Blogue PCB - Conseils de carte PCB pour réduire le couplage du signal lors de la conception RF

La conception de carte PCB radiofréquence (RF) est souvent décrite comme « Art noir» en raison de son incertitude théorique, mais cette idée n'est que partiellement vraie et il existe de nombreuses directives de conception de carte RF qui peuvent et ne doivent pas être suivies et ignorées. Cependant, en ce qui concerne la conception réelle, le vrai truc est de faire des compromis lorsque ces directives et lois ne peuvent pas être appliquées avec précision en raison de diverses contraintes de conception. Bien sûr, il y a beaucoup de sujets importants de conception RF qui méritent d'être discutés, y compris l'adaptation d'impédance et d'impédance, les matériaux isolants et les stratifiés, les longueurs d'onde et les ondes stationnaires, mais cet article se concentrera sur diverses questions liées à la conception de séparations de plaques RF. Les conceptions de téléphones d'aujourd'hui intègrent tout de différentes manières, ce qui n'est pas bon pour la conception de cartes RF. Cette industrie est maintenant très compétitive et tout le monde cherche des moyens de combiner plusieurs fonctionnalités avec la taille et le coût. Les circuits analogiques, numériques et RF sont tous étroitement encapsulés, laissant peu de place pour séparer leurs zones problématiques respectives, et le nombre de couches est généralement réduit en raison de considérations de coût. Étonnamment, une puce polyvalente peut intégrer de nombreuses fonctions sur une très petite puce et les broches connectées au monde extérieur sont si étroitement alignées que les signaux RF, if, analogiques et numériques sont si étroitement liés, mais ils sont généralement indépendants électriquement. La distribution d'énergie peut être un cauchemar pour les concepteurs, avec différentes parties du circuit partageant le temps au besoin et gardant la vie de la batterie grâce à des interrupteurs commandés par logiciel. Cela signifie que votre téléphone peut avoir besoin de 5 à 6 blocs d’alimentation.

Concept de disposition RF

Il y a plusieurs principes généraux qui doivent être priorisés lors de la conception d'un agencement RF: isoler autant que possible les amplificateurs RF haute puissance (HPA) des amplificateurs à faible bruit (LNA), en bref, garder les circuits d'émission RF haute puissance loin des circuits de réception RF basse puissance. Vous pouvez le faire assez facilement si vous avez beaucoup d'espace physique sur votre PCB, mais souvent, avec moins d'espace en raison du grand nombre de composants sur votre PCB, cela n'est généralement pas possible. Vous pouvez les placer de chaque côté de la carte PCB ou les faire fonctionner en alternance au lieu de travailler en même temps. Les circuits de forte puissance peuvent parfois également comprendre des tampons RF et des oscillateurs commandés en tension (VCO). Assurez - vous qu'il y a au moins une mise à la terre complète dans la zone de haute puissance sur le PCB sans trou excessif. Bien sûr, plus il y a de cuivre, mieux c'est. Plus tard, nous discuterons de la façon de briser ce principe de conception au besoin et de la façon d'éviter les problèmes qui en découlent. Le découplage de la puce et de l'alimentation est également extrêmement important, et nous discuterons plus tard de plusieurs façons de mettre en œuvre ce principe. La sortie RF doit généralement être éloignée de l'entrée RF, dont nous parlerons en détail plus tard. Les signaux analogiques sensibles doivent être aussi éloignés que possible des signaux numériques et RF à grande vitesse.

Comment partitionner?

La partition de conception peut être décomposée en partitions physiques et électriques. Le zonage physique concerne principalement des questions telles que le placement des composants, l'orientation et le blindage; Les partitions électriques peuvent continuer à être décomposées en partitions pour la distribution d'électricité, les traces RF, les circuits et signaux sensibles et la mise à la terre. Tout d'abord, nous parlons de la partition physique. Le placement des éléments est la clé pour réaliser la conception RF. Une technique efficace consiste d'abord à immobiliser les composants situés sur le chemin radiofréquence et à ajuster leur orientation de manière à minimiser la longueur du chemin radiofréquence, à éloigner l'entrée de la sortie et à séparer le plus possible les composants. Circuits de puissance et circuits de faible puissance. Une méthode efficace d'empilage de plaques consiste à disposer le plan de masse principal (masse principale) sur une deuxième couche sous la couche superficielle et à faire défiler autant de lignes RF que possible sur la couche superficielle. Réduire la taille des pores sur le chemin RF réduit non seulement l'inductance du chemin, mais aussi les points de soudure fantômes sur la masse principale et réduit les risques de fuite d'énergie RF vers d'autres zones de l'empilement. Dans l'espace physique, un circuit linéaire tel qu'un amplificateur Multi - étages est généralement suffisant pour isoler plusieurs zones RF les unes des autres, mais un duplexeur, un mélangeur et un amplificateur / mélangeur if ont toujours plusieurs RF / if. Les signaux interfèrent les uns avec les autres, il faut donc prendre soin de minimiser cet effet. Les traces RF et if doivent être croisées autant que possible et laisser autant d'espace de mise à la terre entre elles que possible. Le routage RF correct est très important pour la performance de l'ensemble du PCB, c'est pourquoi le placement des éléments occupe généralement la majeure partie du temps dans la conception de PCB de téléphone portable. Sur un PCB de téléphone portable, il est généralement possible de placer le circuit LNA d'un côté du PCB, l'amplificateur de haute puissance de l'autre côté et enfin de les connecter au côté RF et au traitement en bande de base au même endroit via un duplexeur sur l'antenne de l'appareil. Quelques astuces sont nécessaires pour s'assurer que le passage à travers les trous ne transfère pas l'énergie RF d'un côté à l'autre de la carte, et la technique courante consiste à utiliser des trous de passage aveugles des deux côtés. Les effets néfastes du passage à travers le trou peuvent être minimisés en disposant le passage à travers le trou dans une zone sans interférence RF des deux côtés du PCB.

Parfois, il n'est pas possible d'assurer une isolation suffisante entre plusieurs blocs de circuits, auquel cas il faut envisager un blindage métallique pour masquer l'énergie RF dans la zone RF, mais le blindage métallique pose également des problèmes tels que son propre coût et son coût d'assemblage très élevé; Les blindages métalliques de forme irrégulière sont difficiles à assurer lors de la fabrication avec une grande précision et les blindages métalliques rectangulaires ou carrés limitent l'agencement des composants; Le blindage métallique ne favorise pas le remplacement des composants et le positionnement des défauts; Étant donné que le blindage métallique doit être soudé au sol et doit être maintenu à une distance appropriée de l'assemblage, il occupe un espace précieux pour la carte PCB. Il est très important d'assurer autant que possible l'intégrité du bouclier. La ligne de signal numérique entrant dans le bouclier métallique doit être orientée aussi loin que possible vers la couche interne, la carte PCB sous la couche de câblage étant la couche de mise à la terre. Les lignes de Signal RF peuvent être tirées de la couche de câblage à un petit écart au fond du blindage métallique et à l'écart de masse, mais autant de masse que possible doit être répartie autour de l'écart, et la masse sur les différentes couches peut être connectée ensemble par de multiples pores. Malgré les problèmes mentionnés ci - dessus, le blindage métallique est très efficace et constitue souvent une solution pour isoler les circuits critiques. En outre, un découplage approprié et efficace de l'alimentation de la puce est également très important. De nombreuses puces RF avec des lignes linéaires intégrées sont très sensibles au bruit d'alimentation et nécessitent généralement jusqu'à quatre condensateurs et une inductance d'isolation par puce pour s'assurer que tout le bruit d'alimentation est filtré).

La valeur d'un condensateur est généralement déterminée par sa fréquence d'auto - résonance et sa faible inductance de connexion, la valeur de C4 étant également choisie en conséquence. Les valeurs de C3 et C2 sont relativement importantes en raison de leur propre inductance de broche, de sorte que l'effet de découplage RF est faible, mais elles sont mieux adaptées au filtrage des signaux de bruit basse fréquence. L'inductance L1 empêche le couplage du Signal RF dans la puce depuis la ligne d'alimentation. Rappelez - vous: toutes les traces sont une antenne potentielle qui peut à la fois recevoir et émettre des signaux RF et qui nécessite également d'isoler les signaux RF inductifs du câblage critique. L'emplacement physique de ces composants de découplage est également souvent critique. Les principes de disposition de ces composants importants sont les suivants: C4 doit être aussi proche que possible de la broche IC et mis à la terre, C3 doit être proche de C4, C2 doit être proche de C3 et la broche IC doit être proche de C4. Les pistes de connexion doivent être aussi courtes que possible et les bornes de masse de ces composants (en particulier C4) doivent normalement être connectées aux broches de masse de la puce par le plan de masse suivant. Les Vias qui relient le composant à la couche de terre doivent être aussi proches que possible des plots du composant sur le PCB. Les trous borgnes des plots servent à réduire l'inductance des fils de connexion, l'induction électrique étant proche de C1. Un circuit intégré ou un amplificateur a généralement une sortie à drain ouvert, de sorte qu'une inductance de pull - up est nécessaire pour fournir une charge RF Haute impédance et une source DC basse impédance. Le même principe s'applique au découplage de l'alimentation du côté de cette inductance. Certaines puces nécessitent plusieurs Alimentations pour fonctionner, vous pouvez donc avoir besoin de deux ou trois ensembles de condensateurs et d’inductances pour les découpler séparément, ce qui peut causer des problèmes s’il n’y a pas assez d’espace autour de la puce. Gardez à l'esprit que les inducteurs sont rarement connectés en parallèle, car cela formerait un transformateur creux et induirait un signal perturbateur, de sorte qu'ils doivent être au moins aussi éloignés que la hauteur de l'un des appareils ou espacés à angle droit pour réduire leur inductance mutuelle.

Le principe de la partition électrique est généralement le même que celui de la partition physique, mais certains autres facteurs sont également impliqués. Certaines Parties des téléphones modernes fonctionnent à différentes tensions et sont contrôlées par un logiciel pour prolonger la durée de vie de la batterie. Cela signifie que le téléphone doit faire fonctionner plusieurs sources d'alimentation, ce qui crée plus de problèmes d'isolation. L'alimentation est généralement introduite au niveau du connecteur et découplée immédiatement avant d'être distribuée par un ensemble d'interrupteurs ou de régulateurs de tension pour filtrer tout bruit à l'extérieur de la carte. La plupart des circuits dans un téléphone ont assez peu de courant continu, de sorte que la largeur de la piste n'est généralement pas un problème, cependant, une piste individuelle à courant élevé aussi large que possible doit être utilisée pour l'alimentation d'un amplificateur de forte puissance afin de minimiser les chutes de tension de transmission. Pour éviter une perte de courant excessive, plusieurs pores sont nécessaires pour transférer le courant d'une couche à l'autre. De plus, si l'amplificateur de forte puissance n'est pas suffisamment découplé sur ses broches d'alimentation, le bruit de forte puissance rayonnera sur toute la carte et causera divers problèmes. La mise à la terre des amplificateurs de haute puissance est essentielle et nécessite généralement un blindage métallique. Dans la plupart des cas, il est également essentiel de s'assurer que la sortie RF est éloignée de l'entrée RF. Cela s'applique également aux amplificateurs, Buffers et filtres. Dans le pire des cas, si les sorties de l'amplificateur et du buffer sont renvoyées à l'entrée avec la phase et l'amplitude appropriées, elles risquent d'osciller d'elles - mêmes. Dans tous les cas, ils fonctionneront de manière stable dans toutes les conditions de température et de tension. En effet, ils peuvent devenir instables et ajouter du bruit et des signaux d'intermodulation au Signal RF.

Si la ligne de Signal RF doit reboucler de l'entrée vers la sortie du filtre, cela peut sérieusement endommager le caractère passe - bande du filtre. Pour obtenir une bonne isolation entre l'entrée et la sortie, il faut d'abord placer la masse autour du filtre et, d'autre part, placer la masse dans la zone inférieure du filtre et la connecter à la masse principale autour du filtre. C'est aussi une bonne idée que les lignes de signal qui devront traverser le filtre soient aussi éloignées que possible des broches du filtre. En outre, soyez très prudent de ne pas mettre la terre n'importe où sur la carte, sinon vous pourriez introduire inconsciemment un canal de couplage que vous ne voulez pas que cela se produise. La figure 3 détaille cette méthode de mise à la terre. Il est parfois possible de choisir une ligne de Signal RF à extrémité unique ou équilibrée, et les mêmes principes concernant les interférences croisées et EMC / EMI s'appliquent ici. Des lignes de Signal RF équilibrées peuvent réduire le bruit et les interférences croisées si elles sont correctement câblées, mais leur impédance est généralement élevée et doit être maintenue à une largeur de ligne raisonnable pour obtenir une impédance adaptée à la source, à la trace et à la charge. Le câblage réel peut être difficile. Un buffer peut être utilisé pour améliorer l'isolation, car il peut diviser le même signal en deux et l'utiliser pour piloter différents circuits, en particulier lorsque lo peut avoir besoin d'un buffer pour piloter plusieurs mélangeurs. Lorsque le mélangeur atteint l'isolation en mode commun à la fréquence RF, il ne fonctionnera pas correctement. Les Buffers permettent une bonne isolation des variations d'impédance à différentes fréquences, ce qui permet aux circuits de ne pas interférer les uns avec les autres. Les tampons sont d'une grande aide dans la conception, ils peuvent être placés derrière des circuits qui doivent être pilotés, de sorte que les traces de sortie de haute puissance sont courtes, car les tampons ont des niveaux de signal d'entrée relativement bas, de sorte qu'ils ne sont pas sensibles aux autres circuits sur la carte. Le circuit provoque des interférences. Il existe également de nombreuses lignes de signalisation et de commande très sensibles qui nécessitent une attention particulière, mais elles sortent du cadre de cet article et ne sont donc discutées que brièvement ici et ne seront pas décrites plus en détail.

Les oscillateurs commandés en tension (VCO) convertissent une tension changeante en une fréquence changeante, une fonction utilisée pour la commutation de Canal à grande vitesse, mais ils convertissent également une petite quantité de bruit sur la tension de commande en une petite variation de fréquence, ce qui permet au Signal RF d'augmenter le bruit. En général, après cela, vous ne pourrez plus supprimer le bruit du signal de sortie RF. Alors, où est la difficulté? Tout d'abord, la largeur de bande souhaitée de la ligne de commande peut être comprise entre DC et 2 MHz, et il est pratiquement impossible de filtrer dans une bande aussi large pour éliminer le bruit; Deuxièmement, les lignes de contrôle VCO font souvent partie d'une boucle de rétroaction qui contrôle la fréquence, ce qui est le cas dans de nombreux cas. Le bruit peut être omniprésent et les lignes de contrôle VCO doivent donc être manipulées avec beaucoup de soin. Assurez - vous que la mise à la terre sous les traces RF est solide et que tous les composants sont fermement attachés à la terre principale et isolés des autres traces qui peuvent introduire du bruit. Assurez - vous également que l'alimentation du VCO est suffisamment découplée, car la sortie RF du VCO a tendance à être à un niveau relativement élevé et le signal de sortie du VCO peut facilement interférer avec d'autres circuits, vous devez donc accorder une attention particulière au VCO. En effet, le VCO est généralement placé à l'extrémité de la zone RF et nécessite parfois un blindage métallique.

Les circuits résonnants (l'un pour l'émetteur et l'autre pour le récepteur) sont liés au VCO, mais ont également leurs propres caractéristiques. En termes simples, un circuit résonant est un circuit résonant parallèle avec une diode Capacitive qui aide à régler la fréquence de fonctionnement du VCO et à moduler la parole ou les données sur un signal RF. Tous les principes de conception VCO s'appliquent également aux circuits résonants. Les circuits résonants sont en général très sensibles au bruit car leurs composants sont nombreux, largement répartis sur la carte et fonctionnent généralement à des fréquences RF très élevées. Les signaux sont généralement disposés sur des broches adjacentes de la puce, mais ces broches de signal doivent fonctionner avec des inductances et des condensateurs relativement grands, ce qui nécessite à son tour que ces inductances soient placées de manière étanche avec les condensateurs et soient reliées à une boucle de commande sensible au bruit. Ce n'est pas facile de le faire. Les amplificateurs à contrôle automatique de gain (AGC) sont également un endroit vulnérable aux problèmes et seront présents dans les circuits d'émission et de réception. Les amplificateurs AGC sont généralement efficaces pour filtrer le bruit, mais la capacité des téléphones cellulaires à gérer les variations rapides de l'intensité des signaux émis et reçus nécessite une bande passante assez large pour les circuits AGC, ce qui facilite l'introduction de bruit par les amplificateurs AGC sur certains circuits critiques. Lors de la conception d'une ligne AGC, il est essentiel de suivre de bonnes techniques de conception de circuits analogiques, liées à des broches d'entrée d'amplificateur opérationnel très courtes et à des chemins de rétroaction très courts, qui doivent tous deux être éloignés des traces de signaux RF, if ou numériques à grande vitesse. De plus, une bonne mise à la terre est également indispensable et l'alimentation de la puce doit être bien découplée. Si vous devez brancher un long fil à l'entrée ou à la sortie, c'est à la sortie, son impédance est généralement beaucoup plus faible et il est moins susceptible de générer du bruit inductif. En général, plus le niveau du signal est élevé, plus il est facile d'introduire du bruit dans d'autres circuits. Dans toutes les conceptions de PCB, il est un principe général de garder les circuits numériques aussi loin que possible des circuits analogiques, ce qui s'applique également aux conceptions de PCB RF. La mise à la terre analogique commune est souvent aussi importante que la mise à la terre utilisée pour masquer et isoler les lignes de signal, et le problème est que sans vision et planification minutieuse, il n'y a pratiquement rien à faire à cet égard à chaque fois. Par conséquent, une planification minutieuse, un placement réfléchi des composants et une évaluation approfondie du placement sont importants aux premiers stades de la conception, car des changements de conception involontaires peuvent entraîner la reconstruction d'une conception presque terminée. Quoi qu'il en soit, les conséquences graves de cette négligence ne sont pas une bonne chose pour votre développement de carrière personnel. De plus, Gardez la ligne RF loin des lignes analogiques et de certains signaux numériques très critiques. Toutes les pistes RF, les Plots et les composants doivent être remplis de cuivre de masse autant que possible et connectés à la masse principale autant que possible. Les cartes de construction micro - perforées (telles que les plaques à pain) sont utiles pendant la phase de développement des circuits RF, et si vous choisissez une carte de construction, vous pouvez utiliser gratuitement le nombre de trous de construction que vous souhaitez, sinon le forage sur un PCB normal augmentera les coûts de développement, ce qui augmentera les coûts lors de la production de masse.

Si les traces RF doivent traverser les lignes de signal, essayez de câbler une couche le long des traces RF entre elles à la masse de la terre principale. Si cela n'est pas possible, assurez - vous qu'ils se croisent pour minimiser le couplage capacitif et sont mis à la terre autant que possible autour de chaque piste RF, puis connectez - les à la masse principale. De plus, la réduction de la distance entre les traces RF parallèles permet de réduire le couplage inductif. Un plan de masse monolithique solide est placé directement sous la couche supérieure, isolant l'effet, bien qu'avec un peu de conception minutieuse, d'autres pratiques fonctionnent. J'ai essayé de diviser le plan de masse en plusieurs parties pour isoler les lignes analogiques, numériques et RF, mais je n'ai jamais été satisfait du résultat, car il y aura toujours des lignes de signal à grande vitesse à travers ces mises à la terre individuelles, ce qui n'est pas une bonne chose. Sur chaque couche de la carte PCB, posez autant de terre que possible et connectez - la à la terre principale. Placez les traces aussi près que possible pour augmenter le nombre de Plots sur le signal interne et la couche de distribution, et Ajustez les traces de sorte qu'il soit possible de câbler les connexions de masse à travers les trous aux Plots isolés sur la surface. La mise à la terre libre des couches de la carte PCB doit être évitée car elles captent ou injectent du bruit comme de petites antennes.