Dati PCB - Suggerimenti della scheda PCB per ridurre l'accoppiamento del segnale durante la progettazione RF

Radiofrequenza(RF) Scheda PCB Il design è spesso descritto come "arte nera" a causa della sua incertezza teorica, ma questa visione è solo parzialmente vera, e ci sono molte linee guida per la progettazione del circuito RF che può e non dovrebbe essere seguita e trascurata regola. Tuttavia, quando si tratta della progettazione effettiva, Il vero trucco è come compromettere queste linee guida e leggi quando non possono essere attuate con precisione a causa di vari vincoli progettuali. Naturalmente, ci sono molti importanti argomenti di progettazione RF vale la pena discutere, compresa la corrispondenza di impedenza e impedenza, materiali isolanti e laminati, lunghezze d'onda e onde in piedi, Ma questo articolo si concentrerà su vari problemi relativi alla progettazione della partizione della scheda RF. I design di telefoni cellulari di oggi integrano tutto in una varietà di modi, che è male per la progettazione del bordo RF. L'industria è ora molto competitiva, e tutti sono alla ricerca di modi per integrare più funzioni con le dimensioni e i costi. Analogico, digitalee, I circuiti RF e RF sono tutti strettamente imballati insieme con pochissimo spazio per separare le rispettive aree problematiche, e il numero di strati è spesso ridotto a causa di considerazioni sui costi. È sorprendente che un chip multiuso possa integrare più funzioni su un dado molto piccolo, e i pin per collegarsi al mondo esterno sono disposti così strettamente insieme che la RF, SE, analogico, e i segnali digitali sono molto vicini tra loro, Ma di solito sono elettricamente irrilevanti. La distribuzione dell'energia può essere un incubo per i progettisti, con diverse parti del circuito che vengono condivise in tempo secondo necessità, con commutazione controllata dal software per preservare la durata della batteria. Ciò significa che potresti aver bisogno di 5 o 6 fonti di alimentazione funzionanti per il tuo telefono cellulare.

Concetto di layout RF

Quando si progetta un layout RF, ci sono diversi principi generali che devono essere prioritari: isolare l'amplificatore RF ad alta potenza (HPA) dall'amplificatore a basso rumore (LNA) il più possibile e, in breve, mantenere il circuito di trasmissione RF ad alta potenza Tenere lontano dai circuiti di ricezione RF a bassa potenza. Puoi farlo facilmente se hai molto spazio fisico sul tuo PCB, ma di solito, con molti componenti e meno spazio sul PCB, questo di solito non è possibile. Puoi metterli su entrambi i lati della scheda PCB, o farli lavorare alternativamente invece che contemporaneamente. I circuiti ad alta potenza possono talvolta includere buffer RF e oscillatori a tensione controllata (VCO). Assicurarsi che ci sia almeno un intero terreno nell'area ad alta potenza sul PCB senza vias. Certo, più rame, meglio è. Più tardi, discuteremo come rompere questo principio di progettazione se necessario e come evitare i problemi che possono sorgere da esso. Anche il disaccoppiamento del chip e dell'alimentazione elettrica è estremamente importante e diversi modi per attuare questo principio saranno discussi in seguito. L'uscita RF di solito deve essere tenuta lontano dall'ingresso RF, che discuteremo in dettaglio più avanti. I segnali analogici sensibili devono essere tenuti il più lontano possibile dai segnali digitali e RF ad alta velocità.

Come partizionare?

Le partizioni di progettazione possono essere scomposte in partizioni fisiche ed elettriche. Le partizioni fisiche riguardano principalmente problemi come il posizionamento dei componenti, l'orientamento e la schermatura; Le partizioni elettriche possono continuare ad essere scomposte in partizioni per la distribuzione di energia, tracce RF, circuiti e segnali sensibili e messa a terra. Prima discutiamo il problema della partizione fisica. Il posizionamento dei componenti è la chiave per implementare una progettazione RF. Una tecnica efficace consiste nel fissare prima i componenti situati sul percorso RF e regolare il loro orientamento per ridurre al minimo la lunghezza del percorso RF, tenere l'ingresso lontano dall'uscita e separare i componenti per quanto possibile. circuiti di alimentazione e circuiti di bassa potenza. Un metodo efficace di impilamento del bordo è quello di organizzare il piano di terra principale (terra principale) sul secondo strato sotto lo strato superficiale e eseguire le linee RF sullo strato superficiale il più possibile. Ridurre la dimensione della via sul percorso RF non solo riduce l'induttanza del percorso, ma riduce anche i giunti di saldatura fantasma sul terreno principale e riduce la possibilità di perdite di energia RF in altre aree all'interno dello stack. Nello spazio fisico, circuiti lineari come gli amplificatori multistadio sono di solito sufficienti per isolare più zone RF l'una dall'altra, ma i duplexer, i mixer e gli amplificatori/mixer IF hanno sempre più RF/IF I segnali interferiscono tra loro, quindi bisogna fare attenzione per minimizzare questo effetto. Le tracce RF e IF devono essere incrociate il più possibile, con uno spazio di terra tra di loro il più possibile. Un corretto routing RF è molto importante per le prestazioni dell'intero PCB, motivo per cui il posizionamento dei componenti spesso occupa la maggior parte del tempo nella progettazione del PCB del telefono cellulare. Su un PCB del telefono cellulare, è spesso possibile posizionare il circuito LNA su un lato del PCB e l'amplificatore ad alta potenza dall'altro lato e infine collegarli al lato RF e all'elaborazione della banda base sullo stesso sito attraverso un duplexer sull'antenna del dispositivo. Alcuni trucchi sono necessari per garantire che i vias dritti non trasferiscano l'energia RF da un lato all'altro della scheda e una tecnica comune è quella di utilizzare vias ciechi su entrambi i lati. Gli effetti negativi delle vie diritte possono essere ridotti al minimo disponendo le vie diritte in aree in cui entrambi i lati del PCB sono liberi da interferenze RF.

A volte non è possibile garantire un isolamento sufficiente tra blocchi di circuito multipli, nel qual caso gli schermi metallici devono essere considerati per proteggere l'energia RF nell'area RF, ma anche gli schermi metallici hanno problemi, come il loro costo e i costi di montaggio sono molto costosi; gli schermi metallici con forme irregolari sono difficili da garantire un'elevata precisione durante la fabbricazione e gli schermi metallici rettangolari o quadrati limitano la disposizione dei componenti; gli schermi metallici non favoriscono la sostituzione dei componenti e la posizione dei guasti; Lo scudo metallico deve essere saldato al suolo e deve essere tenuto ad una distanza adeguata dai componenti, occupando così prezioso spazio sulla scheda PCB. È molto importante garantire l'integrità del coperchio di protezione il più possibile. Le linee di segnale digitali che entrano nella copertura di schermatura metallica dovrebbero andare allo strato interno il più possibile e la scheda PCB sotto lo strato di cablaggio è lo strato di terra. La linea di segnale RF può uscire dal piccolo divario nella parte inferiore dello scudo metallico e dallo strato di cablaggio nella fessura di terra, ma il più terreno possibile dovrebbe essere distribuito intorno allo spazio e il terreno su diversi strati può essere collegato insieme attraverso vie multiple. Nonostante i problemi di cui sopra, gli schermi metallici sono molto efficaci e spesso la soluzione per isolare i circuiti critici. Inoltre, il disaccoppiamento corretto ed efficace dell'alimentazione del chip è anche molto importante. Molti chip RF con linee lineari integrate sono molto sensibili al rumore dell'alimentazione elettrica, in genere richiedono fino a quattro condensatori e un induttore di isolamento per chip per garantire che tutto il rumore dell'alimentazione sia filtrato).

Il valore del condensatore è solitamente determinato dalla sua frequenza autoresonante e dall'induttanza bassa del piombo e il valore di C4 è scelto di conseguenza. I valori di C3 e C2 sono relativamente grandi a causa della loro induttanza del perno, quindi l'effetto di disaccoppiamento RF è inferiore, ma sono più adatti per filtrare i segnali di rumore a bassa frequenza. L'induttore L1 impedisce l'accoppiamento dei segnali RF nel chip dalle linee elettriche. Ricorda: tutte le tracce sono un'antenna potenziale che può ricevere e trasmettere segnali RF, ed è anche necessario isolare i segnali RF indotti dal cablaggio critico. Anche la posizione fisica di questi componenti di disaccoppiamento è spesso critica. I principi di layout per questi componenti importanti sono: C4 deve essere il più vicino possibile al perno IC e messa a terra, C3 deve essere vicino a C4, C2 deve essere vicino a C3 e il perno IC deve essere vicino a C4. Le tracce di connessione devono essere il più breve possibile, e i terminali di terra di questi componenti (in particolare C4) dovrebbero essere solitamente collegati ai perni di terra del chip attraverso il piano di terra successivo. I vias che collegano i componenti allo strato di terra dovrebbero essere il più vicino possibile ai pad dei componenti sul PCB. I fori ciechi sui pads sono utilizzati per ridurre l'induttanza della linea di collegamento e l'induttanza dovrebbe essere vicina a C1. Un circuito integrato o amplificatore spesso ha un'uscita open-drain, quindi un induttore pull-up è richiesto per fornire un carico RF ad alta impedenza e una sorgente CC a bassa impedenza. Lo stesso principio vale per il disaccoppiamento dell'alimentazione su questo lato induttore. Alcuni chip richiedono più alimentatori per funzionare, quindi potresti aver bisogno di due o tre set di condensatori e induttori per disaccoppiarli separatamente, il che può causare qualche problema se non c'è abbastanza spazio intorno al chip. Ricordate che gli induttori sono raramente vicini tra loro in parallelo, in quanto questo formerà un trasformatore di nucleo dell'aria e inducono segnali interferenti, quindi devono essere almeno distanti quanto uno dei dispositivi è alto, o ad angoli retti per ridurre la loro induttanza reciproca arriva.

I principi del partizionamento elettrico sono generalmente gli stessi del partizionamento fisico, ma ci sono alcuni altri fattori coinvolti. Alcune parti dei telefoni cellulari moderni funzionano a tensioni diverse e sono controllate da software per prolungare la durata della batteria. Ciò significa che i telefoni cellulari devono funzionare più fonti di alimentazione, il che crea più problemi con l'isolamento. L'alimentazione viene solitamente immessa sul connettore e viene immediatamente disaccoppiata per filtrare qualsiasi rumore dall'esterno della scheda prima di essere distribuita attraverso una serie di interruttori o regolatori di tensione. La maggior parte dei circuiti nei telefoni cellulari hanno correnti DC abbastanza piccole, quindi la larghezza di traccia di solito non è un problema, tuttavia, una traccia ad alta corrente separata il più ampia possibile deve essere eseguita per l'alimentazione dell'amplificatore ad alta potenza per ridurre al minimo la caduta di tensione di trasmissione. Per evitare troppa perdita di corrente, sono necessarie più vie per passare corrente da uno strato all'altro. Inoltre, se l'amplificatore ad alta potenza non è sufficientemente disaccoppiato ai suoi pin di alimentazione, il rumore ad alta potenza si irradia su tutta la scheda e causerà vari problemi. La messa a terra degli amplificatori ad alta potenza è fondamentale e spesso richiede uno scudo metallico. Nella maggior parte dei casi, è anche fondamentale assicurarsi che l'uscita RF sia tenuta lontana dall'ingresso RF. Questo vale anche per amplificatori, buffer e filtri. Nel peggiore dei casi, amplificatori e buffer hanno il potenziale di auto-oscillare se le loro uscite vengono alimentate ai loro ingressi con la fase e l'ampiezza adeguate. In ogni caso, lavoreranno stabilmente in qualsiasi condizione di temperatura e tensione. Infatti, possono diventare instabili e aggiungere segnali di rumore e intermodulazione al segnale RF.

Se le linee di segnale RF devono essere ricollegate dall'ingresso del filtro all'uscita, ciò può danneggiare gravemente le caratteristiche di banda del filtro. Per ottenere un buon isolamento tra ingresso e uscita, in primo luogo, un terreno deve essere posizionato intorno al filtro e, in secondo luogo, il terreno deve essere posizionato nella zona inferiore del filtro e collegato al terreno principale intorno al filtro. È anche una buona idea mantenere le linee di segnale che devono passare attraverso il filtro il più lontano possibile dai pin del filtro. Inoltre, fai molta attenzione alla messa a terra ovunque sulla scheda, o potresti inconsapevolmente introdurre un canale di accoppiamento che non vuoi accadere. La figura 3 illustra dettagliatamente questo approccio di messa a terra. A volte è possibile scegliere linee di segnale RF monoterminale o bilanciate, e qui si applicano gli stessi principi relativi all'interferenza incrociata e EMC/EMI. Le linee di segnale RF bilanciate possono ridurre il rumore e le interferenze incrociate se sono instradate correttamente, ma la loro impedenza è solitamente elevata e una larghezza di linea ragionevole dovrebbe essere mantenuta per ottenere un'impedenza che corrisponda alla sorgente, alla traccia e al carico. Il cablaggio effettivo potrebbe esserci difficile. Un buffer può essere utilizzato per migliorare l'isolamento perché può dividere lo stesso segnale in due parti e usarlo per guidare circuiti diversi, soprattutto se lo LO può avere bisogno di un buffer per guidare più mixer. Quando il mixer raggiunge l'isolamento di modalità comune alle frequenze RF, non funzionerà correttamente. I buffer sono bravi ad isolare i cambiamenti di impedenza a frequenze diverse in modo che i circuiti non interferiscano tra loro. I buffer sono di grande aiuto nella progettazione, possono essere posizionati subito dopo il circuito che deve essere guidato, in modo che le tracce di uscita ad alta potenza siano molto brevi, perché il livello del segnale di ingresso del buffer è relativamente basso, quindi non sono facili da essere influenzati da altri circuiti sulla scheda. circuito che provoca interferenze. Ci sono anche molte linee di segnale e controllo molto sensibili che richiedono particolare attenzione, ma sono al di là dell'ambito di questo articolo, quindi sono solo brevemente discussi qui e non saranno descritti in dettaglio.

Gli oscillatori controllati a tensione (VCO) convertono le tensioni mutevoli in frequenze mutevoli, una caratteristica utilizzata per la commutazione dei canali ad alta velocità, ma convertono anche piccole quantità di rumore sulla tensione di controllo in piccole variazioni di frequenza, che danno segnali RF aggiungono rumore. In generale, dopo questo, non è più possibile rimuovere il rumore dal segnale di uscita RF. Allora dov'è la difficoltà? In primo luogo, la larghezza di banda desiderata della linea di controllo può variare da DC a 2MHz, e il filtraggio per rimuovere il rumore in una banda così ampia è quasi impossibile; In secondo luogo, la linea di controllo VCO è solitamente parte di un loop di feedback che controlla la frequenza, che è in molti Rumore può essere introdotto ovunque, quindi le linee di controllo VCO devono essere gestite con grande cura. Assicurarsi che il terreno sotto le tracce RF sia solido e che tutti i componenti siano saldamente collegati al terreno principale e isolati da altre tracce che possono introdurre rumore. Inoltre, assicurarsi che l'alimentazione del VCO sia adeguatamente disaccoppiata, poiché l'uscita RF del VCO tende ad essere a un livello relativamente alto, il segnale di uscita VCO può facilmente interferire con altri circuiti, quindi particolare attenzione deve essere prestata al VCO. Infatti, il VCO è spesso posizionato alla fine dell'area RF, e talvolta richiede uno scudo metallico.

Il circuito risonante (uno per il trasmettitore e l'altro per il ricevitore) è legato al VCO ma ha anche le sue caratteristiche. In poche parole, un circuito risonante è un circuito risonante parallelo con un diodo capacitivo che aiuta a impostare la frequenza di funzionamento VCO e modulare il parlato o i dati su un segnale RF. Tutti i principi di progettazione VCO si applicano ugualmente ai circuiti risonanti. I circuiti risonanti sono spesso molto sensibili al rumore a causa del loro numero considerevole di componenti, l'ampia distribuzione sulla scheda e tipicamente funzionano ad una frequenza RF molto elevata. I segnali sono solitamente disposti su perni adiacenti del chip, ma questi perni di segnale devono funzionare con induttori e condensatori relativamente grandi, il che a sua volta richiede che questi induttori e condensatori siano posizionati vicino tra loro e collegati di nuovo a un ciclo di controllo sensibile al rumore. Non è facile farlo. L'amplificatore di controllo automatico del guadagno (AGC) è anche un posto soggetto a problemi e ci sarà un amplificatore AGC sia nei circuiti di trasmissione che di ricezione. Gli amplificatori AGC sono generalmente efficaci nel filtrare il rumore, ma la capacità dei telefoni cellulari di gestire rapidi cambiamenti nella potenza del segnale trasmesso e ricevuto richiede che il circuito AGC abbia una larghezza di banda abbastanza ampia, il che rende gli amplificatori AGC su alcuni circuiti critici facili da introdurre rumore. Buone tecniche di progettazione del circuito analogico devono essere seguite quando si progettano linee AGC, e questo ha a che fare con pin di ingresso op-amp molto brevi e percorsi di feedback molto brevi, entrambi devono essere tenuti lontani da tracce di segnale RF, IF o digitale ad alta velocità. Inoltre, una buona messa a terra è essenziale e l'alimentazione elettrica al chip deve essere ben disaccoppiata. Se si deve eseguire un cavo lungo all'ingresso o all'uscita, è all'uscita, che di solito ha un'impedenza molto inferiore ed è meno incline al rumore induttivo. Di solito più alto è il livello del segnale, più facile è introdurre rumore in altri circuiti. In tutta la progettazione PCB, è un principio generale tenere i circuiti digitali lontani dai circuiti analogici il più possibile e si applica anche alla progettazione PCB RF. Il terreno analogico comune è di solito importante quanto il terreno utilizzato per schermare e separare le linee di segnale, il problema è che è molto poco che si può fare a questo proposito ogni volta senza lungimiranza e attenta pianificazione. Un'attenta pianificazione, un accurato posizionamento dei componenti e un'accurata valutazione del posizionamento sono quindi molto importanti nelle prime fasi della progettazione, poiché modifiche involontarie del progetto possono comportare la necessità di ricostruire un progetto quasi finito. Questa grave conseguenza della negligenza non è comunque una buona cosa per lo sviluppo della tua carriera personale. Inoltre, tenere le linee RF lontane da linee analogiche e alcuni segnali digitali molto critici. Tutte le tracce RF, i pad e i componenti devono essere riempiti con rame macinato il più possibile e collegati al terreno principale il più possibile. Le schede di costruzione micro-via come le breadboard sono utili nella fase di sviluppo del circuito RF, se si sceglie schede di costruzione, è possibile utilizzare tutte le vie che si desidera senza alcuna spesa, altrimenti la perforazione di fori in un PCB normale aumenterà i costi di sviluppo, il che aumenta i costi quando vengono prodotti in serie.

Se le tracce RF devono passare attraverso le linee del segnale, cercare di instradare uno strato di terra collegato al terreno principale lungo le tracce RF tra di loro. Se non è possibile, Assicurarsi che siano incrociati per ridurre al minimo l'accoppiamento capacitivo, e più terra possibile intorno a ogni traccia RF, e collegarli al terreno principale. Anche, Ridurre la distanza tra tracce RF parallele può ridurre l'accoppiamento induttivo. Piano di terra monolitico solido posto direttamente sotto lo strato superficiale, l'effetto di isolamento, anche se un po 'di progettazione attenta anche altre pratiche funzionano. Ho provato a dividere il piano di terra in pezzi per isolare l'analogico, digital, e linee RF, Ma non sono mai stato soddisfatto dei risultati perché ci saranno sempre alcune linee di segnale ad alta velocità che attraversano questi terreni separati, Non è un pezzo di una cosa buona. Su ogni strato del Scheda PCB, porre il maggior numero possibile di terreni e collegarli al terreno principale. Posizionare le tracce il più vicino possibile per aumentare il numero di pad sui livelli interni del segnale e della distribuzione di energia, e regolare le tracce in modo da poter instradare vias di collegamento a terra a pad isolati sulla superficie. Terreno libero su vari strati del Scheda PCB dovrebbero essere evitati in quanto possono raccogliere o iniettare rumore come una piccola antenna.