Dati PCB - Come posizionare circuiti RF e circuiti digitali su una scheda PCB

Possono essere integrati su una piccola scheda PCB e sono utilizzati in audio digitale wireless, sistemi di trasmissione dati video digitali, sistemi di controllo remoto e telemetria wireless, sistemi di acquisizione dati wireless, reti wireless e sistemi di sicurezza wireless e molti altri campi. Il dispositivo a radiofrequenza singolo-chip facilita notevolmente il

1. potenziali conflitti tra circuiti digitali e circuiti analogiciSe il circuito analogico (RF) e il circuito digitale (microcontrollore) funzionano separatamente, possono funzionare bene, ma una volta che sono posizionati sulla stessa scheda e funzionano dallo 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 (3 V 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. Quindi la differenza tra il segnale digitale e il segnale RF sarà 10-6 (120 dB). Ovviamente, se il segnale digitale non è ben separato dal segnale a radiofrequenza, il segnale a radiofrequenza debole può essere danneggiato, in modo che le prestazioni di funzionamento del dispositivo wireless saranno deteriorate, o addirittura completamente incapace di funzionare.

2. Problemi comuni con circuiti RF e circuiti digitali sullo stesso PCBIIsolamento insufficiente delle linee di segnale sensibili e rumorose è un problema comune. Come accennato in precedenza, i segnali digitali hanno oscillazioni elevate e contengono molte armoniche ad alta frequenza. Se il routing del segnale digitale su un PCB è adiacente a segnali analogici sensibili, le armoniche ad alta frequenza possono accoppiarsi. I nodi sensibili dei dispositivi RF sono solitamente il circuito del filtro del ciclo a blocco di fase (PLL), l'induttanza esterna dell'oscillatore controllato a tensione (VCO), il segnale di riferimento del cristallo e i terminali dell'antenna e queste parti del circuito devono essere gestite con particolare attenzione. (1) Rumore dell'alimentazione elettrica Poiché i segnali di ingresso/uscita hanno oscillazioni di diversi volt, i circuiti digitali sono generalmente accettabili per il rumore dell'alimentazione elettrica (meno di 50 mV). I circuiti analogici, d'altra parte, sono abbastanza sensibili al rumore dell'alimentazione elettrica, in particolare alle tensioni di glitch e ad altre armoniche ad alta frequenza. Pertanto, il routing delle linee elettriche su PCB contenenti circuiti RF (o altri circuiti analogici) deve essere effettuato con maggiore attenzione rispetto alle normali schede digitali e il routing automatico dovrebbe essere evitato. Va anche notato che un microcontrollore (o altro circuito digitale) attirerà improvvisamente la maggior parte della corrente per un breve periodo di tempo durante ogni ciclo di clock interno, dal momento che i microcontrollori moderni sono progettati su un processo CMOS. Pertanto, supponendo che un microcontrollore funzioni ad una frequenza interna di clock di 1 MHz, attingerà corrente (impulso) dall'alimentazione elettrica a questa frequenza, che inevitabilmente causerà problemi di tensione sulla linea di alimentazione se non viene preso un corretto disaccoppiamento dell'alimentazione. Se questi difetti di tensione raggiungono i pin di alimentazione della parte RF del circuito, può seriamente portare a guasti di lavoro, quindi deve essere assicurato che le linee di alimentazione analogiche siano separate dall'area del circuito digitale. (2) I circuiti stampati wireRF di terra irragionevoli dovrebbero sempre avere un piano di terra collegato al lato negativo dell'alimentazione elettrica, che può causare qualche comportamento strano se non gestito correttamente. Questo può essere difficile per un progettista di circuiti digitali da capire perché la maggior parte dei circuiti digitali funziona bene anche senza un piano di terra. Nella banda di frequenza RF, anche un filo molto corto può agire come un'induttanza. Calcolata approssimativamente, l'induttanza per mm di lunghezza è di circa 1 nH, e l'induttanza di una linea PCB da 10 mm a 434 MHz è di circa 27 Ω. Senza un piano di terra, la maggior parte delle linee di terra sarà lunga e il circuito non sarà in grado di garantire le caratteristiche di progettazione. (3) Radiazione dall'antenna ad altre parti analogiche nei circuiti contenenti RF e altre parti, questo è spesso trascurato. Oltre alla sezione RF, ci sono solitamente altri circuiti analogici sulla scheda. Ad esempio, molti microcontrollori dispongono di convertitori analogici (ADC) integrati per misurare ingressi analogici, nonché la tensione della batteria o altri parametri. Se l'antenna del trasmettitore RF si trova vicino (o su) questo PCB, il segnale ad alta frequenza emesso può raggiungere l'ingresso analogico dell'ADC. Non dimenticare che qualsiasi linea di circuito può inviare o ricevere segnali RF come un'antenna. Se l'ingresso ADC non viene elaborato correttamente, il segnale RF può auto-eccitarsi nel diodo ESD dell'ingresso ADC, causando la deriva dell'ADC.3. Soluzione A con circuito RF e circuito digitale sullo stesso progetto generale PCBSome e strategie di routing 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 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 efficace 0 V nel circuito, consentendo un facile disaccoppiamento di tutti i dispositivi. Il terminale 0 V dell'alimentazione elettrica deve 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. Questo è molto importante in quanto le ampiezze di più segnali sulla scheda possono differire di 120dB. Su un PCB a montaggio superficiale, tutto il routing del segnale è sullo stesso lato della superficie di montaggio del componente e il piano di terra è sul lato opposto. Il piano di terra ideale dovrebbe coprire l'intero PCB (eccetto sotto il PCB dell'antenna). Se vengono utilizzati più di due strati di PCB, lo strato di terra dovrebbe essere posizionato sullo strato adiacente allo strato di segnale (ad esempio lo strato successivo sul lato componente). Un altro buon approccio è quello di riempire anche le parti vuote degli strati di routing del segnale con piani di terra, che devono essere collegati al piano di terra principale attraverso vie multiple. Va notato che poiché l'esistenza del punto di terra causerà il cambiamento delle caratteristiche di induttanza accanto ad esso, la selezione del valore di induttanza e la disposizione dell'induttanza devono essere attentamente considerate. (2) accorciare la distanza di collegamento allo strato di terraTutti i collegamenti ai piani di terra devono essere mantenuti il più brevi possibile e vias di terra devono essere posizionati a (o molto vicino) i cuscinetti dei componenti. Non permettere mai a due segnali di terra di condividere un terreno attraverso, in quanto 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 il disaccoppiamento dei condensatori dovrebbe essere utilizzato ad ogni pin che deve essere disaccoppiato. Utilizzando condensatori ceramici di alta qualità, il tipo dielettrico è "NPO", "X7R" funzionerà bene anche nella maggior parte delle applicazioni. Il valore ideale del condensatore dovrebbe essere scelto in modo che la sua risonanza di serie sia uguale alla frequenza del segnale. Ad esempio, a 434 MHz, un condensatore da 100 pF montato SMD funzionerà bene. A questa frequenza, la reattanza capacitiva del condensatore è di circa 4 Ω, e la reattanza induttiva della via è nello stesso intervallo. I condensatori e i vias in serie formano un filtro a tacca per la frequenza del segnale, consentendo un efficace disaccoppiamento. A 868 MHz, un condensatore 33 pF è la scelta ideale. Oltre al condensatore di piccolo valore per disaccoppiamenti RF