PCB 뉴스 - 무선 주파수 회로와 디지털 회로는 어떻게 같은 PCB에서 조화롭게 공존합니까?

무선 주파수 회로와 디지털 회로는 어떻게 같은 PCB에서 조화롭게 공존합니까?단편기 무선 주파수 장치는 일정한 범위 내에서 무선 통신 분야의 응용을 크게 편리하게 하였다.적합한 마이크로컨트롤러와 안테나, 트랜시버 장치를 사용하여 완전한 무선 통신 링크를 형성할 수 있습니다.소형 회로 기판에 통합할 수 있으며 무선 디지털 오디오 및 디지털 비디오 데이터 전송 시스템, 무선 원격 제어 및 원격 측정 시스템, 무선 데이터 수집 시스템, 무선 네트워크 및 무선 보안 시스템과 같은 다양한 분야에서 사용할 수 있습니다.

1 디지털 회로와 아날로그 회로 간의 잠재적 모순

아날로그 회로 (RF) 와 디지털 회로 (마이크로 컨트롤러) 가 분리되어 작동하면 잘 작동 할 수 있지만 일단 동일한 회로 기판에 둘 다를 놓고 동일한 전원을 사용하여 함께 작동하면 전체 시스템이 불안정 할 가능성이 높습니다.이것은 주로 디지털 신호가 땅과 양전원 (크기 3V) 사이에서 자주 흔들리고 주기가 매우 짧으며 일반적으로 ns 레벨에 있기 때문입니다.큰 폭과 작은 스위치 시간 때문에 이러한 디지털 신호는 스위치 주파수와 무관한 고주파 분량을 많이 포함한다.아날로그 섹션에서 안테나 튜닝 루프에서 무선 장치로 전송되는 수신 섹션의 신호는 일반적으로 1 ° V 미만입니다.따라서 디지털 신호와 무선 주파수 신호 사이의 차이는 10-6 (120dB) 에 달할 것입니다.디지털 신호와 무선 주파수 신호가 잘 분리되지 않으면 희미한 무선 주파수 신호가 파괴될 수 있다는 것은 분명하다.이렇게 되면 무선 장치의 작동 성능이 저하되어 전혀 작동하지 않을 수도 있습니다.

2 무선 및 디지털 회로가 동일한 PCB에서 자주 발생하는 문제

민감한 회선과 소음 신호 회선의 격리 부족은 흔히 볼 수 있는 문제이다.위에서 설명한 바와 같이 디지털 신호는 고진동을 가지며 대량의 고주파 고조파를 포함한다.PCB 보드의 디지털 신호 경로설정이 민감한 아날로그 신호와 인접한 경우 고주파 고조파가 결합될 수 있습니다.무선 주파수 부품에서 가장 민감한 노드는 일반적으로 잠금 고리 (PLL) 의 루프 필터 회로, 외부 압력 제어 발진기 (VCO) 센서, 트랜지스터 참조 신호 및 안테나 단자입니다.회로의 이러한 부품은 특히 조심해서 처리해야 한다.

(1) 전원 노이즈

입력 / 출력 신호에는 여러 V의 진동이 있기 때문에 디지털 회로는 일반적으로 50mV 미만의 전원 노이즈에 사용될 수 있습니다.아날로그 회로는 특히 스파이크 전압 및 기타 고주파 고조파와 같은 전원 소음에 매우 민감합니다.따라서 RF(또는 기타 아날로그) 회로를 포함하는 PCB의 전원 케이블은 일반 디지털 보드의 케이블보다 더 조심스럽게 연결되어야 하며 자동 케이블링은 피해야 합니다.또한 마이크로컨트롤러 (또는 기타 디지털 회로) 는 각 내부 시계 주기 내의 짧은 시간 내에 갑자기 대부분의 전류를 섭취한다는 점에 유의해야 한다.현대 마이크로컨트롤러가 CMOS 기술로 설계됐기 때문이다.따라서 마이크로컨트롤러가 내부 클럭 주파수 1MHz로 작동한다고 가정하면 이 주파수의 전원에서 전류(펄스)를 흡수한다.적절한 전원 공급 장치 분리 조치를 취하지 않으면 전원 코드에 전압 장애가 발생할 수밖에 없습니다.이러한 전압 스퍼트가 회로 무선 주파수 부분의 전원 핀에 도달하면 심각한 경우 작동 오류가 발생할 수 있습니다.따라서 아날로그 전원 코드가 디지털 회로 영역에서 분리되도록 할 필요가 있습니다.

(2) 접지선이 불합리하다

무선 주파수 회로 기판에는 항상 전원 음극에 연결된 접지층이 있어야 합니다.잘못 처리하면 이상한 현상이 나타날 수 있다.디지털 회로 설계자에게는 접지 평면이 없더라도 대부분의 디지털 회로 기능이 잘 수행되기 때문에 이해하기 어려울 수 있습니다.무선 주파수 대역에서는 짧은 전선이라도 감지기 역할을 한다.대략적으로 계산하면, 밀리미터 길이당 전기 감각은 약 1nH이며, 434MHz에서 10mm PCB 회로의 전기 감각은 약 27섬이다.지선층을 사용하지 않으면 대부분의 지선이 더 길어지고 회로가 설계 특성을 보장할 수 없습니다.

(3) 다른 시뮬레이션 부품에 대한 안테나 복사

무선 주파수 및 기타 부분을 포함하는 회로에서 이 점은 종종 무시됩니다.일반적으로 보드에는 무선 주파수 부분 외에도 다른 아날로그 회로가 있습니다.예를 들어, 많은 마이크로컨트롤러에는 아날로그 입력 및 배터리 전압 또는 기타 매개변수를 측정하는 데 사용되는 내장 아날로그 변환기(ADC)가 있습니다.무선 송신기의 안테나가 PCB 근처 (또는 PCB) 에 있으면 송수신되는 고주파 신호가 ADC의 아날로그 입력에 도달할 수 있습니다.어떤 회로 회선도 안테나처럼 RF 신호를 보내거나 받을 수 있다는 것을 잊지 마십시오.ADC 입력 단자가 제대로 처리되지 않으면 RF 신호가 ADC 입력의 ESD 다이오드에서 자극되어 ADC 오프셋이 발생할 수 있습니다.

3 무선 및 디지털 회로가 동일한 PCB에 있는 솔루션

다음은 대부분의 무선 주파수 응용 프로그램에서 일반적인 설계 및 케이블 연결 정책을 보여 줍니다.그러나 실제 응용 프로그램에서는 RF 장치의 라우팅 권장 사항을 따르는 것이 더 중요합니다.

(1) 신뢰할 수 있는 접지 평면

RF 어셈블리가 있는 PCB를 설계할 때는 항상 신뢰할 수 있는 접지 평면을 사용해야 합니다.그 목적은 회로에 유효한 0V 전위점을 만들어 모든 장치가 쉽게 결합할 수 있도록 하는 것이다.전원 공급 장치의 0V 끝은 이 접지 평면에 직접 연결되어야 합니다.접지 평면의 낮은 임피던스로 인해 결합이 제거된 두 노드 사이에 신호 결합이 존재하지 않습니다.매우 중요한 것은 보드의 여러 신호의 폭이 120dB 차이가 날 수 있다는 것입니다.표면에 설치된 PCB에서 모든 신호 경로설정은 컴포넌트 설치 표면의 같은 면에 있고 접지층은 반대편에 있습니다.이상적인 접지 평면은 전체 PCB(안테나 PCB 아래 제외)를 덮어야 합니다.두 레이어 이상의 PCB를 사용하는 경우 어셈블리 표면 아래의 레이어와 같이 신호 레이어에 인접한 레이어에 접지층을 배치해야 합니다.또 다른 좋은 방법은 신호 경로설정 레이어의 빈 부분을 접지층으로 채우는 것입니다.이러한 접지 평면은 여러 개의 오버홀을 통해 주 접지 평면에 연결되어야 합니다.접지점의 존재는 부근의 전감 특성에 변화를 초래할 수 있으므로 전감 값의 선택과 전감 배치를 꼼꼼히 고려해야 한다는 점에 유의해야 한다.

(2) 지평면과의 연결 거리 단축

접지 평면에 대한 모든 연결은 가능한 한 짧아야 하며 접지 통과 구멍은 어셈블리 용접판을 배치해야 합니다 (또는 매우 가까운).두 개의 접지 신호가 하나의 접지를 함께 사용하지 않도록 하십시오.구멍 통과 연결 임피던스로 인해 두 용접 디스크 간의 간섭이 발생할 수 있습니다.

(3) 무선 주파수 디커플링

디커플링 콘덴서는 가능한 한 핀에 접근해야 하며, 디커플링이 필요한 각 핀에 디커플링을 위해 콘덴서를 사용해야 한다.고품질의 세라믹 콘덴서를 사용하는 가장 좋은 전매질 유형은"NPO"입니다.X7R은 대부분의 애플리케이션에서도 잘 작동합니다.콘덴서 값의 이상적인 선택은 직렬 공명을 신호 주파수와 같게 해야 한다.예를 들어, 434MHz에서는 SMD에 설치된 100pF 콘덴서가 잘 작동합니다.이 주파수에서 콘덴서의 내성은 약 4이고 구멍을 통과하는 감성도 같은 범위에 있다.콘덴서와 구멍을 통과하여 신호 주파수를 형성하는 오실로그래프 필터를 연결하여 효과적으로 디커플링할 수 있다.868MHz에서는 33pF 콘덴서가 이상적입니다.무선 주파수 디커플링에 사용되는 소값 콘덴서 외에도 저주파를 디커플링하기 위해 전원 라인에 큰 값 콘덴서를 배치해야 한다.2.2°F 세라믹 또는 10°F 탄탈럼 콘덴서를 선택할 수 있습니다.

(4) 별 전원 연결

별 배선은 아날로그 회로 설계에서 잘 알려진 기술입니다 (그림 1 참조).별표 배선 회로 기판의 각 모듈에는 공용 전원 공급 장치의 자체 전원 코드가 있습니다.이 경우 별 배선은 회로의 디지털 부분과 RF 부분에 자체 전원 코드가 있어야 하며 이 전원 코드는 IC 근처에서 개별적으로 분리되어야 한다는 것을 의미합니다.이것은 디지털 및 RF 섹션에서 전원 노이즈를 분리하는 효과적인 방법입니다.노이즈가 심한 모듈을 동일한 회로 기판에 배치하는 경우 전원 코드와 모듈 사이에 센서 (캐비닛) 또는 작은 저항 저항기 (10 섬) 를 직렬로 연결할 수 있으며 이러한 모듈의 전원 디커플링은 최소 10 섬 F의 탄탈럼 전기 용기를 사용해야 합니다.이 모듈은 RS 232 드라이브 또는 스위치 전원 조절기입니다.

(5) PCB 레이아웃의 합리적 배치

노이즈 모듈과 주변 아날로그 부품의 간섭을 줄이기 위해 보드의 각 회로 모듈의 레이아웃이 중요합니다.노이즈 모듈(마이크로컨트롤러 및 RS 232 드라이브)에서 중요한 모듈(RF 부품 및 안테나)을 항상 유지하여 간섭을 방지합니다.

(6) 무선 주파수 신호가 다른 아날로그 부품에 미치는 영향

위에서 설명한 바와 같이 RF 신호는 ADC와 같은 다른 민감한 아날로그 회로 모듈에 간섭을 일으킬 수 있습니다.대부분의 문제는 27MHz와 같은 낮은 작동 주파수 대역과 고출력 레벨에서 발생합니다.무선 주파수 디커플링 커패시터 (100pF) 를 접지하여 민감한 점을 디커플링하는 것은 좋은 설계 실천이다.

(7) 차량용 고리형 안테나의 특수 주의사항

안테나는 PCB에 통합될 수 있습니다.기존의 채찍형 안테나에 비해 공간과 생산 비용을 절약할 뿐만 아니라 기구적으로 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있다.일반적으로 루프 안테나 설계는 상대적으로 좁은 대역폭에 적용되어 수신기를 방해하지 않고 원하지 않는 강한 신호를 억제하는 데 도움이 됩니다.링 안테나 (다른 모든 안테나와 마찬가지로) 는 근처의 노이즈 신호선 커패시터에서 결합된 노이즈를 수신할 수 있다는 점에 유의해야 합니다.그것은 수신기를 방해할 수도 있고, 송신기의 변조에 영향을 줄 수도 있다.따라서 절대 안테나 근처에 디지털 신호선을 깔지 말고 안테나 주위에 여유 공간을 유지하는 것이 좋다.안테나에 가까운 모든 물체는 튜닝 네트워크의 일부를 형성하여 안테나 튜닝이 예상 주파수점에서 벗어나고 방사선 방출 및 수신 범위 (거리) 를 줄일 수 있습니다.모든 종류의 안테나에 대해 회로 기판의 케이스 (외부 포장) 도 안테나 튜닝에 영향을 줄 수 있다는 것을 주의해야 한다.이와 동시에 안테나구역의 접지평면을 철거하는데 주의를 돌려야 한다. 그렇지 않을 경우 안테나가 효과적으로 작동할수 없다.(8) 회로 기판 연결 무선 주파수 회로 기판을 외부 디지털 회로에 케이블로 연결하는 경우 이중 권선을 사용합니다.각 신호선은 GND 라인(DIN/GND, DOUT/GND, CS/GND, PWR_UP/GND)과 꼬여야 합니다.이중 교수선의 GND 케이블로 무선 주파수 회로 기판과 디지털 응용 회로 기판을 연결하는 것을 기억하십시오. 케이블 길이는 가능한 한 짧아야 합니다.RF 보드에 전원을 공급하는 회로도 GND(VDD/GND)와 맞물려야 합니다.