integrated circuits provide the possibility for engineers and technicians engaged in the design of wireless digital audio and video data transmission systems, Funkfernbedienung, Telemetriesysteme, drahtlose Datenerfassungssysteme, Drahtlose Netzwerke und drahtlose Sicherheitssysteme zur Lösung des Engpässes drahtloser Anwendungen. . Zur gleichen Zeit, Das Design von HF-Schaltungen erfordert von Designern bestimmte praktische Erfahrung und Engineering Leiterplatte Konstruktionsmöglichkeiten.