Technologie PCB - Intégrité du signal approche de conception de l'alimentation et de la mise à la terre des circuits RF à partir de la disposition PCB de l'émetteur - récepteur WiFi

La disposition de la carte PCB de circuit pour les circuits radiofréquences (RF) doit être effectuée sur la base de la compréhension des principes de base de la structure de la carte, du câblage de l'alimentation et de la mise à la terre. Cet article traite des principes de base pertinents et fournit quelques pratiques, éprouvées, câblage d'alimentation, dérivation de puissance et des techniques de mise à la terre qui peuvent effectivement améliorer les indicateurs de performance pour la conception RF. Étant donné que les signaux parasites PLL dans la conception réelle sont très sensibles au couplage de puissance, à la terre et à la position des éléments de filtre, cet article se concentre sur les méthodes de suppression des parasites PLL. Pour illustrer ce problème, cet article prend la disposition de PCB de l'émetteur - récepteur max2827 802.11a / G comme conception de référence.

Figure 1: câblage VCC en topologie en étoile

Lors de la conception d'un circuit RF, la conception du circuit d'alimentation et la disposition de la carte ont tendance à rester après la conception du chemin du signal haute fréquence est terminée. Pour les conceptions non soigneusement réfléchies, la tension d'alimentation autour du circuit est susceptible de générer des sorties erronées et du bruit, ce qui affectera davantage les performances du circuit RF. La distribution rationnelle de la couche PCB, l'utilisation de broches VCC à topologie étoilée et l'ajout de condensateurs de découplage appropriés sur les broches VCC aideront à améliorer les performances du système et à obtenir les meilleurs indicateurs.

Principes de base du câblage et du Bypass d'alimentation

L'allocation intelligente de la couche PCB facilite le traitement ultérieur du câblage. Pour les circuits imprimés à quatre couches (cartes couramment utilisées dans les WLAN), dans la plupart des applications, la couche supérieure de la carte est utilisée pour placer les composants et les conducteurs RF, la deuxième couche sert de masse au système, la partie alimentation est placée au troisième niveau et toute ligne de signal peut être distribuée Au quatrième niveau. La disposition continue du plan de masse de la deuxième couche est nécessaire pour établir un chemin de Signal RF à impédance contrôlée. Elle favorise également une boucle de masse la plus courte possible et assure un haut degré d'isolation électrique des première et troisième couches, en minimisant le couplage entre les deux couches. Bien entendu, d'autres méthodes de définition de couche de carte peuvent également être utilisées (en particulier lorsque les cartes ont un nombre différent de couches), mais la structure ci - dessus est un exemple de réussite.

Figure 2: variation de l'impédance du condensateur à différentes fréquences

Une grande surface de couche de puissance peut faciliter le câblage VCC, mais cette structure est souvent un fusible qui entraîne une baisse des performances du système. Connecter tous les cordons d'alimentation ensemble sur un plan plus grand empêchera inévitablement les broches entre les broches. Transmission de bruit. Inversement, si vous utilisez une topologie en étoile, le couplage entre les différentes broches d'alimentation sera réduit. La figure 1 montre le schéma de câblage VCC pour la connexion en étoile, tiré de la carte d'évaluation de l'émetteur - récepteur max2826 IEEE 802.11a / G. Sur la figure, un noeud principal VCC est établi à partir duquel les lignes d'alimentation des différentes branches sont extraites pour alimenter les broches d'alimentation du circuit intégré RF. Chaque broche d'alimentation utilise des broches indépendantes pour assurer une isolation spatiale entre les broches, ce qui est bénéfique pour réduire le couplage entre les broches. De plus, chaque fil possède une certaine inductance parasite, ce qui est exactement ce que nous recherchons, ce qui aide à filtrer le bruit à haute fréquence sur les lignes électriques.

Lors de l'utilisation de broches VCC de topologie étoilée, il est également nécessaire de prendre un découplage de puissance approprié et le condensateur de découplage présente une certaine inductance parasite. En effet, un condensateur est équivalent à un Circuit RLC en série. Les condensateurs jouent un rôle dominant dans la bande basse, mais à la fréquence d'oscillation auto - excitée (SRF):

Après cela, l'impédance du condensateur va prendre une inductance. On voit que les condensateurs n'ont un effet de découplage que lorsque la fréquence est proche ou inférieure à leur SRF et que les condensateurs présentent une faible résistance à ces fréquences. La figure 2 montre les paramètres typiques de S11 pour différentes valeurs de capacité. De ces courbes, vous pouvez clairement voir SRF. On voit également que plus la capacité est importante, meilleures sont les performances de découplage offertes aux fréquences inférieures (plus l'impédance présentée est importante). Faible).

Il est préférable de placer un condensateur de grande capacité, par exemple 2,2 ° F, au nœud principal de la topologie étoile VCC. Ce condensateur a un SRF faible, ce qui est très efficace pour éliminer le bruit à basse fréquence et établir une tension continue stable. Chaque broche d'alimentation de l'IC nécessite un condensateur de faible capacité (par example 10 NF) pour filtrer le bruit haute fréquence éventuellement couplé à la ligne d'alimentation. Pour les broches d'alimentation qui alimentent les circuits sensibles au bruit, deux condensateurs de dérivation externes peuvent être nécessaires. Par exemple: l'utilisation d'un condensateur 10pf pour fournir une dérivation en parallèle avec un condensateur 10nf peut fournir une gamme plus large de fréquences de découplage et tenter d'éliminer l'effet du bruit sur la tension d'alimentation. Chaque broche d'alimentation doit être soigneusement examinée pour déterminer combien de condensateurs de découplage sont nécessaires et à quelles fréquences le circuit réel est susceptible d'être perturbé par le bruit.

La combinaison d'une bonne technologie de découplage d'alimentation avec une mise en page PCB rigoureuse et des broches VCC (topologie en étoile) peut constituer une base solide pour toute conception de système RF. Bien qu'il existe d'autres facteurs dans la conception réelle qui réduisent les indicateurs de performance du système, avoir une alimentation « sans bruit» est un élément essentiel pour optimiser les performances du système.

Conception de mise à la terre et de perçage

La disposition et les fils de la couche de mise à la terre sont également essentiels à la conception de la carte WLAN, ils auront un impact direct sur les paramètres parasites de la carte et il y a un risque caché de réduire les performances du système. Dans la conception des circuits RF, il n'y a pas de schéma de mise à la terre unique. Il existe plusieurs façons d'atteindre des indicateurs de performance satisfaisants dans la conception. Le plan de masse ou le fil peut être divisé en signal analogique à la terre et signal numérique à la terre, il peut également isoler les circuits à fort courant ou à forte consommation d'énergie. Sur la base de l'expérience de conception passée des cartes d'évaluation WLAN, de meilleurs résultats peuvent être obtenus en utilisant un plan de masse séparé dans un panneau à quatre couches. Grâce à ces méthodes empiriques, la partie RF est isolée des autres circuits par une couche de terre, ce qui permet d'éviter les interférences croisées entre les signaux. Comme indiqué ci - dessus, la deuxième couche de la carte sert généralement de plan de masse et la première couche sert à placer les composants et les conducteurs RF.

Figure 3: modèle des caractéristiques électriques des pores.

Après avoir déterminé le plan de masse, il est très important de connecter tous les signaux à la terre avec le chemin le plus court. Les Vias sont généralement utilisés pour connecter les lignes de terre de la couche supérieure au plan de masse. Il convient de noter que les porosités sont électro - sensibles. La figure 3 montre un modèle précis des caractéristiques électriques des Vias, où lvia est l'inductance de Vias et cvia est la capacité parasite d'un Plot PCB traversant. Si vous utilisez les techniques de mise à la terre discutées ici, vous pouvez ignorer les capacités parasites. Un via profond de 1,6 mm avec une ouverture de 0,2 mm a une inductance d'environ 0,75 NH et une réactance équivalente d'environ 12 îlots / 24 îlots pour la bande WLAN 2,5 GHz / 5,0 GHz. Par conséquent, un trou de passage à la terre ne peut pas fournir une véritable masse pour le signal RF. Pour une conception de carte de haute qualité, autant de trous de mise à la terre que possible doivent être prévus dans la partie du circuit RF, en particulier pour la mise à la terre exposée dans le boîtier IC général. Rembourrage Une mauvaise mise à la terre produit également un rayonnement nocif dans la partie avant de la réception ou de l'amplificateur de puissance, réduisant ainsi les indicateurs de gain et de coefficient de bruit. Il convient également de noter qu'une mauvaise soudure des plots de terre peut entraîner le même problème. De plus, la consommation d'énergie de l'amplificateur de puissance nécessite également plusieurs Vias pour se connecter au plan de masse.

Figure 4. La disposition des éléments de filtre PLL est illustrée par la plaque de conception de référence max2827.

Filtrer les bruits des circuits des autres étages, supprimer les bruits générés localement et donc éliminer les interférences croisées entre les étages par les lignes d'alimentation, c'est l'avantage du découplage VCC. Si les condensateurs de découplage utilisent les mêmes perçages de masse, les perçages à ces points de connexion, du fait de l'effet inductif entre les perçages et la masse, porteront toutes les interférences RF des deux sources d'alimentation, ce qui non seulement perd la fonction des condensateurs de découplage, mais fournit également un autre chemin pour le couplage de bruit inter - étage dans le système.

Comme vous le verrez dans la seconde moitié de cet article, la mise en œuvre de PLL est toujours confrontée à de grands défis dans la conception de systèmes. Pour obtenir des caractéristiques parasites satisfaisantes, il est nécessaire d'avoir une bonne disposition des lignes de terre. Actuellement, dans la conception IC, tous les PLL et VCO sont intégrés dans la puce. La plupart des PLL utilisent une sortie de pompe de charge à courant numérique pour contrôler le VCO à travers un filtre de boucle. Typiquement, un filtre de boucle RC du deuxième ou du troisième ordre est nécessaire pour filtrer le courant pulsé numérique de la pompe de charge afin d'obtenir une tension de commande analogique. Les deux condensateurs situés à proximité de la sortie de la pompe de charge doivent être connectés directement à la masse du circuit de la pompe de charge. De cette manière, il est possible d'isoler le trajet du courant pulsé de la boucle de masse et de minimiser les fréquences parasites correspondantes en lo. Un troisième condensateur (pour le filtre du troisième ordre) doit être connecté directement à la masse du VCO pour empêcher la tension de commande de flotter avec le courant numérique. Si ces principes sont violés, beaucoup de faux ingrédients sont produits.

La figure 4 montre un exemple de disposition de PCB. Il existe de nombreux trous de passage à la terre sur les plots de mise à la terre, ce qui permet à chaque condensateur de découplage VCC d'avoir son propre trou de passage à la terre séparé. Le circuit dans la boîte est un filtre de boucle PLL. Le premier condensateur est directement connecté à GNd - CP, le deuxième condensateur (en série avec r) est tourné de 180 degrés pour revenir au même GNd - CP et le troisième condensateur est connecté à GNd - VCO. Ce schéma de mise à la Terre permet d'obtenir des performances système plus élevées.

Suppression des signaux parasites PLL avec une alimentation et une mise à la terre appropriées

Le masque de spectre d'émission est un point difficile dans le processus de conception pour répondre aux exigences des systèmes 802.11a / B / G. L'indice de linéarité et la consommation d'énergie doivent être équilibrés et une certaine marge doit être conservée pour s'assurer que l'IEEE est satisfaite à condition de maintenir une puissance d'émission suffisante. Et les règlements de la FCC. La puissance de sortie typique requise par un système IEEE 802.11g au niveau de l'antenne est de + 15 DBM, avec un écart de fréquence de - 28 DBR lorsque l'écart de fréquence est de 20 MHz. Le rapport de réjection de puissance (ACPR) d'un canal adjacent dans une bande de fréquences est fonction de la linéarité du dispositif et est correct pour une application particulière sous certaines conditions. En ajustant empiriquement la polarisation de TX IC et Pa, et en ajustant le réseau d'adaptation des étages d'entrée, de sortie et intermédiaires du PA, il est possible de réaliser un travail d'optimisation considérable des caractéristiques ACPR dans le canal de transmission.

Figure 5: effet de l'utilisation d'un filtre cyclique.

Cependant, tous les problèmes qui causent ACPR ne sont pas attribués à la nature linéaire du dispositif. Un bon exemple: après une série de réglages, l'amplificateur de puissance et le pilote Pa (deux facteurs qui jouent un rôle majeur dans l'ACPR) sont optimisés, Les caractéristiques des canaux adjacents de l'émetteur WLAN n'atteignent toujours pas les indicateurs attendus. A ce stade, il est à noter que les signaux parasites provenant de l'oscillateur local (lo) dans la boucle à verrouillage de phase de l'émetteur dégradent également les performances de l'ACPR. Le signal parasite de lo sera mélangé au signal en bande de base modulé et les composantes du mélange seront amplifiées le long du canal de signal souhaité. Cet effet de mélange ne pose problème que lorsque la composante parasite de la PLL est supérieure à un certain seuil. Lorsque la composante parasite PLL est inférieure à un certain seuil, l'ACPR sera principalement limitée par la non - linéarité pa. Lorsque la puissance de sortie TX et les caractéristiques du masque Spectral sont « linéairement limitées», nous devons équilibrer l'indice linéaire et la puissance de sortie; Si le caractère parasite lo devient un facteur majeur limitant les performances de l'ACPR, nous serons confrontés à des limites de « parasite» et le pa devra être polarisé à un point de fonctionnement plus élevé avec un pout spécifié pour réduire son impact sur l'ACPR, ce qui consommera plus de courant et limitera la flexibilité de conception.

La discussion ci - dessus soulève une autre question, à savoir comment limiter efficacement la composante parasite de la PLL à une certaine plage afin qu'elle n'affecte pas le spectre d'émission. Une fois la composante parasite découverte, une première solution qui vient à l'esprit est de réduire la bande passante du filtre de boucle PLL afin d'atténuer l'amplitude du signal parasite. Cette méthode est efficace dans de rares cas, mais il y a quelques problèmes potentiels.

La figure 5 illustre une situation hypothétique. On suppose que l'on utilise dans la conception un synthétiseur à division par n ayant une fréquence relative de 20 MHz. Si le filtre de boucle est un filtre du second ordre, avec une fréquence de coupure de 200 kHz et un taux de roulis typiquement de 40 dB / décade, une atténuation de 80 DB peut être obtenue à une fréquence de 20 MHz. Si la composante parasite de référence est de - 40 DBC (en supposant un niveau susceptible de conduire à une composante de modulation nuisible), le mécanisme de génération de l'parasite peut dépasser la plage du filtre de boucle (son amplitude peut être très importante si elle est produite avant le filtre). La bande passante du filtre de boucle de compression n'améliore pas les caractéristiques parasites, mais augmente le temps de verrouillage PLL, ce qui aura un impact négatif important sur le système.

L'expérience a prouvé que le moyen le plus efficace de supprimer les parasites PLL devrait être une mise à la terre rationnelle, une disposition de l'alimentation et des techniques de découplage. Le principe de câblage discuté dans cet article est un bon début de conception pour réduire les éléments parasites PLL. L'adoption d'une topologie en étoile est très nécessaire compte tenu de la grande variation de courant dans la pompe de charge. Sans isolation suffisante, le bruit généré par les impulsions de courant sera couplé à l'alimentation du VCO et modulera la fréquence du VCO, communément appelée « traction VCO ». Des mesures telles que l'isolation physique entre la ligne d'alimentation et le condensateur de découplage de chaque broche VCC, le placement rationnel du trou de passage de masse et l'introduction d'un assemblage en Ferrite série (en dernier recours) peuvent améliorer l'isolation. Il n'est pas nécessaire d'utiliser les mesures ci - dessus dans chaque conception. L'utilisation appropriée de chaque méthode réduira efficacement l'amplitude des parasites.

La figure 6 fournit les résultats d'un schéma déraisonnable de découplage de l'alimentation VCO. L'ondulation d'alimentation indique que c'est l'effet de commutation de la pompe de charge qui perturbe fortement la ligne d'alimentation. Heureusement, cette forte perturbation peut être efficacement supprimée en ajoutant un condensateur de dérivation. De plus, si le câblage de l'alimentation n'est pas justifié, par example si les conducteurs d'alimentation du VCO sont situés juste en dessous de l'alimentation de la pompe de charge, le même bruit peut être observé sur l'alimentation du VCO et le signal parasite généré est suffisant pour influencer les caractéristiques de l'ACPR, même Si le découplage est renforcé, le résultat du test n'est pas amélioré. Dans ce cas, il est nécessaire de vérifier le câblage de la carte PCB et de réorganiser les cordons d'alimentation du VCO, ce qui améliorera efficacement les caractéristiques parasites et répondra aux spécifications requises par la spécification.

Figure 6: résultats déraisonnables du test de découplage VCC - VCO