PCB Tecnico - Integrità del segnale-Dal layout PCB del ricetrasmettitore WiFi per vedere il metodo di progettazione dell'alimentazione elettrica e della messa a terra del circuito RF

Il layout del circuito PCB Board dei circuiti a radiofrequenza (RF) dovrebbe essere effettuato sulla base della comprensione dei principi di base della struttura del circuito stampato, del cablaggio dell'alimentazione elettrica e della messa a terra. Questo articolo discute i principi di base pertinenti e fornisce alcune pratiche e comprovate tecniche di cablaggio di alimentazione, bypass di alimentazione e messa a terra, che possono migliorare efficacemente gli indicatori di prestazione della progettazione RF. Considerando che il segnale spurio PLL nella progettazione attuale è molto sensibile all'accoppiamento di potenza, alla messa a terra e alla posizione dell'elemento filtrante, questo articolo si concentra sul metodo di soppressione del segnale spurio PLL. Per illustrare il problema, questo articolo utilizza il layout PCB del ricetrasmettitore MAX2827 802.11a/g come progetto di riferimento.

Figura 1: Cablaggio Vcc nella topologia stellare

Quando si progetta un circuito RF, la progettazione del circuito di alimentazione e il layout del circuito vengono spesso lasciati dopo che la progettazione del percorso del segnale ad alta frequenza è completata. Per i progetti che non sono stati attentamente considerati, la tensione di alimentazione intorno al circuito è soggetta a uscita e rumore errati, che influenzeranno ulteriormente le prestazioni del circuito RF. Una distribuzione ragionevole degli strati PCB, l'uso dei cavi Vcc di topologia stellare e l'aggiunta di condensatori di disaccoppiamento appropriati al pin Vcc contribuiranno a migliorare le prestazioni del sistema e ottenere i migliori indicatori.

Principi di base del cablaggio elettrico e del bypass

La saggia assegnazione dello strato PCB è conveniente per semplificare la successiva elaborazione del cablaggio. Per un PCB a quattro strati (un circuito stampato comunemente usato in WLAN), nella maggior parte delle applicazioni, lo strato superiore del circuito stampato viene utilizzato per posizionare componenti e cavi RF e il secondo strato viene utilizzato come sistema Ground, la parte di alimentazione è posizionata sul terzo strato e tutte le linee di segnale possono essere distribuite sul quarto strato. Il layout continuo del piano di terra del secondo strato è necessario per stabilire un percorso del segnale RF con impedenza controllata. Facilita inoltre il ciclo di terra più breve possibile e fornisce un alto grado di isolamento elettrico per il primo e il terzo strato, rendendo i due strati L'accoppiamento tra è minimo. Naturalmente, possono essere utilizzati anche altri metodi di definizione dello strato della scheda (specialmente quando il circuito ha un numero diverso di strati), ma la struttura di cui sopra è un esempio di successo comprovato.

Figura 2: Cambiamenti di impedenza del condensatore a frequenze diverse

Una grande area dello strato di alimentazione può rendere facile il cablaggio Vcc, ma questa struttura è spesso un fusibile che causa il degrado delle prestazioni del sistema. Collegare tutti i cavi di alimentazione insieme su un piano più grande impedirà inevitabilmente il perno tra i pin. Trasmissione del rumore. Al contrario, se si utilizza una topologia stellare, l'accoppiamento tra diversi pin di alimentazione sarà ridotto. La figura 1 mostra lo schema di cablaggio Vcc per la connessione a stella, che viene preso dalla scheda di valutazione per il ricetrasmettitore MAX2826 IEEE 802.11a/g. Nella figura, viene stabilito un nodo Vcc principale, da cui vengono tratte linee elettriche di diversi rami per fornire energia ai pin di alimentazione del IC RF. Ogni pin di alimentazione utilizza un cavo indipendente per fornire l'isolamento spaziale tra i pin, che è utile per ridurre l'accoppiamento tra di loro. Inoltre, ogni cavo ha anche una certa induttanza parassitaria, che è esattamente ciò che vogliamo, e aiuta a filtrare il rumore ad alta frequenza sulla linea elettrica.

Quando si utilizza il cavo Vcc di topologia stellare, è anche necessario prendere un adeguato disaccoppiamento di potenza e il condensatore di disaccoppiamento ha una certa induttanza parassitaria. Infatti, il condensatore è equivalente a un circuito RLC collegato in serie. Il condensatore svolge un ruolo guida nella banda di bassa frequenza, ma alla frequenza di oscillazione auto-eccitata (SRF):

Dopo di che, l'impedenza del condensatore apparirà induttiva. Si può vedere che il condensatore ha un effetto di disaccoppiamento solo quando la frequenza è vicina o inferiore al suo SRF e il condensatore mostra bassa resistenza a queste frequenze. La figura 2 mostra i parametri tipici S11 sotto diversi valori di capacità. Da queste curve, si può vedere chiaramente la SRF. Si può anche vedere che maggiore è la capacità, migliore è la prestazione di disaccoppiamento fornita alle frequenze più basse (maggiore è l'impedenza presentata). Low).

È meglio posizionare un condensatore di grande capacità, come 2.2μF, al nodo principale della topologia stellare Vcc. Questo condensatore ha un basso SRF, che è molto efficace per eliminare il rumore a bassa frequenza e stabilire una tensione CC stabile. Ogni pin di alimentazione del IC richiede un condensatore a bassa capacità (come 10nF) per filtrare il rumore ad alta frequenza che può essere accoppiato alla linea di alimentazione. Per quei pin di alimentazione che alimentano circuiti sensibili al rumore, possono essere necessari due condensatori bypass esterni. Ad esempio: utilizzare un condensatore 10pF in parallelo con un condensatore 10nF per fornire un bypass può fornire una gamma di frequenze più ampia di disaccoppiamento e cercare di eliminare l'influenza del rumore sulla tensione di alimentazione. Ogni pin di alimentazione deve essere attentamente ispezionato per determinare quanto condensatori di disaccoppiamento sono necessari e in quali punti di frequenza il circuito effettivo è suscettibile alle interferenze di rumore.

La combinazione di una buona tecnologia di disaccoppiamento dell'alimentazione elettrica con layout PCB rigoroso e cavi Vcc (topologia a stella) può gettare una solida base per qualsiasi progettazione di sistema RF. Anche se ci sono altri fattori che riducono gli indicatori di prestazioni del sistema nella progettazione effettiva, avere un alimentatore "noise-free" è l'elemento base per ottimizzare le prestazioni del sistema.

Messa a terra e via progettazione

Il layout e il cavo dello strato di terra sono anche la chiave per la progettazione del circuito WLAN, influenzeranno direttamente i parametri parassitari del circuito stampato e vi è un pericolo nascosto di ridurre le prestazioni del sistema. Non c'è uno schema unico di messa a terra nella progettazione del circuito RF. Ci sono diversi modi per ottenere indicatori di prestazione soddisfacenti nella progettazione. Il piano di terra o il cavo può essere diviso in terra del segnale analogico e terra del segnale digitale e può anche isolare i circuiti con alta corrente o alto consumo energetico. Secondo l'esperienza progettuale della scheda di valutazione WLAN in passato, l'utilizzo di un piano di terra separato in una scheda a quattro strati può ottenere risultati migliori. Con questi metodi empirici, la parte RF è isolata da altri circuiti con uno strato di terra, che può evitare interferenze incrociate tra i segnali. Come accennato in precedenza, il secondo strato del circuito stampato viene solitamente utilizzato come piano di terra e il primo strato viene utilizzato per posizionare componenti e cavi RF.

Figura 3: Modello caratteristico elettrico di vias.

Dopo che il piano di terra è stato determinato, è molto importante collegare tutti i terreni del segnale al piano di terra nel percorso più breve. I Vias sono solitamente utilizzati per collegare il filo di terra dello strato superiore al piano di terra. Va notato che i vias sono induttivi. La figura 3 mostra il modello preciso della caratteristica elettrica della via, dove Lvia è l'induttanza via e Cvia è la capacità parassitaria del pad via PCB. Se si utilizza la tecnologia del layout del terreno discussa qui, è possibile ignorare la capacità parassitaria. Un foro passante profondo 1,6 mm con un'apertura di 0,2 mm ha un'induttanza di circa 0,75 nH, e la reattività equivalente nella banda WLAN 2,5 GHz/5,0 GHz è approssimativamente 12Ω/24Ω. Pertanto, un via terra non può fornire un vero terreno per il segnale RF. Per i progetti di circuiti stampati di alta qualità, nella parte del circuito RF dovrebbero essere forniti il maggior numero possibile di vie di terra, specialmente per il terreno esposto nei pacchetti IC generali. Pad. Una scarsa messa a terra produrrà anche radiazioni nocive nella parte anteriore ricevente o nella parte dell'amplificatore di potenza, riducendo gli indicatori di guadagno e rumore. Va anche notato che una scarsa saldatura del pad di terra può causare lo stesso problema. Inoltre, il consumo energetico dell'amplificatore di potenza richiede anche più vie per collegarsi al piano di terra.

Figura 4. Layout dei componenti del filtro PLL utilizzando ad esempio la scheda di progettazione di riferimento MAX2827.

Filtrare il rumore di altri circuiti di stadio e sopprimere il rumore generato localmente, eliminando così l'interferenza incrociata tra gli stadi attraverso la linea elettrica, che è il vantaggio del disaccoppiamento Vcc. Se il condensatore di disaccoppiamento utilizza lo stesso terreno via, a causa dell'effetto di induttanza tra la via e la terra, i vias in questi punti di connessione porteranno tutta l'interferenza RF dai due alimentatori, che non solo perde la funzione del condensatore di disaccoppiamento, ma fornisce anche un altro percorso per l'accoppiamento acustico inter-stadio nel sistema.

Come vedrete nell'ultima parte di questo articolo, la realizzazione di PLL affronta sempre enormi sfide nella progettazione di sistemi. Per ottenere caratteristiche spurie soddisfacenti, è necessario avere un buon layout del filo di terra. Attualmente, tutti i PLL e VCO sono integrati nel chip nella progettazione IC. La maggior parte dei PLL utilizzano l'uscita digitale della pompa di carica di corrente per controllare il VCO attraverso un filtro loop. Di solito, è necessario un filtro RC di secondo o terzo ordine per filtrare la corrente digitale di impulso della pompa di carica per ottenere la tensione di controllo analogica. I due condensatori vicini all'uscita della pompa di carica devono essere collegati direttamente al terreno del circuito della pompa di carica. In questo modo, il percorso della corrente di impulso del loop di terra può essere isolato e la frequenza randagio corrispondente nel LO può essere minimizzata. Il terzo condensatore (per il filtro di terzo ordine) dovrebbe essere collegato direttamente al suolo del VCO per evitare che la tensione di controllo galleggi con la corrente digitale. Se questi principi vengono violati, ne risulteranno notevoli componenti falsi.

La figura 4 mostra un esempio di layout PCB. Ci sono molte vie di terra sul pad di terra, permettendo ad ogni condensatore di disaccoppiamento Vcc di avere il proprio mezzo di terra separato. Il circuito nella scatola è un filtro loop PLL. Il primo condensatore è collegato direttamente a GND_CP, il secondo condensatore (in serie con una R) è ruotato di 180 gradi per tornare allo stesso GND_CP, e il terzo condensatore è collegato a GND_VCO. Questo tipo di schema di messa a terra può ottenere prestazioni di sistema più elevate.

Sopprimere i segnali falsi PLL con potenza e terra adeguati

È un punto difficile nel processo di progettazione soddisfare i requisiti del sistema 802.11a/b/g per trasmettere la maschera dello spettro. L'indice di linearità e il consumo di energia devono essere bilanciati e deve essere riservato un certo margine per garantire che esso soddisfi l'IEEE con la premessa di mantenere una potenza di trasmissione sufficiente. E i regolamenti FCC. La potenza di uscita tipica richiesta dal sistema IEEE 802.11g all'estremità dell'antenna è +15dBm e la deviazione di frequenza è -28dBr quando la deviazione di frequenza è 20MHz. Il rapporto di rifiuto di potenza (ACPR) dei canali adiacenti in una banda di frequenza è una funzione delle caratteristiche lineari del dispositivo, che è corretto per un'applicazione specifica in determinati locali. Una grande quantità di lavoro per ottimizzare le caratteristiche ACPR nel canale di trasmissione è ottenuta regolando la polarizzazione del IC Tx e PA in base all'esperienza, e sintonizzando la rete di corrispondenza dello stadio di ingresso, stadio di uscita e stadio intermedio della PA.

Figura 5: L'effetto dell'utilizzo di un filtro loop.

Tuttavia, non tutti i problemi che causano ACPR sono attribuiti alle caratteristiche lineari del dispositivo. Un buon esempio è: dopo una serie di regolazioni, l'amplificatore di potenza e il driver PA (due fattori che svolgono un ruolo importante nell'ACPR) sono ottimizzati., Le caratteristiche del canale adiacente del trasmettitore WLAN non possono ancora raggiungere l'indice previsto. In questo momento, va notato che il segnale falso dell'oscillatore locale (LO) nel loop phase-locked del trasmettitore degrada anche le prestazioni ACPR. Il segnale falso del LO sarà mescolato con il segnale di base modulato e la componente mista sarà amplificata lungo il canale di segnale previsto. Questo effetto di miscelazione causerà problemi solo quando il componente spurio PLL è superiore a una certa soglia. Quando la componente spuria PLL è al di sotto di una certa soglia, ACPR sarà principalmente limitata dalla non linearità PA. Quando la potenza di uscita Tx e le caratteristiche della maschera spettrale sono "linearmente limitate", dobbiamo bilanciare l'indice di linearità e la potenza di uscita; Se le caratteristiche spurie LO diventano il principale fattore limitante delle prestazioni ACPR, quello che dobbiamo affrontare sarà "spurie "Limited", la PA deve essere di parte in un punto operativo più alto sotto il POUT specificato per ridurre il suo impatto sull'ACPR, che consumerà più corrente e limiterà la flessibilità progettuale.

La discussione di cui sopra solleva un'altra questione, vale a dire come limitare efficacemente i componenti spuri PLL entro un certo intervallo in modo che non influiscano sullo spettro delle emissioni. Una volta trovati i componenti spuri, la prima soluzione che viene in mente è quella di restringere la larghezza di banda del filtro loop PLL per attenuare l'ampiezza del segnale spuro. Questo metodo è efficace in rari casi, ma ha alcuni potenziali problemi.

La figura 5 mostra una situazione ipotetica. Si presume che un sintetizzatore diviso per N con una frequenza relativa di 20MHz sia utilizzato nel progetto. Se il filtro a ciclo è un secondo ordine, la frequenza di cut-off è 200kHz e la velocità di roll-off è solitamente 40dB / Decade, l'attenuazione 80dB può essere ottenuta alla frequenza 20MHz. Se il componente spurio di riferimento è -40dBc (supponendo che il livello di componenti dannosi di modulazione possa essere causato), il meccanismo di generazione dello spurio può superare l'intervallo del filtro loop (se viene generato prima del filtro, la sua ampiezza può essere molto grande). Comprimere la larghezza di banda del filtro loop non migliorerà le caratteristiche false, ma aumenterà il tempo di blocco PLL, che avrà un impatto negativo significativo sul sistema.

L'esperienza ha dimostrato che il modo più efficace per sopprimere gli speroni PLL dovrebbe essere la messa a terra ragionevole, la disposizione dell'alimentazione elettrica e la tecnologia di disaccoppiamento. I principi di cablaggio discussi in questo articolo sono un buon inizio di progettazione per ridurre i componenti randagi PLL. Considerando che c'è un grande cambiamento di corrente nella pompa di carica, è molto necessario adottare una topologia stellare. Se non c'è abbastanza isolamento, il rumore generato dall'impulso corrente sarà accoppiato all'alimentazione del VCO e modula la frequenza VCO, che di solito è chiamata "trazione VCO". Misure come la separazione fisica tra linee elettriche e condensatori di disaccoppiamento per ogni pin Vcc, il posizionamento ragionevole dei vias di messa a terra e l'introduzione di un componente di ferrite di serie (come ultima risorsa) possono migliorare l'isolamento. Le misure di cui sopra non devono essere utilizzate in ogni disegno. L'uso appropriato di ogni metodo ridurrà efficacemente l'ampiezza falsa.

La figura 6 fornisce il risultato di uno schema irragionevole di disaccoppiamento dell'alimentazione VCO. L'increspatura dell'alimentazione elettrica mostra che è l'effetto di commutazione della pompa di carica che provoca forti interferenze sulla linea elettrica. Fortunatamente, questa forte interferenza può essere efficacemente soppressa aggiungendo condensatori bypass. Inoltre, se il cablaggio dell'alimentazione elettrica è irragionevole, ad esempio, il cavo di alimentazione del VCO si trova appena sotto l'alimentazione elettrica della pompa di carica, lo stesso rumore può essere osservato sull'alimentazione VCO e i segnali spuri generati sono sufficienti per influenzare le caratteristiche ACPR, anche se il disaccoppiamento è rafforzato, il test Il risultato non sarà migliorato. In questo caso, è necessario esaminare il cablaggio PCB e riorganizzare i cavi di alimentazione del VCO, che miglioreranno efficacemente le caratteristiche randagi e soddisferanno le specifiche richieste dalla specifica.

Figura 6: Risultati irragionevoli delle prove di disaccoppiamento VCC_VCO