Notizie PCB - In che modo i circuiti RF e i circuiti digitali vivono in armonia sullo stesso PCB?

In che modo i circuiti RF e i circuiti digitali vivono in armonia sullo stesso PCB? Il dispositivo a radiofrequenza singolo-chip facilita notevolmente l'applicazione nel campo della comunicazione wireless all'interno di una certa gamma. Un collegamento di comunicazione wireless completo può essere formato utilizzando un microcontrollore e un'antenna adatti in combinazione con il dispositivo ricetrasmettitore. Possono essere integrati su un circuito stampato di piccole dimensioni e utilizzati in molti campi come sistemi di trasmissione dati audio digitale e video digitali wireless, sistemi di telecontrollo e telemetria wireless, sistemi di acquisizione dati wireless, reti wireless e sistemi di sicurezza wireless.

1 Potenziali contraddizioni tra circuiti digitali e circuiti analogici

Se il circuito analogico (RF) e il circuito digitale (microcontrollore) funzionano separatamente, possono funzionare bene, ma una volta che i due sono posizionati sullo stesso circuito e lavorano insieme con lo stesso alimentatore, l'intero sistema è probabile che sia instabile. Ciò è dovuto principalmente al fatto che il segnale digitale oscilla frequentemente tra la terra e l'alimentazione positiva (3V di dimensione), e il periodo è molto breve, spesso a livello ns. A causa della maggiore ampiezza e del minor tempo di commutazione, questi segnali digitali contengono un gran numero di componenti ad alta frequenza che sono indipendenti dalla frequenza di commutazione. Nella parte analogica, il segnale trasmesso dal loop di sintonizzazione dell'antenna alla parte ricevente del dispositivo wireless è generalmente inferiore a 1μV. Pertanto, la differenza tra il segnale digitale e il segnale di radiofrequenza raggiungerà 10-6 (120dB). Ovviamente, se il segnale digitale e il segnale a radiofrequenza non possono essere separati bene, il segnale a radiofrequenza debole può essere distrutto. In questo modo, le prestazioni di funzionamento del dispositivo wireless si deteriorano o addirittura non funzionano affatto.

2 Problemi comuni del circuito RF e del circuito digitale sullo stesso PCB

Un problema comune è l'insufficiente isolamento delle linee sensibili e delle linee di segnale rumorose. Come accennato in precedenza, il segnale digitale ha un alto swing e contiene un gran numero di armoniche ad alta frequenza. Se il cablaggio del segnale digitale sulla scheda PCB è adiacente al segnale analogico sensibile, le armoniche ad alta frequenza possono essere accoppiate attraverso. I nodi più sensibili dei dispositivi RF sono solitamente il circuito del filtro loop del loop-locked loop (PLL), l'induttore esterno dell'oscillatore a tensione controllata (VCO), il segnale di riferimento del cristallo e il terminale dell'antenna. Queste parti del circuito devono essere gestite con particolare attenzione.

(1) Rumore dell'alimentazione elettrica

Poiché il segnale di ingresso/uscita ha un'oscillazione di diversi V, il circuito digitale è generalmente accettabile per il rumore dell'alimentazione elettrica (meno di 50mV). Il circuito analogico è molto sensibile al rumore dell'alimentazione elettrica, specialmente alla tensione di glitch e ad altre armoniche ad alta frequenza. Pertanto, il cablaggio della linea di alimentazione sul PCB contenente il circuito RF (o altro analogico) deve essere più attento del cablaggio sul circuito digitale ordinario e il cablaggio automatico dovrebbe essere evitato. Allo stesso tempo, va notato che il microcontrollore (o altro circuito digitale) attirerà improvvisamente la maggior parte della corrente in un breve periodo di tempo all'interno di ogni ciclo di clock interno. Questo perché i microcontrollori moderni sono progettati con tecnologia CMOS. Pertanto, supponendo che un microcontrollore funzioni ad una frequenza interna di clock di 1MHz, attingerà corrente (impulso) dall'alimentatore a questa frequenza. Se non viene preso un corretto disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica, causerà inevitabilmente un guasto di tensione sulla linea elettrica. Se queste sbavature di tensione raggiungono i pin di alimentazione della parte RF del circuito, possono causare guasti di lavoro in casi gravi. Pertanto, è necessario assicurarsi che la linea di alimentazione analogica sia separata dall'area del circuito digitale.

(2) Filo di terra irragionevole

Il circuito stampato RF dovrebbe sempre avere uno strato di terra collegato all'elettrodo negativo dell'alimentazione elettrica. Se non viene gestito correttamente, possono verificarsi alcuni strani fenomeni. Per un progettista di circuiti digitali, questo può essere difficile da capire, perché la maggior parte delle funzioni del circuito digitale funzionano bene anche senza un piano di terra. Nella banda di frequenza RF, anche un cavo corto agirà come un induttore. Calcolo approssimativo, l'induttanza per mm di lunghezza è di circa 1nH e l'induttanza di un circuito 10mmPCB a 434MHz è di circa 27Ω. Se lo strato del filo di terra non viene utilizzato, la maggior parte dei fili di terra sarà più lunga e il circuito non sarà in grado di garantire le caratteristiche di progettazione.

(3) Radiazione dell'antenna ad altre parti analogiche

Nei circuiti che includono la radiofrequenza e altre parti, questo è spesso trascurato. Oltre alla parte RF, ci sono solitamente altri circuiti analogici sulla scheda. Ad esempio, molti microcontrollori hanno convertitori analogici-digitali integrati (ADC) per misurare gli ingressi analogici e la tensione della batteria o altri parametri. Se l'antenna del trasmettitore RF si trova vicino a questo PCB (o su questo PCB), il segnale ad alta frequenza inviato può raggiungere l'ingresso analogico dell'ADC. Non dimenticare che qualsiasi linea di circuito può emettere o ricevere segnali RF come un'antenna. Se il terminale di ingresso ADC non è elaborato correttamente, il segnale RF può auto-eccitato nell'ingresso del diodo ESD dall'ADC, causando deviazione ADC.

3 La soluzione del circuito RF e del circuito digitale sullo stesso PCB

Alcune strategie generali di progettazione e cablaggio nella maggior parte delle applicazioni RF sono riportate di seguito. Tuttavia, è più importante seguire le raccomandazioni di routing per i dispositivi RF nelle applicazioni reali.

(1) Un piano di terra affidabile

Quando si progetta un PCB con componenti RF, dovrebbe sempre essere utilizzato un piano di terra affidabile. Il suo scopo è quello di stabilire un punto potenziale 0V efficace nel circuito in modo che tutti i dispositivi possano essere facilmente disaccoppiati. Il terminale 0V dell'alimentazione elettrica dovrebbe essere collegato direttamente a questo piano di terra. A causa della bassa impedenza del piano di terra, non ci sarà alcun accoppiamento del segnale tra i due nodi che sono stati disaccoppiati. È molto importante che l'ampiezza dei segnali multipli sulla scheda possa differire di 120dB. Su un PCB montato a superficie, tutto il cablaggio del segnale è sullo stesso lato della superficie di montaggio del componente e lo strato di terra è sul lato opposto. Il piano di terra ideale dovrebbe coprire l'intero PCB (tranne sotto il PCB dell'antenna). Se viene utilizzato un PCB con più di due strati, lo strato di terra deve essere posizionato sullo strato adiacente allo strato di segnale (ad esempio lo strato sotto la superficie del componente). Un altro buon metodo è quello di riempire la parte vuota dello strato di cablaggio del segnale con piani di terra. Questi piani di terra devono essere collegati al piano di terra principale attraverso vie multiple. Va notato che l'esistenza del punto di messa a terra causerà le caratteristiche di induttanza vicine a cambiare, quindi la selezione del valore di induttanza e il posizionamento dell'induttanza devono essere attentamente considerati.

(2) accorciare la distanza di collegamento con il piano di terra

Tutti i collegamenti al piano di terra devono essere il più brevi possibile e i vias di terra devono essere posizionati (o molto vicini) ai cuscinetti dei componenti. Non lasciare mai che due segnali di terra condividano una via di terra. Ciò può causare crosstalk tra i due pad a causa dell'impedenza di connessione via.

(3) disaccoppiamento RF

I condensatori di disaccoppiamento dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile ai pin e i condensatori dovrebbero essere utilizzati per disaccoppiare ad ogni pin che deve essere disaccoppiato. Utilizzando condensatori ceramici di alta qualità, il miglior tipo dielettrico è "NPO". "X7R" può anche funzionare bene nella maggior parte delle applicazioni. La scelta ideale del valore del condensatore dovrebbe rendere la risonanza di serie uguale alla frequenza del segnale. Ad esempio, a 434MHz, i condensatori 100pF montati SMD funzioneranno bene. A questa frequenza, la reattanza capacitiva del condensatore è di circa 4Ω, e anche la reattanza induttiva della via è nello stesso intervallo. I condensatori di serie e i vias formano un filtro a tacca per la frequenza del segnale, in modo che possa essere disaccoppiato efficacemente. A 868MHz, un condensatore 33pF è la scelta ideale. Oltre al condensatore di piccolo valore per il disaccoppiamento RF, un condensatore di grande valore dovrebbe anche essere posizionato sulla linea elettrica per disaccoppiare la bassa frequenza. È possibile scegliere un condensatore ceramico 2.2μF o 10μF tantalio.

(4) Cablaggio a stella dell'alimentazione elettrica

Il cablaggio a stella è una tecnica ben nota nella progettazione di circuiti analogici (come mostrato nella Figura 1). Cablaggio a stella-ogni modulo sul circuito stampato ha la propria linea di alimentazione dal punto di alimentazione comune. In questo caso, il cablaggio a stella significa che la parte digitale e la parte RF del circuito dovrebbero avere le proprie linee elettriche e queste linee elettriche dovrebbero essere separate separatamente vicino al IC. Questo è un modo efficace per separare il rumore dell'alimentazione dalla parte digitale e dalla parte RF. Se sullo stesso circuito è posizionato un modulo con grave rumore, tra la linea elettrica e il modulo è possibile collegare in serie un induttore (perlina magnetica) o una piccola resistenza (10Ω) e per questi moduli deve essere utilizzato un condensatore al tantalio di almeno 10μF. Tali moduli sono driver RS 232 o regolatori di alimentazione switching.

(5) Disporre ragionevolmente la disposizione del PCB

Al fine di ridurre l'interferenza del modulo rumore e delle parti analogiche circostanti, il layout di ciascun modulo circuito sulla scheda è importante. Tenere sempre i moduli sensibili (parte RF e antenna) lontani dai moduli di rumore (microcontrollori e driver RS 232) per evitare interferenze.

(6) Scudo l'influenza del segnale RF su altre parti analogiche

Come accennato in precedenza, i segnali RF causeranno interferenze ad altri moduli di circuito analogico sensibili come ADC quando vengono inviati. La maggior parte dei problemi si verifica in bande di frequenza di funzionamento più basse (come 27MHz) e livelli di potenza elevata in uscita. È una buona pratica di progettazione collegare un condensatore di disaccoppiamento RF (100pF) a terra per disaccoppiare i punti sensibili.

(7) Considerazioni particolari per le antenne ad anello di bordo

L'antenna può essere integrata sul PCB. Rispetto all'antenna a frusta tradizionale, non solo risparmia spazio e costi di produzione, ma è anche più stabile e affidabile nel meccanismo. Convenzionalmente, il design dell'antenna loop viene applicato a una larghezza di banda relativamente stretta, che aiuta a sopprimere segnali forti indesiderati in modo da non interferire con il ricevitore. Va notato che le antenne loop (come tutte le altre antenne) possono ricevere rumore accoppiato capacitivamente da linee di segnale acustico vicine. Interferirà con il ricevitore e può anche influenzare la modulazione del trasmettitore. Pertanto, non è necessario posizionare linee di segnale digitali vicino all'antenna ed è consigliabile mantenere spazio libero intorno all'antenna. Qualsiasi oggetto vicino all'antenna farà parte della rete di sintonizzazione, il che farà sì che la sintonizzazione dell'antenna devia dal punto di frequenza previsto e riduca la gamma di radiazioni di trasmissione e ricezione (distanza). Per tutti i tipi di antenne, è necessario prestare attenzione al fatto che il guscio (imballaggio esterno) del circuito stampato può anche influenzare la sintonizzazione dell'antenna. Allo stesso tempo, si dovrebbe fare attenzione a rimuovere il piano di terra nell'area dell'antenna, altrimenti l'antenna non può funzionare efficacemente. (8) Collegamento del circuito stampato Se un cavo viene utilizzato per collegare il circuito stampato RF a un circuito digitale esterno, dovrebbe essere utilizzato un cavo a coppia attorcigliata. Ogni cavo di segnale deve essere attorcigliato con il cavo GND (DIN/GND, DOUT/GND, CS/GND, PWR _ UP/GND). Ricorda di collegare il circuito RF e il circuito di applicazione digitale con il cavo GND di un cavo a coppia attorcigliata e la lunghezza del cavo dovrebbe essere il più breve possibile. Il circuito che alimenta il circuito RF deve anche essere attorcigliato con GND (VDD/GND).