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The circuit Placa de circuito impreso Board layout of radio frequency (RF) circuits should be carried out on the basis of understanding the basic principles of circuit board structure, Cableado de energía y puesta a tierra. En el presente documento se examinan los principios básicos pertinentes., Y proporciona algunos métodos prácticos, Cableado de energía validado, Tecnología de derivación de energía y puesta a tierra, Puede mejorar eficazmente el rendimiento del diseño de radiofrecuencia. Considerando que las señales espurias de pll en el diseño real son muy sensibles al acoplamiento de potencia, Puesta a tierra y ubicación del elemento filtrante, Este trabajo estudia principalmente los métodos para suprimir las señales espurias de pll. Explicar el problema, Este artículo utiliza Diseño de Placa de circuito impreso En max2827 802.11A/G transceptor como diseño de referencia.
Figura 1: enrutamiento VCC en topología estelar
Cuándo Diseño del circuito RF, El diseño del Circuito de alimentación y la disposición del tablero de circuitos se dejan generalmente después del diseño de la trayectoria de la señal de alta frecuencia.. Diseño no cuidadosamente considerado, El voltaje de alimentación alrededor del circuito es propenso a producir salida de error y ruido, Esto afectará aún más el rendimiento del circuito RF. Distribución razonable Placa de circuito impreso Capa, Uso de cables VCC topológicos estelares, La adición de condensadores de desacoplamiento adecuados a los pines VCC ayudará a mejorar el rendimiento del sistema y a obtener los mejores índices.
Principios básicos del cableado y el Bypass de la fuente de alimentación
Un hombre sabio Placa de circuito impreso Asignación de capas para facilitar el enrutamiento posterior. Para cuatro capas Placa de circuito impreso ((Placa de circuito impreso comúnmente utilizado en WLAN)), En la mayoría de las aplicaciones, La capa superior de la placa de circuito se utiliza para colocar componentes y cables de radiofrecuencia, La segunda capa se utiliza como puesta a tierra del sistema, Los componentes de potencia se colocan en la tercera capa, Y cualquier línea de señal puede ser distribuida en la cuarta capa. La disposición continua del plano de puesta a tierra de la segunda capa es necesaria para establecer la trayectoria de la señal RF con impedancia controlada.. También ayuda a minimizar los bucles de tierra, Y proporcionar un alto aislamiento eléctrico para las capas primera y tercera, Minimizar el acoplamiento entre dos capas. Por supuesto., other board layer definition methods can also be used (especially when the circuit board has a different number of layers), Pero la estructura anterior es un ejemplo exitoso.
Figura 2: variación de la impedancia del condensador a diferentes frecuencias
Una capa de alimentación de gran tamaño facilita el cableado de VCC, pero esta estructura es típicamente un fusible que conduce a la degradación del rendimiento del sistema. Conectar todos los cables de alimentación a un plano más grande inevitablemente impedirá que los pines entre sí. Transmisión de ruido. Por el contrario, si se utiliza una topología estelar, se reducirá el acoplamiento entre los diferentes pines de alimentación. La figura 1 muestra un esquema de cableado VCC para conexiones estelares, tomado del tablero de evaluación del transceptor max2826 IEEE 802.11a / G. En la figura, se establece el nodo VCC principal, desde el cual se extraen diferentes líneas de alimentación de rama para suministrar energía al pin de alimentación del CI RF. Cada pin de alimentación utiliza un cable independiente para proporcionar aislamiento espacial entre los pines, lo que ayuda a reducir el acoplamiento entre los pines. Además, cada cable también tiene una Inductancia parasitaria, que es exactamente lo que queremos, que ayuda a filtrar el ruido de alta frecuencia de la línea de energía.
Cuando se utiliza la topología estelar VCC Lead, también se necesita un desacoplamiento de potencia adecuado, el condensador de desacoplamiento tiene cierta Inductancia parasitaria. De hecho, el condensador es equivalente al Circuito RLC en serie. Los condensadores desempeñan un papel dominante en la banda de baja frecuencia, pero en la frecuencia de oscilación auto - excitada (SRF):
Después de eso, la impedancia del condensador aparecerá como Inductancia. Se puede ver que el condensador sólo tiene un efecto de desacoplamiento cuando la frecuencia está cerca o por debajo de su SRF, y el condensador muestra baja resistencia a estas frecuencias. La figura 2 muestra los parámetros típicos de S11 a diferentes valores de Capacitancia. A partir de estas curvas, puede ver claramente SRF. También se puede ver que cuanto mayor es la Capacitancia, mejor es el rendimiento de desacoplamiento a frecuencias más bajas (mayor es la impedancia mostrada). Baja).
Es mejor colocar un condensador de gran capacidad, como 2.2 ¼f, en el nodo principal de la topología estelar VCC. El condensador tiene un bajo SRF, que es muy eficaz para eliminar el ruido de baja frecuencia y establecer un voltaje de corriente continua estable. Cada pin de alimentación del CI requiere un condensador de baja capacidad (por ejemplo, 10 NF) para filtrar el ruido de alta frecuencia que puede acoplarse a la línea de alimentación. Para los pines de alimentación que alimentan los circuitos sensibles al ruido, pueden ser necesarios dos condensadores de derivación externos. Por ejemplo, el uso de condensadores de 10 PF en paralelo con condensadores de 10 NF para proporcionar Bypass puede proporcionar un rango de frecuencia más amplio de desacoplamiento y tratar de eliminar el efecto del ruido en la tensión de alimentación. Es necesario examinar cuidadosamente cada pin de alimentación para determinar cuántos condensadores de desacoplamiento son necesarios y cuántos puntos de frecuencia son susceptibles al ruido en el circuito real.
La combinación de una buena tecnología de desacoplamiento de la fuente de alimentación con un diseño estricto de Placa de circuito impreso y cables VCC (topología estelar) puede sentar una base sólida para el diseño de cualquier sistema de radiofrecuencia. Aunque hay otros factores en el diseño real que pueden reducir el rendimiento del sistema, la fuente de alimentación "sin ruido" es el factor básico para optimizar el rendimiento del sistema.
Diseño de puesta a tierra y a través de agujeros
La disposición de la capa de puesta a tierra y los cables de plomo también son la clave para el diseño de la placa de circuito WLAN. Influirán directamente en los parámetros parasitarios de la placa de Circuito, y existen problemas ocultos para reducir el rendimiento del sistema. No hay un esquema de puesta a tierra único en el diseño del circuito RF. Hay varias maneras de lograr un rendimiento satisfactorio en el diseño. El plano de puesta a tierra o el plomo se pueden dividir en señal analógica y señal digital, y también se puede aislar el circuito de alta corriente o alta potencia. Sobre la base de la experiencia de diseño de la placa de evaluación WLAN en el pasado, se pueden obtener mejores resultados utilizando un plano de puesta a tierra separado en la placa de cuatro capas. Utilizando estos métodos empíricos, la parte RF está aislada de otros circuitos a través de la capa de tierra, lo que puede evitar la interferencia cruzada entre las señales. Como se ha descrito anteriormente, la segunda capa de la placa de circuito se utiliza generalmente como plano de tierra, y la primera capa se utiliza para colocar componentes y cables de radiofrecuencia.
Figura 3: modelo de características eléctricas del orificio.
Después de determinar el plano de tierra, es importante conectar todas las señales al plano de tierra en el camino más corto. El orificio se utiliza generalmente para conectar el cable de tierra de la capa superior al plano de tierra. Tenga en cuenta que el orificio es inductivo. La figura 3 muestra un modelo eléctrico preciso del orificio, donde lvia es un inductor del orificio y CVIA es un condensador parasitario de la almohadilla de Placa de circuito impreso de diámetro. Si utiliza la técnica de diseño de la tierra discutida aquí, puede ignorar la Capacitancia parasitaria. La Inductancia del orificio profundo de 1,6 mm con una abertura de 0,2 mm es de aproximadamente 0,75. NH, y la reactancia equivalente en la banda WLAN de 2,5 GHz / 5,0 GHz es de aproximadamente 12 islas. Por lo tanto, el orificio de puesta a tierra no puede proporcionar una verdadera puesta a tierra para la señal RF. Para el diseño de placas de circuitos de alta calidad, se debe proporcionar el mayor número posible de orificios de puesta a tierra en la Sección de circuitos RF, especialmente para la puesta a tierra expuesta en el paquete IC general. Junta La mala puesta a tierra también genera radiación perjudicial en la parte delantera del receptor o en la parte del amplificador de potencia, reduciendo el indicador de ganancia y ruido. También debe tenerse en cuenta que la soldadura deficiente de la almohadilla de tierra puede causar el mismo problema. Además, el consumo de energía del amplificador de potencia requiere una pluralidad de orificios conectados al plano de tierra.
Figura 4. Disposición del conjunto de filtros pll tomando como ejemplo el tablero de diseño de referencia max2827.
La ventaja de la disociación VCC es filtrar el ruido de los circuitos de otras etapas y suprimir el ruido generado localmente, eliminando así la interferencia cruzada entre las etapas a través de las líneas de alimentación. Si el condensador de desacoplamiento utiliza el mismo orificio de puesta a tierra, debido al efecto de Inductancia entre el orificio y la puesta a tierra, el orificio en estos puntos de conexión llevará toda la interferencia RF de las dos fuentes de alimentación, lo que no sólo pierde la función del condensador de desacoplamiento, sino que también proporciona otra ruta para el acoplamiento de ruido entre las etapas en el sistema.
Como verá más adelante en este artículo, la implementación de pll siempre se enfrenta a enormes desafíos en el diseño del sistema. Con el fin de obtener una característica espuria satisfactoria, debe haber una buena disposición del cable de tierra. En la actualidad, en el diseño de circuitos integrados, todos los bucles de fase bloqueada y vco están integrados en el chip. La mayoría de los bucles de fase bloqueada utilizan la salida digital de la bomba de carga de corriente para controlar vco a través de filtros de bucle. En general, se requiere un filtro de bucle RC de segundo o tercer orden para filtrar la corriente de pulso digital de la bomba de carga para obtener el voltaje de control analógico. Dos condensadores cerca de la salida de la bomba de carga deben estar conectados directamente al suelo del Circuito de la bomba de carga. De esta manera, se puede aislar la trayectoria de la corriente de pulso del bucle de puesta a tierra y se puede minimizar la frecuencia espuria correspondiente en lo. El tercer condensador (para filtros de tercer orden) se conectará directamente al suelo del vco para evitar que la tensión de control flote con la corriente digital. Si se violan estos principios, se producirá un número considerable de componentes parásitos.
La figura 4 muestra Diseño de Placa de circuito impreso. There are many ground vias on the ground Junta, Permitir que cada condensador de desacoplamiento VCC tenga su propia trayectoria de tierra. Circuito in the box is a PLL loop filter. El primer condensador está conectado directamente a gnd CP, the second capacitor (in series with an R) is rotated 180 degrees to return to the same GND_CP, Tercer condensador conectado a gnd vco. Este esquema de puesta a tierra puede mejorar el rendimiento del sistema.
Supresión de la señal perdida pll con una fuente de alimentación adecuada y puesta a tierra
Es difícil cumplir los requisitos de blindaje del espectro de transmisión del sistema 802.11a / B / G. El índice lineal y el consumo de energía deben equilibrarse, y debe mantenerse un margen para garantizar que el IEEE se cumpla manteniendo una potencia de transmisión suficiente. Y la Ley FCC. La Potencia de salida típica del sistema IEEE 802.11g en el extremo de la antena es de + 15dbm. Cuando la desviación de frecuencia es de 20mhz, la desviación de frecuencia es de - 28dbr. La relación de rechazo de potencia (acpr) de los canales adyacentes en la banda de frecuencia es una función de las características lineales del dispositivo, y es correcta para aplicaciones específicas bajo ciertas condiciones. Ajustando el sesgo de TX IC y pa de acuerdo a la experiencia, y sintonizando la red de emparejamiento de la etapa de entrada, la etapa de salida y la etapa intermedia de pa, se realiza un gran trabajo para optimizar las características de acpr en el canal de transmisión.
Figura 5: efecto del uso de filtros de bucle.
Sin embargo, no todos los problemas que conducen a la acpr se deben a las características lineales del dispositivo. Un buen ejemplo es que después de una serie de ajustes, se optimizan el amplificador de potencia y el controlador Pa (dos factores que desempeñan un papel importante en el acpr). La característica del canal adyacente del transmisor WLAN todavía no puede alcanzar el objetivo esperado. En este punto, cabe señalar que las señales parasitarias del Oscilador local (lo) en el bucle de fase bloqueada del transmisor también pueden reducir el rendimiento de acpr. La señal espuria de lo se mezclará con la señal de Banda base modulada y el componente de mezcla se amplificará a lo largo del canal de señal deseado. Cuando el componente espurio pll está por encima de un cierto umbral, este efecto Mixto sólo puede causar problemas. Cuando el componente espurio pll está por debajo de un cierto umbral, acpr estará limitado principalmente por la no linealidad pa. Cuando la Potencia de salida TX y las características de blindaje del espectro son "linealmente limitadas", necesitamos equilibrar el exponente lineal y la Potencia de salida. Si la característica lo - Spur se convierte en el factor principal que limita el rendimiento de acpr, nos enfrentaremos a un "Spur" limitado, por lo que necesitamos compensar pa en un punto de trabajo más alto bajo el puerto especificado para reducir su impacto en acpr, que consume más corriente y limita la flexibilidad de diseño.
Otro problem a que se plantea en el debate anterior es cómo limitar eficazmente los componentes espurios de pll a un cierto rango sin afectar el espectro de emisión. Una vez que se encuentra el componente espurio, la primera solución es reducir el ancho de banda del filtro de bucle pll para atenuar la amplitud de la señal espuria. Este enfoque es eficaz en muy pocos casos, pero tiene algunos problemas potenciales.
La figura 5 muestra una hipótesis. Se supone que en el diseño se utiliza un sintetizador de División n con una frecuencia relativa de 20 MHz. Si el filtro de bucle es de segundo orden, la frecuencia de Corte es de 200 kHz, la tasa de caída de rodadura es generalmente de 40 DB / Decade, y la atenuación de 80 dB se puede obtener a 20 MHz. Si el componente espurio de referencia es - 40 DBC (suponiendo un nivel que podría causar un componente de modulación perjudicial), el mecanismo de generación de espuela puede estar fuera del alcance del filtro de bucle (si se produce antes del filtro, la amplitud puede ser muy grande). El ancho de banda del filtro de bucle de compresión no mejorará las características espurias, sino que aumentará el tiempo de bloqueo pll, lo que tendrá un impacto negativo significativo en el sistema.
La experiencia ha demostrado que el método más eficaz para suprimir la dispersión de pll debe ser la puesta a tierra racional, la disposición de la fuente de alimentación y la tecnología de desacoplamiento. El principio de enrutamiento discutido en este artículo es un buen punto de partida para reducir el componente espurio pll. Teniendo en cuenta el gran cambio de corriente en la bomba de carga, es necesario adoptar la topología Estelar. Si no hay suficiente aislamiento, el ruido generado por el pulso de corriente se acoplará a la fuente de alimentación de la vco y modulará la frecuencia de la vco, que a menudo se llama "tracción vco". El aislamiento físico entre el cable de alimentación y el condensador de desacoplamiento de cada pin VCC, la disposición razonable de los orificios de puesta a tierra y la introducción de conjuntos de ferrita en serie (como último recurso) pueden mejorar el aislamiento. Estas medidas no son necesarias en todos los diseños. El uso adecuado de cada método puede reducir eficazmente la amplitud de la dispersión.
La figura 6 muestra los resultados de un esquema de desacoplamiento irrazonable de la fuente de alimentación vco. La onda de alimentación muestra que el efecto de conmutación de la bomba de carga causa una fuerte interferencia en el cable de alimentación.. Afortunadamente, Este tipo de interferencia fuerte se puede suprimir eficazmente mediante la adición de condensadores de derivación. Además, Si el cableado de la fuente de alimentación no es razonable, Por ejemplo:, El cable de alimentación de vco se encuentra directamente debajo de la fuente de alimentación de la bomba de carga, El mismo ruido se puede observar en la fuente de alimentación vco, Y la señal parasitaria generada es suficiente para afectar las características de acpr., Incluso si se refuerza el desacoplamiento, Los resultados de las pruebas no mejorarán. En este caso, Es necesario examinar Placa de circuito impreso Enrutar y reorganizar los cables de alimentación del vco, Mejora efectiva de las características espurias para cumplir los requisitos del Código.
Figura 6: resultados irrazonables de las pruebas de desacoplamiento VCC vco
