Blog de PCB - Consejos de placas de PCB para reducir el acoplamiento de señales durante el diseño de radiofrecuencia

El diseño de placas de PCB de radiofrecuencia (rf) se describe a menudo como "arte negro" debido a su incertidumbre teórica, pero esta opinión es solo parcialmente correcta y hay muchas guías de diseño de placas de circuito de radiofrecuencia que se pueden o no seguir e ignorar. Sin embargo, cuando se trata de diseños reales, el verdadero truco es cómo comprometerse cuando no se pueden aplicar con precisión estas directrices y leyes debido a diversas restricciones de diseño. Por supuesto, hay muchos temas importantes de diseño de radiofrecuencia que vale la pena discutir, incluyendo emparejamiento de resistencia e resistencia, materiales aislantes y laminados, longitud de onda y ondas estacionarias, pero este artículo se centrará en varios problemas relacionados con el diseño de tabiques de placas de radiofrecuencia. El diseño del teléfono móvil de hoy integra todo de varias maneras, lo que no favorece el diseño de las placas de radiofrecuencia. La industria es ahora muy competitiva y todos buscan formas de combinar múltiples funciones con escala y costos. Los circuitos analógicos, digitales y de radiofrecuencia están estrechamente encapsulados, con poco espacio para separar sus respectivas áreas problemáticas, y el número de capas suele disminuir debido a consideraciones de costo. Sorprendentemente, un chip multipropósito puede integrar múltiples funciones en un chip muy pequeño y los pines conectados al mundo exterior están tan estrechamente dispuestos que las señales rf, if, analógicas y digitales son muy estrechas, pero generalmente no tienen nada que ver con la electricidad. La distribución puede ser una pesadilla para los diseñadores, con diferentes partes del circuito compartiendo el tiempo según sea necesario y manteniendo la vida útil de la batería a través de interruptores controlados por software. Esto significa que tu teléfono puede necesitar de 5 a 6 fuentes de alimentación de trabajo.

Concepto de diseño de radiofrecuencia

Al diseñar el diseño de radiofrecuencia, hay varios principios generales que deben priorizarse: aislar el amplificador de radiofrecuencia de alta potencia (hpa) del amplificador de bajo ruido (lna) en la medida de lo posible y, en resumen, mantener el circuito emisor de radiofrecuencia de alta potencia alejado del circuito receptor de radiofrecuencia de baja potencia. Si tienes mucho espacio físico en el pcb, puedes hacerlo fácilmente, pero normalmente, debido a que hay muchos componentes en el pcb, el espacio es pequeño, lo cual suele ser imposible. Puedes colocarlos a ambos lados de la placa de PCB o dejarlos trabajar alternativamente en lugar de trabajar al mismo tiempo. Los circuitos de alta potencia a veces también pueden incluir amortiguadores de radiofrecuencia y osciladores controlados por tensión (vco). Asegúrese de tener al menos un suelo completo en el área de alta potencia en el PCB sin agujeros. Por supuesto, cuanto más cobre, mejor. Más tarde discutiremos cómo romper este principio de diseño según sea necesario y cómo evitar los problemas resultantes. el desacoplamiento de chips y fuentes de alimentación también es extremadamente importante, y más tarde discutiremos varias maneras de implementarlo. La salida de radiofrecuencia generalmente necesita mantenerse alejada de la entrada de radiofrecuencia, que discutiremos en detalle más tarde. Las señales analógicas sensibles deben mantenerse lo más alejadas posible de las señales digitales y de radiofrecuencia de alta velocidad.

¿¿ cómo se divide?

Las zonas de diseño se pueden dividir en zonas físicas y zonas eléctricas. La zonificación física implica principalmente la colocación, dirección y blindaje de componentes; Las zonas eléctricas pueden seguir descomponiéndose en zonas para distribución, trazas de radiofrecuencia, circuitos y señales sensibles y puesta a tierra. Primero discutimos el problema de la zonificación física. La colocación de componentes es la clave para lograr el diseño de radiofrecuencia. Una técnica eficaz es fijar primero los componentes situados en la ruta de radiofrecuencia y ajustar su dirección para minimizar la longitud de la ruta de radiofrecuencia, mantener la entrada alejada de la salida y separar los componentes tanto como sea posible. Circuitos de potencia y circuitos de baja potencia. Un método eficaz de apilamiento de placas es colocar el plano principal de tierra (suelo principal) en la segunda capa debajo de la capa superficial y ejecutar la línea RF tanto como sea posible en la capa superficial. La reducción del tamaño del agujero en la ruta de radiofrecuencia no solo reduce la inducción de la ruta, sino que también reduce los puntos de soldadura fantasma en el suelo principal y reduce las posibilidades de fuga de energía de radiofrecuencia a otras áreas dentro de la pila. En el espacio físico, un circuito lineal como un amplificador multinivel suele ser suficiente para aislar varias regiones de radiofrecuencia entre sí, pero los duplexores, mezcladores y amplificadores / mezcladores if siempre tienen múltiples radiofrecuencias / if. las señales interfieren entre sí, por lo que hay que tener cuidado de minimizar este impacto. Los rastros de radiofrecuencia e if deben cruzarse en la medida de lo posible y dejar espacio de tierra entre ellos en la medida de lo posible. El enrutamiento correcto por radiofrecuencia es muy importante para el rendimiento de todo el pcb, por lo que en el diseño del PCB del teléfono móvil, la colocación de componentes suele ocupar la mayor parte del tiempo. En el PCB del teléfono móvil, generalmente se pueden colocar circuitos LNA en un lado del pcb, amplificadores de alta potencia en el otro lado y, finalmente, conectarlos al lado RF y al procesamiento de Banda base en la misma posición a través de duplexores en la antena del dispositivo. Se necesitan algunas técnicas para garantizar que el paso directo a través del agujero no transfiera la energía de radiofrecuencia de un lado a otro de la placa de circuito, y la técnica común es usar el paso ciego a ambos lados. Los efectos nocivos del paso a través del agujero se pueden minimizar colocando el paso a través del agujero en una zona sin interferencia de radiofrecuencia a ambos lados del pcb.

A veces es imposible garantizar un aislamiento adecuado entre múltiples bloques de circuitos, en este caso se debe considerar el blindaje metálico para bloquear la energía de radiofrecuencia en la región de radiofrecuencia, pero también hay problemas con el blindaje metálico, como su propio costo y el costo de montaje son muy caros; Los escudos metálicos con formas irregulares son difíciles de garantizar una alta precisión durante el proceso de fabricación, y los escudos metálicos rectangulares o cuadrados limitan la disposición de los componentes; El blindaje metálico no es propicio para el reemplazo de componentes y la localización de fallas; Debido a que el blindaje metálico debe soldarse al suelo y debe mantenerse a una distancia adecuada del componente, ocupa así un valioso espacio de placas de pcb. Es muy importante garantizar la integridad de la cubierta de blindaje en la medida de lo posible. El cable de señal digital que entra en la cubierta de blindaje metálico debe dirigirse a la capa interior en la medida de lo posible, y la placa de PCB debajo de la capa de cableado es la formación de conexión. El cable de señal RF puede salir de la pequeña brecha en la parte inferior del blindaje metálico y de la capa de cableado en la brecha de puesta a tierra, pero debe distribuirse el mayor número posible de puesta a tierra alrededor de la brecha, y la puesta a tierra en diferentes capas puede conectarse a través de múltiples agujeros. A pesar de los problemas anteriores, el blindaje metálico es muy eficaz y suele ser una solución para aislar circuitos críticos. Además, el desacoplamiento adecuado y efectivo de la fuente de alimentación del chip también es muy importante. Muchos chips de radiofrecuencia con líneas lineales integradas son muy sensibles al ruido de la fuente de alimentación, y generalmente cada chip requiere hasta cuatro condensadores y una bobina de inducción aislada para garantizar que todo el ruido de la fuente de alimentación se filtre).

Los valores de los condensadores suelen estar determinados por su frecuencia de resonancia automática y la inducción de bajo plomo, y los valores de C4 se seleccionan en consecuencia. Los valores de C3 y C2 son relativamente grandes debido a sus propios inductores de pin, por lo que el efecto de desacoplamiento de radiofrecuencia es menor, pero son más adecuados para filtrar señales de ruido de baja frecuencia. El sensor L1 evita que la señal RF se acople al chip desde el cable de alimentación. Recuerde: todos los rastros son una antena potencial que puede recibir o enviar señales de radiofrecuencia, y también es necesario aislar las señales de radiofrecuencia inducidas del cableado clave. la ubicación física de estos componentes de desacoplamiento suele ser crítica. El principio de diseño de estos componentes importantes es que el C4 debe estar lo más cerca posible del pin IC y conectado a tierra, el C3 debe estar cerca del c4, el C2 debe estar cerca del C3 y el pin IC debe estar cerca del c4. Los rastros de conexión deben ser lo más cortos posible y los terminales de tierra de estos componentes (especialmente el c4) deben conectarse generalmente a los pines de tierra del chip a través del siguiente plano de tierra. El agujero a través del cual se conecta el componente a la formación de tierra debe estar lo más cerca posible de la almohadilla del componente en el pcb. Los agujeros ciegos en la almohadilla se utilizan para reducir la inducción de la línea de conexión, y la inducción eléctrica está cerca de c1. Los circuitos integrados o amplificadores suelen tener una salida de fuga abierta, por lo que es necesario subir y bajar los inductores para proporcionar cargas de radiofrecuencia de alta resistencia y fuentes de DC de baja resistencia. El mismo principio se aplica a la desvinculación de la fuente de alimentación en el lado de la bobina de inducción. Algunos chips requieren múltiples fuentes de alimentación para funcionar, por lo que es posible que necesite de dos a tres grupos de condensadores e inductores para desacoplarse por separado, lo que puede causar algunos problemas si no hay suficiente espacio alrededor del chip. Recuerde que los inductores rara vez están conectados en paralelo, ya que esto formará transformadores huecos e inducirá señales de interferencia, por lo que deben estar al menos tan lejos de la altura de uno de los dispositivos o separados en ángulos rectos para reducir su inducción mutua.

El principio de la División eléctrica suele ser el mismo que la División física, pero también implica algunos otros factores. Algunos componentes de los teléfonos móviles modernos funcionan a diferentes tensiones y son controlados por software para prolongar la vida útil de la batería. Esto significa que el teléfono necesita ejecutar varias fuentes de alimentación, lo que crea más problemas de aislamiento. La fuente de alimentación suele introducirse en el conector y desacoplarse inmediatamente antes de distribuirse a través de un grupo de interruptores o reguladores de voltaje para filtrar cualquier ruido fuera de la placa. La mayoría de los circuitos del teléfono tienen una corriente continua bastante pequeña, por lo que el ancho del rastro no suele ser un problema, sin embargo, hay que operar el rastro de alta corriente separado lo más ancho posible para la fuente de alimentación del amplificador de alta potencia para minimizar la caída de tensión de transmisión. Para evitar la pérdida excesiva de corriente, se necesitan varios agujeros para transmitir la corriente de una capa a otra. Además, si el amplificador de alta potencia no está completamente desacoplado en su pin de alimentación, el ruido de alta potencia irradiará toda la placa y causará varios problemas. La puesta a tierra de los amplificadores de alta potencia es crucial y generalmente requiere blindaje metálico. En la mayoría de los casos, también es fundamental garantizar que la salida de radiofrecuencia esté lejos de la entrada de radiofrecuencia. Esto también se aplica a amplificadores, amortiguadores y filtros. En el peor de los casos, si la salida del amplificador y el amortiguador se retroalimenta a la entrada con la fase y amplitud adecuadas, pueden oscilar por sí mismos. En cualquier caso, funcionarán de manera estable a cualquier temperatura y tensión. De hecho, pueden volverse inestables y agregar ruido y señales de intermodal a las señales de radiofrecuencia.

Si la línea de señal RF debe volver a la salida desde el extremo de entrada del filtro, esto puede dañar gravemente las características de paso de banda del filtro. Para obtener un buen aislamiento entre la entrada y la salida, en primer lugar, el suelo debe colocarse alrededor del filtro y, en segundo lugar, el suelo debe colocarse en la zona inferior del filtro y conectarse al suelo principal alrededor del filtro. También es una buena idea mantener el cable de señal que necesita pasar por el filtro lo más alejado posible de los pines del filtro. Además, tenga mucho cuidado de no aterrizar en ningún lugar de la placa, de lo contrario puede introducir inconscientemente un canal de acoplamiento que no desea que ocurra. La figura 3 detalla este método de puesta a tierra. A veces se puede elegir una línea de señal de radiofrecuencia de un solo extremo o equilibrada, y los mismos principios sobre interferencia cruzada y EMC / emi se aplican aquí. Si se encadenan correctamente, las líneas de señal RF equilibradas pueden reducir el ruido y la interferencia cruzada, pero su resistencia suele ser alta y deben mantenerse razonablemente anchas para obtener una resistencia que coincida con la fuente, el rastro y la carga. El cableado real puede ser difícil. El amortiguador se puede utilizar para mejorar el aislamiento, ya que puede dividir la misma señal en dos partes y utilizarla para impulsar diferentes circuitos, especialmente cuando lo puede necesitar un amortiguador para conducir múltiples mezcladores. Cuando el mezclador alcance el aislamiento de modo común a la frecuencia de radiofrecuencia, no funcionará correctamente. El amortiguador es capaz de aislar bien los cambios de resistencia en diferentes frecuencias, de modo que los circuitos no interfieran entre sí. Los amortiguadores ayudan mucho en el diseño y pueden colocarse detrás de los circuitos que necesitan ser impulsados para que los rastros de salida de alta potencia sean cortos, ya que el nivel de señal de entrada de los amortiguadores es relativamente bajo, por lo que no son vulnerables a otros circuitos en la placa. Los circuitos causan interferencias. También hay muchas líneas de señalización y control muy sensibles que requieren especial atención, pero están más allá del alcance de este artículo, por lo que solo se discuten brevemente aquí y ya no se describen en detalle.

Los osciladores controlados por tensión (vco) convierten un voltaje en constante cambio en una frecuencia en constante cambio, una función utilizada para el cambio de canales de alta velocidad, pero también convierten pequeños ruidos en el voltaje de control en pequeños cambios de frecuencia, lo que hace que la señal de radiofrecuencia aumente el ruido. En general, después de esto, ya no podrá eliminar el ruido de la señal de salida de radiofrecuencia. ¿Entonces, ¿ dónde está la dificultad? En primer lugar, el ancho de banda esperado de la línea de control puede estar en el rango de DC a 2mhz, y es casi imposible filtrar en una banda de frecuencia tan ancha para eliminar el ruido; En segundo lugar, las líneas de control de vco suelen formar parte del Circuito de retroalimentación que controla la frecuencia, lo que en muchos casos es cierto. el ruido puede estar en todas partes, por lo que las líneas de control de vco deben manejarse con mucho Cuidado. Asegúrese de que el suelo debajo del rastro de radiofrecuencia sea sólido y que todos los componentes estén firmemente conectados al suelo principal y aislados de otros rastros que puedan introducir ruido. Además, asegúrese de que la fuente de alimentación del vco esté completamente desacoplada, ya que la salida de radiofrecuencia del vco tiende a estar en un nivel relativamente alto, y la señal de salida del vco puede interferir fácilmente con otros circuitos, por lo que debe prestar especial atención al vco. De hecho, el vco suele colocarse al final de la zona de radiofrecuencia y a veces requiere blindaje metálico.

Los circuitos de resonancia (uno para emisores y otro para receptores) están relacionados con el vco, pero también tienen sus propias características. En pocas palabras, el circuito de resonancia es un circuito de resonancia paralelo con diodos condensadores que ayuda a establecer la frecuencia de funcionamiento del vco y modular la voz o los datos a la señal rf. Todos los principios de diseño de vco se aplican igualmente a los circuitos de resonancia. Los circuitos de resonancia suelen ser muy sensibles al ruido, ya que tienen un número considerable de componentes, están ampliamente distribuidos en la placa y suelen funcionar a frecuencias de radiofrecuencia muy altas. Las señales suelen estar dispuestas en los pines adyacentes del chip, pero estos pines de señal deben trabajar con inductores y condensadores relativamente grandes, lo que a su vez requiere que estos inductores se coloquen estrechamente con los condensadores y se conecten de nuevo al circuito de control sensible al ruido. No es fácil hacerlo. El amplificador de control automático de ganancia (agc) también es un lugar propenso a problemas, y el amplificador AGC existirá tanto en los circuitos de transmisión como en los receptores. Los amplificadores AGC suelen ser efectivos para filtrar el ruido, pero la capacidad del teléfono móvil para procesar los rápidos cambios en la intensidad de la señal enviada y recibida requiere que los circuitos AGC tengan un ancho de banda bastante amplio, lo que hace que los amplificadores AGC en algunos circuitos clave sean fáciles de introducir ruido. Al diseñar líneas agc, hay que seguir una buena técnica de diseño de circuitos analógicos, que está relacionada con un pin de entrada de amplificador operativo muy corto y una ruta de retroalimentación muy corta, ambas alejadas de los rastros de señal digital de radiofrecuencia, if o alta velocidad. Además, una buena puesta a tierra también es esencial, y la fuente de alimentación del chip debe desacoplarse bien. Si tienes que conectar un cable largo en la entrada o salida, está en la salida, cuya resistencia suele ser mucho más baja y no es muy fácil generar ruido inductor. Por lo general, cuanto mayor sea el nivel de señal, más fácil será introducir ruido en otros circuitos. En todos los diseños de pcb, es un principio general mantener los circuitos digitales lo más alejados posible de los circuitos analógicos, que también se aplica a los diseños de PCB de radiofrecuencia. La puesta a tierra simulada común suele ser tan importante como la puesta a tierra utilizada para bloquear y aislar las líneas de señalización, y el problema es que, sin visión y planificación cuidadosa, hay poco que hacer al respecto cada vez. Por lo tanto, en las primeras etapas del diseño, es importante una planificación cuidadosa, una colocación cuidadosa de los componentes y una evaluación exhaustiva de la colocación, ya que los cambios de diseño involuntarios pueden hacer que los diseños cercanos a la finalización tengan que ser reconstruidos. En cualquier caso, las graves consecuencias de esta negligencia no son algo bueno para tu desarrollo profesional personal. Además, mantenga la línea RF alejada de las líneas analógicas y algunas señales digitales muy críticas. Todos los rastros, almohadillas y componentes de radiofrecuencia deben llenarse de cobre de tierra en la medida de lo posible y conectarse a la tierra principal en la medida de lo posible. Las placas de construcción de microporos (como las placas de pan) son útiles en la etapa de desarrollo de circuitos de radiofrecuencia. si eliges las placas de construcción, puedes usar el número de agujeros que quieras de forma gratuita, de lo contrario perforar en PCB ordinarios aumentará los costos de desarrollo, lo que aumentará los costos en la producción a gran escala.

Si los rastros de radiofrecuencia deben pasar por los cables de señal, intente conectar una capa de tierra al suelo principal a lo largo de los rastros de radiofrecuencia entre ellos. Si no es posible, asegúrese de que se cruzan para minimizar el acoplamiento capacitivo y estar lo más fundamentado posible alrededor de cada rastro de radiofrecuencia antes de conectarlos al suelo principal. Además, reducir la distancia entre los rastros paralelos de radiofrecuencia puede reducir el acoplamiento inductivo. El plano sólido de puesta a tierra de una sola pieza colocado directamente debajo de la superficie tiene un efecto de aislamiento, aunque con un poco de diseño cuidadoso, se aplican otras prácticas. he intentado dividir el plano de puesta a tierra en varias partes para aislar las líneas analógicas, digitales y de radiofrecuencia, pero nunca me he sentido satisfecho con el resultado, ya que siempre habrá algunas líneas de señal de alta velocidad que pasan por estos puntos de tierra separados, Esto no es algo bueno. En cada capa de la placa de pcb, se coloca el mayor número posible de puntos de tierra y se conecta al suelo principal. Coloque el rastro lo más cerca posible para aumentar el número de almohadillas en la capa de señalización interna y distribución, y ajuste el rastro para que la conexión a tierra pueda ser cableada a través del agujero a la almohadilla de aislamiento en la superficie. Se debe evitar la puesta a tierra libre de las capas de las placas de pcb, ya que captan o inyectan ruido como pequeñas antenas.