PCB技術 - PCBボードにRF回路とデジタル回路を設置する方法

PCBボードにRF回路とデジタル回路を設置する方法

単一チップ無線周波数デバイスは、あるスケール内で無線通信の分野での応用を大いに容易にする. 適切なマイクロコントローラ及びアンテナを選択し、このトランシーバ装置を組み合わせることにより、完全な無線通信リンクを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.

ディジタル回路と模倣回路間の潜在的な対立

回路（RF）およびデジタル回路（マイクロコントローラ）を模倣することは独立して働くことができると仮定するが、2つの回路が同じ回路基板上に置かれ、同じ電源が一緒に動作するために使用されると、システム全体が不安定になる可能性がある。

これは主にデジタル信号がグランドと正の電源（3 V）の間で頻繁に揺れているためであり、周期は非常に短く、しばしばnsレベルである。これらのデジタル信号は、大きな振幅およびより小さなスイッチング時間のために、スイッチング周波数に依存しない多くの高周波成分を含む。

模倣部分では、アンテナ同調ループから無線装置の受信部へ送信される信号は、一般に1×1／4 V以下である。したがって、デジタル信号とRF信号との間の差は10－6（120 dB）に達する。

明らかに、デジタル信号と無線周波信号とを区別することができないと仮定すると、弱い無線周波数信号が損傷され得る。その結果、無線デバイスの操作機能は悪化するか、または全く動くことさえできない。

同一PCB上のRF回路とディジタル回路の共通問題

アクティブラインおよびノイズ信号線を適切にブロックすることができないことは、一般的な問題である。上述したように、デジタル信号は、高い揺れを有し、多くの高周波数高調波を含んでいる。

上のデジタル信号配線の近くでアクティブアナログ信号を仮定すること PCBボード, 高周波高調波は、前に結合され得る.

RFデバイスの最もアクティブなノードは、一般に、位相同期ループ（PLL）、外部電圧制御発振器（VCO）インダクタ、水晶基準信号およびアンテナ端子のループフィルタ回路である。回路のこれらの部分は特別な注意をもって扱われるべきです。

電源ノイズ

入出力信号は数ボルト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）を許容することができる。回路を模倣している間、グリッチ電圧および他の高周波数高調波のために、それは電源ノイズに適している。

したがって、RF（または他の模倣）回路を含むPCBボード上の電力線配線は、一般的な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、自動配線を防止する必要がある。

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、短い間、各内部クロックサイクルにおいて電流の大部分を急激にシンクすることにも留意すべきである。これは、現代のマイクロコントローラがCMOSプロセス計画を使用するからである。

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していると仮定すると、この周波数で電源から電流を引き出す（パルス）。適切な電源分離が採用されない場合、必然的に電源線に電圧グリッチを生じる。

これらの電圧グリッチが回路のRF部分の電源ピンに達すると仮定すると、それらは、動作が厳しく失敗することがある。このため、疑似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、常に電源の負極に接続されたグランドプレーン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。

デジタル回路プランナーにとって、これは理解するのが難しいかもしれません、地上飛行機なしでさえ、大部分のデジタル回路機能は目立つ。

RF周波数帯では、非常に短いワイヤさえ、インダクタンスと同じ効果を有する。粗計算，mm長インダクタンスは約1 nh，434 mhzでの10 mm pcb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選択されていないと仮定すると、ほとんどの接地線は長くなり、回路は計画された特性を保証することができない。

（3）アンテナから他の模倣部品への放射

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、ボード上の一般的に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）の近くにあると仮定すると、宣言された高周波信号は、ADCのアナログ入力に到達することができる。どんな回線でもアンテナと同じRF信号を知らせたり受信したりすることを忘れないでください。

ADC入力の処理が不合理であると仮定すると、RF信号はADC入力のESDダイオードにおいて自己励起され、次いでADCエラーを引き起こすことがある。RF回路とデジタル回路は同じPCB処理方式で作られる

大部分のRFアプリケーションのいくつかの一般的な計画および配線戦略は、以下に与えられる。しかしながら、実際にRFデバイスの配線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コンポーネントでPCBを計画するとき、あなたは常に信頼できる地上飛行機を選ぶべきです。その目的は回路内の有用な0 V電位点を確立することであり、従って全てのデバイスは単に分離される。

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。外部に実装されたPCBにおいては、全ての信号配線は、素子デバイス表面の同じ側にあり、接地層は良好ではない。

吸引の接地面はPCB全体（アンテナPCBの下を除く）をカバーしなければならない。つ以上の層を有するPCBが使用されると仮定すると、接地層は、近くの信号層（例えば、コンポーネント表面の下の層）の層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。

接地点の存在により、周囲のインダクタンス特性が変化するので、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）接地層との接続距離を短くする。

接地層へのすべての接続は可能な限り短くしなければならず、接地ビアはコンポーネントのパッド（または非常に近い）に配置すべきである。つの接地信号を接地ビアを共有させないで、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選択します。最高の誘電体タイプは「NPO」です。ほとんどのアプリケーションでは" X 7 R "がうまく動作する。コンデンサ値の選択的な選択は、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では、100 mFのコンデンサがうまく動作するようになる。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スケールである。直列にコンデンサおよびビアは信号周波数に関してノッチフィルタを形成する。

868 MHzで、33 pF静電容量は、選考的な選択です。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択することができる。

電源のスター配線

スター配線は、回路計画のよく知られた技術の後でモデル化されます。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のに有用な方法である。

同一の回路基板上に厳しいノイズを有するモジュールを配置した場合には、電力線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、コンデンサとして少なくとも10×1／4 Fのタンタルコンデンサを用いる必要がある。これらのモジュールの電源は分離される。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 合理的に

ノイズモジュールや周辺部からの外乱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。ノイズモジュール（マイクロコントローラとRS 232ドライバー）からアクティブモジュール（RF部分とアンテナ）を遠ざけてください。

（6）RF信号の影響を他の模倣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などの他の能動アナログ回路モジュールを妨害する。問題の大部分は、より低い動作周波数帯（例えば27 MHz）および高出力レベルで発生する。RFデカップリングコンデンサ（100 P F）を使用して、グラウンドに接続し、アクティブポイントを連続的に連結することは、良い計画的な習慣である。

( 7 )車載用ループアンテナの検討

アンテナはすべてPCB上に構築可能である。

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なく、組織でより安定していて信頼性があります。従来、ループアンテナは比較的狭い帯域幅のために計画されており、受信機を乱すことから不要な強い信号を抑制するのを助ける。ループアンテナ（他の全てのアンテナと同様に）は、近くのノイズ信号線から容量的に結合されたノイズを受信することができることに留意してください。

それは受信機を困らせて、送信機の変調に影響を及ぼすかもしれません。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、それはアンテナのまわりで自由なスペースを維持することを勧められます。

アンテナの近くのどんなオブジェクトも同調ネットワークの一部を構成するでしょう。そして、それはアンテナ調整を予想された周波数点から逸脱させて、透過と受信放射線のスケール（距離）を減らしさせます。すべてのタイプのアンテナに関しては、この現実に注意を払う必要があり、回路基板のシェル（アウターパッケージング）もアンテナ同調に影響を与える可能性がある。

同時に、アンテナ領域でグランドプレーンを取り除くために注意しなければならない。

(8) 回路基板 connection

RF回路基板を外部のデジタル回路に接続するためにケーブルを使用すると仮定すると、ツイストペアケーブルが使用されるべきである。各信号線はGND線（DIN／GND、ダウト／GND、cs／GND、PWR−HIGH／GND）と共にツイストしなければならない。

RF回路基板とデジタル応用回路基板をツイストペアケーブルのGND線で接続し、ケーブル長をできるだけ短くしなければならない。RF回路基板の電源回路はGND（VDD／GND）でツイストしなければならない。

結論として

無線周波数集積回路の急速な発展は、無線デジタルオーディオおよびビデオデータ伝送システム、無線遠隔操作、テレメトリシステム、無線データ収集システム、無線ネットワークおよび無線セキュリティおよび防御システムに従事している技術者および技術者のための最大の無線アプリケーションボトルネックを提供する。おそらく。

同時に、無線周波数回路の計画は、プランナーに特定の実用的な経験とエンジニアリング計画能力を持たせることを必要とします。