L'actualité PCB - Comment les circuits RF et les circuits numériques peuvent - ils coexister harmonieusement sur le même PCB?

Comment les circuits RF et les circuits numériques peuvent - ils coexister harmonieusement sur le même PCB? Les dispositifs RF monopuce facilitent grandement les applications dans le domaine des communications sans fil dans une certaine gamme. En utilisant un microcontrôleur et une antenne appropriés en combinaison avec un dispositif émetteur - récepteur, il est possible de former une liaison de communication sans fil complète. Ils peuvent être intégrés sur une petite carte et utilisés dans de nombreux domaines tels que les systèmes de transmission de données audio et vidéo numériques sans fil, les systèmes de télécommande et de télémétrie sans fil, les systèmes d'acquisition de données sans fil, les réseaux sans fil et les systèmes de sécurité sans fil.

1 contradiction potentielle entre circuits numériques et analogiques

Si les circuits analogiques (RF) et numériques (microcontrôleurs) fonctionnent séparément, ils peuvent bien fonctionner, mais une fois que les deux sont placés sur la même carte et fonctionnent ensemble en utilisant la même source d'alimentation, l'ensemble du système est susceptible d'être instable. Ceci est principalement dû au fait que le signal numérique oscille fréquemment entre la masse et l'alimentation positive (de l'ordre de 3V) et que la période est très courte, typiquement au niveau ns. Du fait de la grande amplitude et du temps de commutation réduit, ces signaux numériques contiennent un grand nombre de composantes hautes fréquences indépendantes de la fréquence de commutation. Dans la partie analogique, le signal émis depuis la boucle d'accord d'antenne vers la partie réception du dispositif sans fil est typiquement inférieur à 1λv. Ainsi, la différence entre le signal numérique et le signal RF atteindra 10 - 6 (120 Db). De toute évidence, si les signaux numériques et RF ne sont pas bien séparés, les signaux RF faibles peuvent être détruits. De cette façon, les performances de travail des appareils sans fil se détériorent et ne fonctionnent même pas du tout.

2 Questions fréquemment posées sur les circuits RF et les circuits numériques sur le même PCB

L'isolation insuffisante des lignes sensibles et des lignes de signalisation sonore est un problème courant. Comme indiqué ci - dessus, le signal numérique a une oscillation élevée et contient un grand nombre d'harmoniques haute fréquence. Si le câblage du signal numérique sur la carte PCB est adjacent au signal analogique sensible, il est possible que les harmoniques haute fréquence soient couplées. Les noeuds les plus sensibles d'un dispositif RF sont généralement un circuit de filtre de boucle d'une boucle à verrouillage de phase (PLL), une inductance d'oscillateur commandé en tension externe (VCO), un signal de référence cristallin et des bornes d'antenne. Ces composants du circuit doivent être manipulés avec un soin particulier.

(1) bruit de puissance

Le signal d'entrée / sortie ayant une amplitude pendulaire de quelques V, les circuits numériques sont généralement utilisables pour le bruit d'alimentation (inférieur à 50 MV). Les circuits analogiques sont très sensibles aux bruits d'alimentation, en particulier aux tensions de bavure et autres harmoniques haute fréquence. Par conséquent, le câblage des lignes d'alimentation sur les circuits imprimés contenant des circuits RF (ou d'autres circuits analogiques) doit être effectué avec plus de soin que le câblage sur les cartes numériques ordinaires et le câblage automatique doit être évité. Dans le même temps, il est à noter que le microcontrôleur (ou autre circuit numérique) va soudainement puiser la majeure partie du courant pendant un court laps de temps à l'intérieur de chaque cycle d'horloge interne. C'est parce que les microcontrôleurs modernes sont conçus avec la technologie CMOS. Ainsi, en supposant que le microcontrôleur fonctionne à une fréquence d'horloge interne de 1 MHz, il tirera un courant (pulsé) de l'alimentation à cette fréquence. Si des mesures appropriées de découplage de l'alimentation ne sont pas prises, cela entraînera inévitablement des pannes de tension sur les lignes électriques. Si ces bavures de tension atteignent les broches d'alimentation de la partie RF du circuit, elles peuvent provoquer des pannes de fonctionnement dans des cas graves. Il est donc nécessaire de s'assurer que la ligne d'alimentation analogique est séparée de la zone du circuit numérique.

(2) la ligne de mise à la terre n'est pas raisonnable

La carte RF doit toujours avoir une couche de terre connectée au pôle négatif de l'alimentation. Si elle n'est pas traitée correctement, des phénomènes étranges peuvent survenir. Cela peut être difficile à comprendre pour les concepteurs de circuits numériques, car la plupart des fonctions de circuits numériques sont bien exécutées même sans plan de masse. Dans la bande RF, même un fil court fonctionnera comme un inducteur. Grossièrement calculé, l'inductance par millimètre de longueur est d'environ 1 NH et l'inductance d'un circuit PCB de 10 mm à 434 MHz est d'environ 27 îlots. Sans l'utilisation de couches de sol, la plupart des lignes de sol seront plus longues et le circuit ne garantira pas les caractéristiques de conception.

(3) rayonnement de l'antenne sur d'autres composants analogiques

Ceci est souvent négligé dans les circuits qui comprennent des radiofréquences et d'autres parties. En plus de la section RF, il existe généralement d'autres circuits analogiques sur la carte. Par exemple, de nombreux microcontrôleurs disposent d'un convertisseur analogique - numérique (ADC) intégré pour mesurer les entrées analogiques et la tension de la batterie ou d'autres paramètres. Si l'antenne de l'émetteur RF est située à proximité (ou sur) ce PCB, le signal haute fréquence émis peut atteindre l'entrée analogique de l'ADC. N'oubliez pas que toute ligne de circuit peut émettre ou recevoir des signaux RF comme une antenne. Si la borne d'entrée de l'ADC n'est pas traitée correctement, le signal RF peut s'auto - exciter dans la diode ESD de l'entrée de l'ADC, ce qui entraîne un décalage de l'ADC.

3 solutions pour circuits RF et circuits numériques sur le même bloc de PCB

Quelques stratégies communes de conception et de câblage dans la plupart des applications RF sont présentées ci - dessous. Cependant, dans les applications pratiques, il est plus important de suivre les recommandations de routage des périphériques RF.

(1) Plan de masse fiable

Lors de la conception de PCB avec des composants RF, un plan de masse fiable doit toujours être utilisé. L'objectif est d'établir un point de potentiel 0v efficace dans le circuit afin que tous les appareils puissent être facilement découplés. La borne 0v de l'alimentation doit être connectée directement à ce plan de masse. Du fait de la faible impédance du plan de masse, il n'y aura pas de couplage de signal entre les deux noeuds déjà découplés. Il est très important que l'amplitude de plusieurs signaux sur la carte puisse varier de 120 db. Sur un PCB monté en surface, tous les signaux sont câblés du même côté de la surface de montage du composant et la couche de mise à la terre du côté opposé. Le plan de masse idéal devrait couvrir tout le PCB (sauf sous le PCB de l'antenne). Si vous utilisez un PCB avec plus de deux couches, la couche de terre doit être placée sur une couche adjacente à la couche de signal (par exemple, une couche sous la surface du composant). Une autre bonne façon de le faire est de remplir la partie libre de la couche de câblage du signal avec le plan de masse. Ces plans de masse doivent être reliés au plan de masse principal par une pluralité de perçages. Il est à noter que la présence d'un point de mise à la terre entraîne une modification des caractéristiques de l'inductance à proximité, de sorte que le choix de la valeur de l'inductance et le placement de l'inductance doivent être soigneusement pris en compte.

(2) raccourcir la distance de connexion au plan de masse

Toutes les connexions au plan de masse doivent être aussi courtes que possible et les trous de passage de terre doivent être placés (ou très près) des plots de montage. Ne laissez jamais deux signaux de mise à la terre partager une mise à la terre. Cela peut entraîner une diaphonie entre les deux Plots en raison de l'impédance de connexion poreuse.

(3) découplage RF

Le condensateur de découplage doit être placé le plus près possible de la broche et le découplage doit être effectué à l'aide d'un condensateur à chaque broche où le découplage est nécessaire. Avec des condensateurs en céramique de haute qualité, le meilleur type de diélectrique est « npo». Le "x7r" fonctionne également bien dans la plupart des applications. Le choix idéal de la valeur du condensateur doit être tel que la résonance série soit égale à la fréquence du signal. Par exemple, à 434 MHz, un condensateur de 100 PF avec un SMD installé fonctionnera bien. A cette fréquence, la tolérance du condensateur est de l'ordre de 4 îlots et l'inductance des pores traversants est également dans la même gamme. Les condensateurs et les perçages en série forment un filtre coupe - bande à la fréquence du signal, ce qui permet un découplage efficace. À 868 MHz, le condensateur 33pf est idéal. En plus d'un condensateur de petite valeur pour le découplage RF, un condensateur de grande valeur doit être placé sur la ligne d'alimentation pour découpler les basses fréquences. Vous pouvez choisir entre une céramique de 2,2 ° f ou un condensateur au tantale de 10 ° f.

(4) câblage d'étoile de puissance

Le câblage en étoile est une technique bien connue dans la conception de circuits analogiques (comme le montre la figure 1). Chaque module sur la carte de câblage star a son propre cordon d'alimentation, provenant d'un point d'alimentation commun. Dans ce cas, le câblage en étoile signifie que la partie numérique et la partie RF du circuit doivent avoir leurs propres lignes d'alimentation, et que ces lignes d'alimentation doivent être découplées individuellement à proximité de l'IC. C'est un moyen efficace de séparer le bruit d'alimentation de la partie numérique et de la partie RF. Si des modules fortement bruyants sont placés sur la même carte, il est possible de mettre en série des inductances (billes magnétiques) ou de petites résistances (10 îlots) entre la ligne d'alimentation et les modules, et le découplage de l'alimentation de ces modules doit être réalisé à l'aide de condensateurs au tantale d'au moins 10 îlots f. Un tel module est un pilote RS 232 ou un régulateur de puissance à découpage.

(5) Disposition raisonnable de PCB

Pour réduire les interférences provenant du module de bruit et des composants analogiques environnants, la disposition de chaque module de circuit sur la carte est importante. Gardez toujours les modules sensibles (composants RF et antennes) à l'écart des modules bruyants (microcontrôleurs et pilotes RS 232) pour éviter les interférences.

(6) Effet du Signal RF blindé sur d'autres composants analogiques

Comme indiqué ci - dessus, les signaux RF provoquent des interférences lors de leur émission avec d'autres modules de circuits analogiques sensibles tels que l'ADC. La plupart des problèmes se produisent dans les bandes de fonctionnement inférieures (par exemple, 27 MHz) et les niveaux de sortie de puissance élevés. Mettre un condensateur de découplage RF (100 PF) à la masse pour découpler les points sensibles est une bonne pratique de conception.

(7) précautions particulières pour l'antenne annulaire embarquée

L'antenne peut être intégrée sur le PCB. Il permet non seulement d'économiser de l'espace et des coûts de production par rapport à une antenne fouet traditionnelle, mais il est également plus stable et fiable sur le mécanisme. Classiquement, les conceptions d'antennes en anneau sont appliquées à des bandes passantes relativement étroites, ce qui contribue à supprimer les signaux forts indésirables et donc à ne pas perturber le récepteur. Il est à noter qu'une antenne en anneau (comme toutes les autres antennes) peut recevoir du bruit couplé capacitivement par une ligne de signal de bruit voisine. Il interfère avec le récepteur et peut également affecter la modulation de l'émetteur. Par conséquent, assurez - vous de ne pas poser de lignes de signal numérique près de l'antenne, il est recommandé de garder un espace libre autour de l'antenne. Tout objet proche de l'antenne fera partie du réseau d'accord, ce qui entraînera l'Accord de l'antenne hors du point de fréquence prévu et réduira la portée du rayonnement émis et reçu (distance). Pour tous les types d'antennes, il est important de noter que le boîtier de la carte (emballage extérieur) peut également affecter le réglage de l'antenne. Dans le même temps, il faut prendre soin de retirer le plan de masse de la zone de l'antenne, sinon l'antenne ne fonctionnera pas efficacement. (8) branchement de la carte de circuit imprimé si un câble est utilisé pour raccorder la carte de circuit RF à un circuit numérique externe, des paires Torsadées doivent être utilisées. Chaque ligne de signal doit être torsadée avec une ligne GNd (DIN / GND, dout / GND, CS / GND, PWR / up / GND). N'oubliez pas de connecter la carte RF et la carte d'application numérique avec le fil GNd de la Paire torsadée, la longueur du câble doit être aussi courte que possible. Les circuits alimentant la carte RF doivent également être toronnés avec GNd (VDD / GND).