Technologie PCB - Comment installer des circuits RF et des circuits numériques sur une carte PCB

Comment installer des circuits RF et des circuits numériques sur une carte PCB

Les dispositifs RF monopuce facilitent grandement les applications dans le domaine des communications sans fil à une certaine échelle. Le choix du microcontrôleur et de l'antenne appropriés et la combinaison de ce dispositif émetteur - récepteur ensemble peuvent 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.

Opposition potentielle entre circuits numériques et analogiques

Supposons que les circuits analogiques (RF) et numériques (microcontrôleurs) puissent fonctionner indépendamment, mais une fois que les deux sont placés sur la même carte et fonctionnent ensemble avec la même source d'alimentation, il est probable que l'ensemble du système soit instable.

Ceci est principalement dû au fait que le signal numérique oscille fréquemment entre la masse et l'alimentation positive (3V) et que la période est très courte, typiquement au niveau ns. En raison de la grande amplitude et du temps de commutation réduit, ces signaux numériques contiennent de nombreuses composantes haute fréquence indépendantes de la fréquence de commutation.

Dans la partie analogique, le signal issu de l'Accord d'antenne vers la partie réception du dispositif sans fil est typiquement inférieur à 1°v. Ainsi, la différence entre le signal numérique et le signal RF atteindra 10 - 6 (120 Db).

De toute évidence, en supposant que les signaux numériques et RF ne sont pas bien différenciés, les signaux RF faibles peuvent être endommagés. En conséquence, la fonction de fonctionnement de l'appareil sans fil se détériorera, voire ne fonctionnera pas du tout.

FAQ circuits RF et circuits numériques sur le même morceau de PCB

Ne pas bloquer suffisamment les lignes actives et les lignes de signal de bruit est un problème courant. Comme indiqué ci - dessus, le signal numérique a une forte Oscillation et contient de nombreux harmoniques haute fréquence.

En supposant que le signal analogique actif est proche du câblage du signal numérique sur la carte PCB, il est possible que les harmoniques haute fréquence soient précédemment couplées.

Les noeuds les plus actifs d'un dispositif RF sont généralement un circuit de filtre de boucle d'une boucle à verrouillage de phase (PLL), une inductance d'oscillateur externe commandé en tension (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

Les signaux d'entrée / sortie ayant une oscillation de quelques volts, les circuits numériques peuvent généralement tolérer des bruits d'alimentation (inférieurs à 50 MV). En même temps que les circuits analogiques, il s'applique 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 cartes PCB contenant des circuits RF (ou d'autres circuits imités) doit être plus prudent que le câblage sur les cartes numériques en général et doit être protégé contre le câblage automatique.

Dans le même temps, il convient également de noter que le microcontrôleur (ou autre circuit numérique) absorbera brusquement la majeure partie du courant dans chaque cycle d'horloge interne pendant un court laps de temps. C'est parce que les microcontrôleurs modernes utilisent la planification de processus 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 un découplage approprié de l'alimentation n'est pas effectué, une panne de tension sera inévitablement causée sur la ligne d'alimentation.

En supposant que ces bavures de tension atteignent les broches d'alimentation de la partie RF du circuit, elles peuvent entraîner de graves échecs de fonctionnement. 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 un plan de masse connecté 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 un planificateur de circuit numérique, car la plupart des circuits numériques fonctionnent bien même sans plan de masse.

Dans la bande RF, même un fil très court produit le même effet qu'une inductance. Grossièrement calculé, l'inductance par millimètre de longueur est d'environ 1 NH et celle d'un circuit PCB de 10 mm à 434 MHz est d'environ 27 îlots. En supposant qu'aucune couche de ligne de terre n'est sélectionnée, la plupart des lignes de terre seront plus longues et le circuit ne sera pas en mesure de garantir les caractéristiques prévues.

(3) rayonnement de l'antenne à d'autres composants imités

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.

En supposant que l'antenne de l'émetteur RF se trouve à proximité (ou sur) ce PCB, le signal haute fréquence déclaré peut atteindre l'entrée analogique de l'ADC. N'oubliez pas que toute ligne de circuit peut émettre ou recevoir un signal RF comme une antenne.

En supposant que le traitement de l'entrée ADC n'est pas justifié, le signal RF peut s'auto - exciter dans la diode ESD de l'entrée ADC, ce qui entraîne alors une erreur ADC. Circuit RF et circuit numérique adoptent le même schéma de traitement PCB

Quelques plans directeurs et stratégies de câblage sont donnés ci - dessous pour la plupart des applications RF. Cependant, il est plus important de suivre les recommandations de câblage des appareils RF dans la pratique.

(1) Plan de masse fiable

Lors de la planification d'un PCB avec des composants RF, vous devez toujours choisir un plan de masse fiable. Son but est d'établir un point de potentiel 0v utile dans le circuit afin que tous les appareils puissent être simplement 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 les PCB installés à l'extérieur, tous les signaux sont câblés du même côté de la surface de l'appareil composant et la mise à la terre n'est pas bonne.

Le plan de masse de l'aspiration doit couvrir tout le PCB (sauf sous le PCB de l'antenne). En supposant que plus de deux couches de PCB soient utilisées, la couche de terre doit être placée sur une couche proche de la couche de signal (comme celle située 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 des modifications des caractéristiques de l'inductance environnante, il est donc nécessaire de réfléchir attentivement au choix de la valeur de l'inductance et au placement de l'inductance.

(2) raccourcir la distance de connexion à la couche de terre

Toutes les connexions à la couche de mise à la terre doivent être aussi courtes que possible et les trous de mise à la terre doivent être placés (ou très près) des plots de l'assemblage. Ne laissez jamais deux signaux de terre partager un trou de passage de terre, ce qui pourrait entraîner une diaphonie entre les deux Plots en raison de l'impédance de connexion du trou de passage.

(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.

Choisissez des condensateurs en céramique de haute qualité. Le meilleur type de diélectrique est "NPO". Le "x7r" fonctionne 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 monté sur SMD 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 Vias en série forment un filtre coupe - bande par rapport à la fréquence du signal, ce qui le rend utile pour le découplage.

À 868 MHz, une capacité de 33 PF est idéale. 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 modélisé selon une technique bien connue dans la planification des circuits. 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 près de l'IC.

C'est un moyen utile d'isoler le bruit d'alimentation de la partie numérique et de la partie RF.

Etant donné que les modules à fort bruit sont placés sur une même carte, il est possible de mettre en série une inductance (bille magnétique) ou une petite résistance (10 îlots) entre la ligne d'alimentation et le module, et il est nécessaire d'utiliser comme condensateur un condensateur au tantale d'au moins 10 îlots f. L'alimentation de ces modules est découplée. 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 des modules de bruit et des composants analogiques périphériques, la disposition de chaque module de circuit sur la carte est importante. Gardez toujours les modules actifs (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 imités

Comme indiqué ci - dessus, les signaux RF interfèrent avec d'autres modules de circuits analogiques actifs, tels que les ADC, lorsqu'ils sont émis. La plupart des problèmes se produisent dans les bandes de fonctionnement inférieures (par exemple, 27 MHz) et les niveaux de sortie de puissance élevés. L'utilisation d'un condensateur de découplage RF (100 PF) connecté à la masse et couplant en continu les points actifs est une bonne habitude de planification.

(7) précautions particulières pour l'antenne annulaire embarquée

Les antennes peuvent toutes être intégrées au PCB.

Il permet non seulement d'économiser de l'espace et des coûts de production par rapport aux antennes whip traditionnelles, mais il est également plus stable et fiable sur le plan organisationnel. Traditionnellement, les antennes en anneau sont prévues pour une bande passante relativement étroite, ce qui aide à supprimer les signaux forts indésirables perturbant le récepteur. Notez qu'une antenne en anneau (comme toutes les autres antennes) peut recevoir du bruit couplé capacitivement à partir d'une ligne de signal de bruit à proximité.

Il peut agacer 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 un écart de l'Accord de l'antenne par rapport au point de fréquence prévu et réduira l'échelle (distance) du rayonnement émis et reçu. Pour tous les types d'antennes, il est nécessaire de prêter attention à cette réalité, 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 peut pas être utilisée efficacement.

(8) connexion de la carte

Supposons que vous utilisez un câble pour connecter la carte RF à un circuit numérique externe, vous devriez utiliser une Paire torsadée. 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. Le circuit d'alimentation de la carte RF doit également être toronné avec GNd (VDD / GND).

Conclusion

Le développement rapide des circuits intégrés RF fournit le plus grand goulot d'étranglement d'application sans fil pour les ingénieurs et les techniciens impliqués dans les systèmes de transmission de données audio - vidéo numériques sans fil, la télécommande sans fil, les systèmes de télémétrie, les systèmes d'acquisition de données sans fil, les réseaux sans fil, les Systèmes de sécurité et de défense sans fil. Peut - être

Dans le même temps, la planification des circuits RF exige que les planificateurs aient une certaine expérience pratique et des capacités de planification technique.