PCB Tecnico - Come installare il circuito RF e il circuito digitale su una scheda PCB

Come installare il circuito RF e il circuito digitale su una scheda PCB

Il dispositivo a radiofrequenza singolo-chip facilita notevolmente l'applicazione nel campo della comunicazione wireless all'interno di una certa scala. Selezionando un microcontrollore e un'antenna adatti e combinando questo dispositivo ricetrasmettitore può formare un collegamento di comunicazione wireless completo. 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 raccolta dati wireless, reti wireless e sistemi di sicurezza wireless.

Potenziale opposizione tra circuiti digitali e circuiti di imitazione

Supponiamo che l'imitazione del circuito (RF) e del circuito digitale (microcontrollore) possa funzionare indipendentemente, ma una volta che i due sono posizionati sullo stesso circuito e lo stesso alimentatore è utilizzato per lavorare insieme, 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), 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 molti componenti ad alta frequenza che sono indipendenti dalla frequenza di commutazione.

Nella parte imitante, 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 RF raggiungerà 10-6 (120 dB).

Ovviamente, supponendo che il segnale digitale e il segnale a radiofrequenza non possano essere distinti bene, il segnale a radiofrequenza debole può essere danneggiato. Di conseguenza, la funzione operativa del dispositivo wireless si deteriora o addirittura non funziona affatto.

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

L'incapacità di bloccare adeguatamente linee attive e linee di segnale acustico è un problema comune. Come accennato in precedenza, il segnale digitale ha un alto swing e contiene molte armoniche ad alta frequenza.

Assumendo il segnale analogico attivo vicino al cablaggio del segnale digitale sulla scheda PCB, le armoniche ad alta frequenza possono essere accoppiate prima.

Il nodo più attivo del dispositivo RF è generalmente il circuito filtro loop del loop-locked loop (PLL), l'induttore esterno dell'oscillatore a tensione controllata (VCO), il segnale di riferimento 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 volt, i circuiti digitali possono generalmente tollerare il rumore dell'alimentazione elettrica (meno di 50 mV). Mentre imita il circuito, è adatto per il rumore dell'alimentazione elettrica, specialmente per la tensione di glitch e altre armoniche ad alta frequenza.

Pertanto, il cablaggio della linea elettrica sulla scheda PCB contenente il circuito RF (o altra imitazione) deve essere più attento del cablaggio sul circuito digitale generale e il cablaggio automatico dovrebbe essere evitato.

Allo stesso tempo, va anche notato che il microcontrollore (o altro circuito digitale) affonderà improvvisamente la maggior parte della corrente in ogni ciclo di clock interno per un breve periodo di tempo. Questo perché i microcontrollori moderni utilizzano la pianificazione dei processi CMOS.

Pertanto, supponendo che un microcontrollore funzioni ad una frequenza interna di clock di 1 MHz, attingerà corrente (impulso) dall'alimentazione a questa frequenza. Se il disaccoppiamento corretto dell'alimentazione elettrica non viene adottato, causerà inevitabilmente un guasto di tensione sulla linea di alimentazione.

Supponendo che questi difetti di tensione raggiungano i pin di alimentazione della parte RF del circuito, possono causare il guasto grave dell'operazione. Pertanto, è necessario garantire che la linea elettrica imitante sia separata dall'area del circuito digitale.

(2) Filo di terra irragionevole

Il circuito stampato RF dovrebbe sempre avere un piano di terra collegato al polo negativo dell'alimentazione elettrica. Se non viene gestito correttamente, possono verificarsi alcuni strani fenomeni.

Per un pianificatore di circuiti digitali, questo può essere difficile da capire, perché anche senza un piano di terra, la maggior parte delle funzioni del circuito digitale sono eccezionali.

Nella banda di frequenza RF, anche un filo molto corto avrà lo stesso effetto di un'induttanza. Calcolo approssimativo, l'induttanza per mm di lunghezza è di circa 1 nH, e l'induttanza di un circuito PCB da 10 mm a 434 MHz è di circa 27 Ω. Supponendo che lo strato del filo di terra non sia selezionato, la maggior parte dei fili di terra sarà più lunga e il circuito non sarà in grado di garantire le caratteristiche pianificate.

(3) Radiazione dall'antenna ad altre parti imitate

Nei circuiti che includono la radiofrequenza e altre parti, questo è spesso trascurato. Oltre alla parte RF, ci sono generalmente 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.

Supponendo che l'antenna del trasmettitore RF si trovi vicino a questo PCB (o su questo PCB), il segnale ad alta frequenza dichiarato può raggiungere l'ingresso analogico dell'ADC. Non dimenticare che qualsiasi linea di circuito può annunciare o ricevere segnali RF come un'antenna.

Supponendo che l'elaborazione dell'ingresso ADC sia irragionevole, il segnale RF può essere auto-eccitato nel diodo ESD dell'ingresso ADC e quindi causare errori ADC. Il circuito RF e il circuito digitale sono realizzati sullo stesso schema di elaborazione PCB

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

(1) Un piano di terra affidabile

Quando si pianifica un PCB con componenti RF, si dovrebbe sempre scegliere un piano di terra affidabile. Il suo scopo è quello di stabilire un utile punto potenziale 0 V nel circuito, in modo che tutti i dispositivi siano semplicemente disaccoppiati.

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.

È molto importante che le ampiezze di più segnali sulla scheda possano differire di 120 dB. Su un PCB montato esternamente, tutto il cablaggio del segnale è sullo stesso lato della superficie del dispositivo componente e lo strato di terra non è buono.

Il piano di terra dell'aspirazione dovrebbe coprire l'intero PCB (eccetto sotto il PCB dell'antenna). Supponendo che venga utilizzato un PCB con più di due strati, lo strato di terra dovrebbe essere posizionato sullo strato dello strato di segnale vicino (come 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 il cambiamento delle caratteristiche di induttanza circostanti, quindi è necessario considerare attentamente la selezione del valore di induttanza e il posizionamento dell'induttanza.

(2) accorciare la distanza di connessione con lo strato di terra

Tutti i collegamenti allo strato di terra devono essere il più brevi possibile e i vias di terra devono essere posizionati (o molto vicini) al pad del componente. Non lasciare mai che due segnali di terra condividano una via di terra, che 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.

Scegliete condensatori ceramici di alta qualità. Il miglior tipo dielettrico è "NPO". "X7R" può funzionare bene nella maggior parte delle applicazioni. La scelta aspirazionale del valore del condensatore dovrebbe rendere la risonanza di serie uguale alla frequenza del segnale.

Ad esempio, a 434 MHz, i condensatori SMD da 100 p F montati funzioneranno bene. A questa frequenza, la reattanza capacitiva del condensatore è di circa 4 Ω, e anche la reattanza induttiva della via è sulla stessa scala. I condensatori e i vias in serie formano un filtro a tacca rispetto alla frequenza del segnale, rendendolo utile per il disaccoppiamento.

A 868 MHz, la capacità 33 p F è una scelta ambiziosa. 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 selezionare un condensatore ceramico 2,2 μF o 10 μF al tantalio.

(4) Cablaggio a stella dell'alimentazione elettrica

Il cablaggio a stella è modellato secondo una tecnica ben nota nella pianificazione del circuito. 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 disaccoppiate vicino al IC.

Questo è un modo utile per isolare il rumore dell'alimentazione dalla parte digitale e dalla parte RF.

Supponendo che un modulo con forte rumore sia posizionato sullo stesso circuito stampato, un induttore (bead magnetico) o una piccola resistenza di resistenza (10 Ω) può essere collegato in serie tra la linea elettrica e il modulo ed è necessario utilizzare un condensatore di tantalio di almeno 10 μF come condensatore. L'alimentazione di questi moduli è disaccoppiata. Tali moduli sono driver RS 232 o regolatori di alimentazione switching.

(5) Disporre ragionevolmente la disposizione del PCB

Al fine di ridurre il disturbo dal modulo rumore e dalla parte periferica imitante, il layout di ogni modulo circuito sulla scheda è importante. Tenere sempre i moduli attivi (parte RF e antenna) lontani dai moduli di rumore (microcontrollori e driver RS 232) per evitare fastidiosi disturbi.

(6) Proteggere l'influenza dei segnali RF su altre parti imitate

Come accennato in precedenza, i segnali RF disturberanno altri moduli di circuito analogico attivi come ADC quando vengono inviati. La maggior parte dei problemi si verifica in bande di frequenza di funzionamento inferiori (ad esempio 27 MHz) e livelli di potenza elevata in uscita. È una buona abitudine di pianificazione utilizzare un condensatore di disaccoppiamento RF (100p F) per collegarsi al terreno e accoppiare continuamente il punto attivo.

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

L'antenna può essere costruita sul PCB.

Rispetto all'antenna a frusta tradizionale, non solo risparmia spazio e costi di produzione, ma è anche più stabile e affidabile nell'organizzazione. Convenzionalmente, le antenne loop sono progettate per una larghezza di banda relativamente ridotta, che aiuta a limitare i segnali forti indesiderati dal disturbare il ricevitore. Tieni presente che le antenne loop (proprio come tutte le altre antenne) possono ricevere rumore accoppiato capacitivamente dalle linee di segnale acustico vicine.

Disturberà 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 costituirà una parte della rete di sintonizzazione, il che farà sì che la sintonizzazione dell'antenna devia dal punto di frequenza previsto e riduca la scala (distanza) della radiazione di trasmissione e ricezione. Per quanto riguarda tutti i tipi di antenne, è necessario prestare attenzione a questa realtà, e il guscio (imballaggio esterno) del circuito stampato può anche influenzare la sintonizzazione dell'antenna.

Allo stesso tempo, occorre fare attenzione a rimuovere il piano di terra nell'area dell'antenna, altrimenti l'antenna non può essere utilizzata efficacemente.

(8) Collegamento a circuito stampato

Supponendo che un cavo sia utilizzato per collegare il circuito RF a un circuito digitale esterno, dovrebbe essere utilizzato un cavo twisted pair. Ogni cavo di segnale deve essere attorcigliato insieme al 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 di alimentazione per il circuito RF deve anche essere attorcigliato con GND (VDD / GND).

in conclusione

Il rapido sviluppo dei circuiti integrati a radiofrequenza fornisce il più grande collo di bottiglia delle applicazioni wireless per ingegneri e tecnici che sono impegnati in sistemi di trasmissione dati audio e video digitali wireless, controllo remoto wireless, sistemi di telemetria, sistemi di raccolta dati wireless, reti wireless e sistemi di sicurezza e difesa wireless. Forse.

Allo stesso tempo, la pianificazione dei circuiti a radiofrequenza richiede ai pianificatori di avere una certa esperienza pratica e capacità di pianificazione ingegneristica.