PCBニュース - どのように、RF回路とデジタル回路は同じPCBの上で調和して生きますか？

RF回路とデジタル回路はどのように調和しているか PCB?
単一チップ無線周波数デバイスは、ある範囲内で無線通信の分野での応用を大いに容易にする. 完全な無線通信リンクは、トランシーバ装置と組み合わせて適切なマイクロコントローラおよびアンテナを使用することによって形成することができる. 彼らは小さな上に統合することができます 回路基板 無線デジタルオーディオやデジタルビデオデータ伝送システムなどの多くの分野で使用される, 無線遠隔制御と遠隔測定システム, 無線データ収集システム, 無線ネットワーク, ワイヤレスセキュリティシステム.

1 Potential contradictions between digital circuits and analog circuits

If the analog circuit (RF) and the digital circuit (microcontroller) work separately, 彼らはうまく働くかもしれない, しかし、一旦2つが同じものに置かれるならば 回路基板 そして、同じ電源と一緒に働く, システム全体が不安定になりそうです . This is mainly because the digital signal frequently swings between the ground and the positive power supply (3V in size), そして、期間は非常に短いです, しばしばNSレベルで. 大きい振幅とより小さいスイッチング時間のため, これらのデジタル信号は、スイッチング周波数に依存しない多数の高周波成分を含む. アナログ部分で, アンテナ・チューニング・ループから無線デバイスの受信部まで送信される信号は、一般に、1×1／4 V／cm 2以下である. したがって, the difference between the digital signal and the radio frequency signal will reach 10-6 (120dB). 明らかに, デジタル信号と無線周波数信号がうまく分離できない場合, 弱い無線周波数信号は破壊され得る. このように, 無線装置の作業性能は悪化し、あるいは全く動作しない.

同じPCB上のRF回路とデジタル回路の2つの一般的な問題

敏感な線と雑音の多い信号線の不十分な孤立は、一般の問題です. 上記の通り, デジタル信号は高振幅であり、多数の高周波数高調波を含んでいる. 上のデジタル信号配線 PCBボード is adjacent to the sensitive analog signal, 高周波高調波は. The most sensitive nodes of RF devices are usually the loop filter circuit of the phase-locked loop (PLL), the external voltage-controlled oscillator (VCO) inductor, 水晶参照信号とアンテナ端子. 回路のこれらの部分は特別な注意で扱われるべきである.

電源ノイズ

入出力信号が数Vのスイングを有するので、デジタル回路は一般に電源ノイズ（50 mV未満）に対して許容される。アナログ回路は電源電圧、特にグリッチ電圧及び他の高周波数高調波に非常に敏感である。したがって、RF（または他のアナログ）回路を含むPCB上の電力線配線は、通常のデジタル回路基板上の配線よりも慎重でなければならず、自動配線を避ける必要がある。同時に、マイクロコントローラ（または他のデジタル回路）が、各内部クロックサイクル内の短い期間に、電流の大部分を突然引き込むことに留意されたい。これは現代のマイクロコントローラがcmos技術で設計されているためである。したがって、マイクロコントローラが1 MHzの内部クロック周波数で動作すると仮定すると、この周波数で電源から電流を引き込む。適切な電源分離が取られない場合、必然的に電源線に電圧グリッチを生じる。これらの電圧バーストが回路のRF部分の電源ピンに到達すると、重大な場合には、作業不良を引き起こす可能性がある。従って、アナログ電源線がデジタル回路領域から分離されることを確実にする必要がある。

不合理な接地線

RF回路基板は、常に電源の負電極に接続された接地層を有するべきである。それが適切に扱われないならば、若干の変わった現象が起こるかもしれません。デジタル回路設計者にとっては、ほとんどのデジタル回路機能が接地面なしでも良好に動作するので、これは理解するのが難しいかもしれない。RF周波数帯では、短いワイヤさえインダクタのように動作する。ラフ計算，mm長あたりのインダクタンスは約1 nh，434 mhzで10 mmpcb回路のインダクタンスは約27åである。グランドワイヤ層が使用されない場合、ほとんどの接地線は長くなり、回路は設計特性を保証することができない。

（3）他のアナログ部品へのアンテナの放射

無線周波数および他の部品を含む回路では、しばしば見落とされる。RF部分に加えて、通常、ボード上の他のアナログ回路がある。例えば、多くのマイクロコントローラは、アナログ入力およびバッテリ電圧または他のパラメータを測定するためにビルトインA／D変換器（ADC）を有する。RF送信機のアンテナがこのPCB（またはこのPCB上の）の近くにある場合、送り出される高周波信号はADCのアナログ入力に達することができる。どんな回線でもアンテナのようなRF信号を発したり受信したりすることを忘れないでください。ADC入力端子が適切に処理されない場合、ADCによってESDダイオード入力にRF信号が自己励起され、ADC偏差が生じる。

3同一PCB上のRF回路とディジタル回路の解

大部分のRFアプリケーションのいくつかの一般的な設計および配線戦略は、以下に与えられる。しかしながら、実際の用途におけるRFデバイスのルーティング勧告に従うことがより重要である。

（1）信頼性の高い平面

RFコンポーネントを用いてPCBを設計する場合、信頼性の高い接地面を常に使用すべきである。その目的は、すべてのデバイスを容易に分離することができるように、回路の有効な0 V電位点を確立することである。電源の0 V端子はこのグランドプレーンに直接接続する必要がある。グランドプレーンの低インピーダンスのために、切り離された2つのノード間のシグナル結合がない。基板上の多重信号の振幅は120 dbで異なることが重要である。表面実装されたPCBでは、すべての信号配線は、部品実装面の同じ側にあり、接地層は反対側にある。理想的な接地面はPCB（アンテナPCBの下を除く）全体をカバーするべきです。つ以上の層を有するPCBが使用される場合、接地層は信号層（例えば、コンポーネント表面の下の層）に隣接する層上に配置されるべきである。別の良い方法は、信号配線層の空の部分をグランドプレーンで埋めることである。これらの接地面は、複数のビアを介して主接地面に接続されなければならない。接地点の存在によって近傍インダクタンス特性が変化し、インダクタンス値の選択とインダクタンスの配置を注意深く考慮する必要がある。

（2）グランドプレーンとの接続距離を短くする。

グランドプレーンへのすべての接続はできるだけ短くなければなりません、そして、地面ビアは部品パッド（または非常に近い）に置かれなければなりません。つの接地信号を接地経由で共有することはない。これは、ビア接続インピーダンスに起因する2つのパッド間のクロストークを引き起こすことがある。

（3）RFデカップリング

デカップリングコンデンサは可能な限りピンの近くに配置されるべきであり、コンデンサは分離される必要がある各ピンでのデカップリングに使用されるべきである。高品質のセラミックコンデンサを使用して、最高の誘電体タイプは“NPO”です。“X 7 R”はまた、ほとんどのアプリケーションでうまく動作することができます。コンデンサ値の理想的な選択は、直列共振を信号周波数に等しくするべきである。例えば、434 MHzで、100 mFコンデンサを搭載したSMDはよく動作する。この周波数では、コンデンサの容量性リアクタンスは約4アンペアであり、ビアの誘導性リアクタンスも同じ範囲にある。直列コンデンサおよびビアは信号周波数のためのノッチフィルタを形成するので、それは効果的に分離することができる。868 MHzで、33 pFコンデンサは理想的な選択です。RFデカップリングのための小さい値コンデンサに加えて、大きい値コンデンサも、低周波数を分離するために電力線に置かれなければならない。2.2 mm×1 Fのセラミックまたは10×1／4のタンタル・コンデンサを選ぶことができます。

電源のスター配線

スター配線は、アナログ回路設計（図1に示すように）でよく知られた技術である。回路基板上の各モジュールの配線は、共通の電源点から自身の電源線を有する。この場合、スター配線は、回路のデジタル部分とRF部分がそれぞれの電力線を有するべきであり、これらの電力線はICの近くで別々に分離されなければならないことを意味する。これは、デジタル部分からRF電源部からの電源ノイズを分離する効果的な方法である。同じ回路基板上に深刻なノイズを有するモジュールを配置する場合、電源ラインとモジュールとの間にインダクタ（磁気ビード）または小さな抵抗抵抗器（10Ω）を直列に接続することができ、これらのモジュール電源分離には少なくとも10×1／4 Fのタンタルコンデンサを使用する必要がある。このようなモジュールはRS 232ドライバまたはスイッチング電源レギュレータである。

(5) Arrange PCBレイアウト reasonably

ノイズモジュールと周囲アナログ部品との干渉を低減するためには，基板上の各回路モジュールのレイアウトが重要である。干渉を避けるために、常に敏感なモジュール（RF部分とアンテナ）を雑音モジュール（マイクロコントローラとRS 232ドライバー）から遠ざけてください。

（6）RF信号の影響を他のアナログ部品にシールドする

上述のように、RF信号は、それらが送られるときに、ADCのような他の敏感なアナログ回路モジュールへの干渉を引き起こす。問題の大部分は、低い動作周波数帯域（例えば27 MHz）および高出力出力レベルで生じる。高周波デカップリングコンデンサ（100 pf）をグラウンドに接続して感度の高い点を分離するのに良い設計法である。

( 7 )車載用ループアンテナの検討

アンテナは、その上に集積することができる PCB. 従来のホイップアンテナと比較して, スペースと生産コストを節約するだけではない, しかし、メカニズムでより安定していて信頼性があります. 従来, ループアンテナ設計は、比較的狭い帯域幅に適用される, 受信機と干渉しないように、不要な強い信号を抑制するのを助ける. It should be noted that loop antennas (just like all other antennas) may receive noise capacitively coupled by nearby noise signal lines. それは受信機に干渉し、送信機の変調にも影響を与え得る. したがって, アンテナの近くにデジタル信号線を置いてはいけません, そしてそれはアンテナの周りの空き領域を維持することをお勧めします. アンテナの近くのどんなオブジェクトも、チューニングネットワークの一部を形成するでしょう, which will cause the antenna tuning to deviate from the expected frequency point and reduce the transmission and reception radiation range (distance). アンテナのすべてのタイプ, attention must be paid to the fact that the shell (outer packaging) of the 回路基板 アンテナチューニングにも影響を与えるかもしれません. 同時に, アンテナ領域でグランドプレーンを除去するために注意すべきである, さもなければ、アンテナは効果的に機能できない.
(8) Connection of 回路基板
もし cable is used to connect the RF 回路基板 外部のデジタル回路に, ツイストペアケーブル. Each signal wire must be twisted with the GND wire (DIN/GND, ダウト/GND, cs/GND, PWR/GND). RFを接続してください 回路基板 とデジタルアプリケーション 回路基板 ツイストペアケーブルのGND線で, ケーブル長はできるだけ短いはずです. RFに電力を供給する回路 回路基板 must also be twisted with GND (VDD/GND).