Leiterplattentechnisch - Wie man HF-Schaltung und digitale Schaltung auf einer Leiterplatte installiert

Wie man HF-Schaltung und digitale Schaltung auf einer Leiterplatte installiert

Das Einzelchip-Hochfrequenzgerät erleichtert die Anwendung im Bereich der drahtlosen Kommunikation innerhalb eines bestimmten Maßstabs erheblich. Die Auswahl eines geeigneten Mikrocontrollers und Antennen und die Kombination dieses Transceivers kann eine vollständige drahtlose Kommunikationsverbindung bilden. Sie können auf einer kleinen Leiterplatte integriert und in vielen Bereichen wie drahtlose digitale Audio- und digitale Video-Datenübertragungssysteme, drahtlose Fernsteuerungs- und Telemetriesysteme, drahtlose Datenerfassungssysteme, drahtlose Netzwerke und drahtlose Sicherheitssysteme verwendet werden.

Potenzieller Gegensatz zwischen digitalen Schaltungen und Nachahmungsschaltungen

Angenommen, die Nachahmung der Schaltung (RF) und der digitalen Schaltung (Mikrocontroller) kann unabhängig voneinander funktionieren, aber sobald die beiden auf der gleichen Leiterplatte platziert sind und die gleiche Stromversorgung verwendet wird, um zusammenzuarbeiten, ist das gesamte System wahrscheinlich instabil.

Dies liegt vor allem daran, dass das digitale Signal häufig zwischen der Masse und der positiven Stromversorgung (3 V) schwankt und die Periode sehr kurz ist, oft im ns-Pegel. Aufgrund der größeren Amplitude und der kleineren Schaltzeit enthalten diese digitalen Signale viele hochfrequente Komponenten, die unabhängig von der Schaltfrequenz sind.

Im Nachahmungsteil ist das Signal, das von der Antennenstimmunschleife zum Empfangsteil des drahtlosen Geräts gesendet wird, im Allgemeinen kleiner als 1μV. Daher wird der Unterschied zwischen dem digitalen Signal und dem HF-Signal 10-6 (120 dB) erreichen.

Unter der Annahme, dass das digitale Signal und das Hochfrequenzsignal nicht gut unterschieden werden können, kann das schwache Hochfrequenzsignal natürlich beschädigt werden. Infolgedessen verschlechtert sich die Betriebsfunktion des drahtlosen Geräts oder funktioniert überhaupt nicht.

Häufige Probleme der HF-Schaltung und der digitalen Schaltung auf der gleichen Leiterplatte

Die Unfähigkeit, aktive Leitungen und Rauschsignalleitungen adäquat zu blockieren, ist ein häufiges Problem. Wie oben erwähnt, hat das digitale Signal einen hohen Schwung und enthält viele Hochfrequenzschwingungen.

Unter der Annahme des aktiven Analogsignals in der Nähe der digitalen Signalverdrahtung auf der Leiterplatte können Hochfrequenzschwingungen zuvor gekoppelt werden.

Der aktivste Knoten der HF-Vorrichtung ist im Allgemeinen die Schleifenfilterschaltung der phasenverriegelten Schleife (PLL), der externe spannungsgesteuerte Oszillator (VCO)-Induktor, das Kristallreferenzsignal und der Antennenanschluss. Diese Teile des Schaltkreises sollten mit besonderer Sorgfalt behandelt werden.

(1) Stromversorgungsgeräusche

Da das Eingangs-/Ausgangssignal eine Schwingung von mehreren Volt aufweist, können digitale Schaltungen in der Regel Stromversorgungsgeräusche vertragen (weniger als 50 mV). Während er die Schaltung imitiert, eignet er sich für Stromversorgungsgeräusche, insbesondere für Störspannung und andere Hochfrequenzschwingungen.

Daher muss die Stromleitung auf der Leiterplatte, die die HF-Schaltung (oder eine andere Nachahmung) enthält, vorsichtiger sein als die Verkabelung auf der allgemeinen digitalen Leiterplatte, und eine automatische Verkabelung sollte verhindert werden.

Gleichzeitig ist auch zu beachten, dass der Mikrocontroller (oder eine andere digitale Schaltung) plötzlich den größten Teil des Stroms in jedem internen Taktzyklus für kurze Zeit absinken wird. Denn moderne Mikrocontroller nutzen CMOS-Prozessplanung.

Wenn also ein Mikrocontroller mit einer internen Taktfrequenz von 1 MHz läuft, wird er bei dieser Frequenz (Impuls) Strom aus dem Netzteil ziehen. Wenn keine ordnungsgemäße Stromversorgungsentkopplung angenommen wird, verursacht dies unweigerlich einen Spannungsfehler an der Stromversorgungsleitung.

Unter der Annahme, dass diese Spannungsstörungen die Stromversorgungsstifte des HF-Teils der Schaltung erreichen, können sie zu einem schweren Ausfall des Betriebs führen. Daher ist es notwendig, sicherzustellen, dass die imitierende Stromleitung vom digitalen Schaltungsbereich getrennt ist.

(2) Unvernünftiger Erdungsdraht

Die HF-Leiterplatte sollte immer eine Masseebene haben, die mit dem Minuspol der Stromversorgung verbunden ist. Wenn es nicht richtig behandelt wird, können einige seltsame Phänomene auftreten.

Für einen digitalen Schaltungsplaner kann dies schwierig zu verstehen sein, denn auch ohne Masseebene sind die meisten digitalen Schaltungsfunktionen hervorragend.

Im HF-Frequenzband hat selbst ein sehr kurzer Draht den gleichen Effekt wie eine Induktivität. Grobe Berechnung, die Induktivität pro mm Länge ist etwa 1 nH, und die Induktivität einer 10-mm Leiterplattenschaltung bei 434 MHz beträgt etwa 27 Ω. Unter der Annahme, dass die Erdungsdrahtschicht nicht ausgewählt ist, werden die meisten Erdungsdrähte länger sein, und die Schaltung kann die geplanten Eigenschaften nicht garantieren.

(3) Strahlung von der Antenne zu anderen nachgeahmten Teilen

In Schaltungen, die Hochfrequenz und andere Teile umfassen, wird dies oft übersehen. Neben dem HF-Teil befinden sich im Allgemeinen andere 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.

Vorausgesetzt, dass sich die Antenne des HF-Senders in der Nähe dieser Leiterplatte (oder auf dieser Leiterplatte) befindet, kann das deklarierte Hochfrequenzsignal den Analogeingang des ADC erreichen. Vergessen Sie nicht, dass jede Schaltungsleitung HF-Signale wie eine Antenne ankündigen oder empfangen kann.

Unter der Annahme, dass die Verarbeitung des ADC-Eingangs unzumutbar ist, kann das HF-Signal in der ESD-Diode des ADC-Eingangs selbst angeregt werden und dann ADC-Fehler verursachen. HF-Schaltung und digitale Schaltung werden auf demselben PCB-Verarbeitungsschema hergestellt

Einige allgemeine Planungs- und Verdrahtungsstrategien in den meisten HF-Anwendungen sind unten aufgeführt. Wichtiger ist es jedoch, die Verdrahtungsempfehlungen für HF-Geräte in der Praxis zu befolgen.

(1) Eine zuverlässige Bodenfläche

Bei der Planung einer Leiterplatte mit HF-Komponenten sollten Sie immer eine zuverlässige Masseebene wählen. Sein Zweck ist es, einen nützlichen 0-V-Potentialpunkt in der Schaltung zu etablieren, so dass alle Geräte einfach entkoppelt werden.

Die 0-V-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 Amplituden mehrerer Signale auf der Platine um 120 dB unterscheiden können. Auf einer extern montierten Leiterplatte befindet sich die gesamte Signalverdrahtung auf der gleichen Seite der Bauteilgeräteoberfläche, und die Masseschicht ist nicht gut.

Die Erdungsebene der Aspiration sollte die gesamte Leiterplatte abdecken (außer unterhalb der Antennenplatte). Unter der Annahme, dass eine Leiterplatte mit mehr als zwei Schichten verwendet wird, sollte die Masseschicht auf die Schicht der nahe gelegenen Signalschicht (wie die Schicht unter der Bauteiloberfläche) gelegt werden.

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 die Existenz des Erdungspunktes dazu führt, dass sich die umgebenden Induktivitätsmerkmale ändern, so dass es notwendig ist, die Auswahl des Induktivitätswertes und die Platzierung der Induktivität sorgfältig zu prüfen.

(2) Verkürzen Sie den Verbindungsabstand mit der Masseschicht

Alle Verbindungen zur Masseschicht müssen so kurz wie möglich sein, und die Masseverbindungen sollten (oder sehr nahe) am Pad des Bauteils platziert werden. Lassen Sie niemals zwei Erdungssignale einen Erdungsdurchgang teilen, was aufgrund der Durchgangsimpedanz zu Übersprechen zwischen den beiden Pads führen kann.

(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.

Wählen Sie hochwertige Keramikkondensatoren. Der beste dielektrische Typ ist "NPO". "X7R" kann in den meisten Anwendungen gut funktionieren. Aspirationswahl des Kondensatorwertes sollte die Reihenresonanz gleich der Signalfrequenz machen.

Zum Beispiel bei 434 MHz, SMD montierte 100 p F Kondensatoren funktionieren gut. Bei dieser Frequenz beträgt der kapazitive Reaktanz des Kondensators etwa 4 Ω, und der induktive Reaktanz des Durchgangs ist ebenfalls auf der gleichen Skala. Die Kondensatoren und Durchkontaktierungen in Serie bilden in Bezug auf die Signalfrequenz einen Notchfilter, der für die Entkopplung nützlich ist.

Bei 868 MHz ist 33 p F Kapazität eine ehrgeizige Wahl. Neben dem Kleinwertkondensator zur HF-Entkopplung sollte auch ein Großwertkondensator an der Stromleitung platziert werden, um die Niederfrequenz zu entkoppeln. Es kann ein 2.2 μF Keramik- oder 10 μF Tantalkondensator gewählt werden.

(4) Sternverdrahtung der Stromversorgung

Die Sternverdrahtung ist nach einer bekannten Technik in der Schaltungsplanung modelliert. 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 in der Nähe des IC entkoppelt werden.

Dies ist eine nützliche Möglichkeit, um Netzrauschen vom digitalen Teil und vom HF-Teil zu isolieren.

Unter der Annahme, dass ein Modul mit starkem Rauschen auf derselben Platine platziert ist, kann eine Induktivität (magnetische Perle) oder ein kleiner Widerstandswiderstand (10 Ω) in Reihe zwischen der Stromleitung und dem Modul geschaltet werden, und es ist notwendig, einen Tantalkondensator von mindestens 10 μF als Kondensator zu verwenden. Die Stromversorgung dieser Module ist entkoppelt. Solche Module sind RS 232 Treiber oder Schaltnetzregler.

(5) PCB-Layout vernünftig anordnen

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

(6) Abschirmung des Einflusses von HF-Signalen auf andere nachgeahmte Teile

Wie oben erwähnt, stören HF-Signale andere aktive analoge Schaltungsmodule wie ADCs, wenn sie gesendet werden. Die meisten Probleme treten in niedrigeren Betriebsfrequenzbändern (wie 27 MHz) und hohen Leistungsniveaus auf. Es ist eine gute Planungsgewohnheit, einen HF-Entkopplungskondensator (100p F) zu verwenden, um mit der Erde zu verbinden und den aktiven Punkt kontinuierlich zu koppeln.

(7) Besondere Erwägungen für Bordschleifenantennen

Die Antenne kann alle auf der Leiterplatte gebaut werden.

Verglichen mit der traditionellen Peitschenantenne spart sie nicht nur Platz und Produktionskosten, sondern ist auch stabiler und zuverlässiger in der Organisation. Konventionell sind Loopantennen für relativ schmale Bandbreite geplant, was dazu beiträgt, unerwünschte starke Signale daran zu hindern, den Empfänger zu stören. Beachten Sie, dass Loopantennen (wie alle anderen Antennen) Rauschen kapazitiv von nahe gelegenen Rauschsignalleitungen empfangen können.

Es ärgert den Empfänger und kann auch die Modulation des Senders beeinträchtigen. Daher dürfen Sie keine digitalen Signalleitungen in der Nähe der Antenne verlegen, und es wird empfohlen, freien Raum um die Antenne zu halten.

Jedes Objekt in der Nähe der Antenne bildet einen Teil des Tuning-Netzwerks, was dazu führt, dass das Tuning der Antenne vom erwarteten Frequenzpunkt abweicht und die Skala (Entfernung) der Sende- und Empfangsstrahlung reduziert. In Bezug auf alle Arten von Antennen ist es notwendig, auf diese Realität zu achten, und die Hülle (äußere Verpackung) der Leiterplatte kann auch die Antennenstimmung beeinflussen.

Gleichzeitig sollte darauf geachtet werden, die Masseebene am Antennenbereich zu entfernen, da die Antenne sonst nicht effektiv genutzt werden kann.

(8) Leiterplattenanschluss

Angenommen, dass ein Kabel verwendet wird, um die HF-Leiterplatte mit einer externen digitalen Schaltung zu verbinden, sollte ein Twisted Pair-Kabel verwendet werden. Jeder Signaldraht muss zusammen mit dem GND-Kabel verdreht werden (DIN/GND, DOUT/GND, CS/GND, PWR _ UP/GND).

Denken Sie daran, die HF-Leiterplatte und die digitale Anwendungsplatine mit dem GND-Kabel eines Twisted-Pair-Kabels zu verbinden, und die Kabellänge sollte so kurz wie möglich sein. Die Stromversorgungsschaltung für die HF-Leiterplatte muss ebenfalls mit GND (VDD/GND) verdrillt werden.

Abschließend

Die schnelle Entwicklung von Hochfrequenz-integrierten Schaltungen bietet den größten Flaschenhals für drahtlose Anwendungen für Ingenieure und Techniker, die mit drahtlosen digitalen Audio- und Videodatenübertragungssystemen, drahtlosen Fernsteuerungen, Telemetriesystemen, drahtlosen Datenerfassungssystemen, drahtlosen Netzwerken und drahtlosen Sicherheits- und Verteidigungssystemen beschäftigt sind. vielleicht.

Gleichzeitig erfordert die Planung von Hochfrequenzschaltungen von Planern bestimmte praktische Erfahrungen und technische Planungsfähigkeiten.