Berita PCB - Bagaimana sirkuit RF dan sirkuit digital hidup dalam harmoni pada PCB yang sama?

Bagaimana sirkuit RF dan sirkuit digital hidup dalam harmoni pada PCB yang sama? Peranti frekuensi radio cip tunggal sangat memudahkan aplikasi dalam medan komunikasi tanpa wayar dalam julat tertentu. Pautan komunikasi tanpa wayar lengkap boleh bentuk dengan menggunakan pengendali mikro dan antena yang sesuai dalam kombinasi dengan peranti penerima. Mereka boleh disertai pada papan sirkuit kecil dan digunakan dalam banyak medan seperti sistem penghantaran data audio digital tanpa wayar dan video digital, kawalan jauh tanpa wayar dan sistem telemetri, sistem pengakuan data tanpa wayar, rangkaian tanpa wayar, dan sistem keselamatan tanpa wayar.

1 Perlawanan potensi antara litar digital dan litar analog

Jika sirkuit analog (RF) dan sirkuit digital (microcontroller) berfungsi secara terpisah, ia mungkin berfungsi dengan baik, tetapi apabila kedua-dua ditempatkan pada papan sirkuit yang sama dan berfungsi bersama dengan bekalan kuasa yang sama, seluruh sistem mungkin tidak stabil. Ini terutama kerana isyarat digital sering bergerak antara tanah dan bekalan kuasa positif (3V dalam saiz), dan jangka adalah sangat pendek, sering dalam aras ns. Kerana amplitud yang lebih besar dan masa penukaran yang lebih kecil, isyarat digital ini mengandungi bilangan besar komponen frekuensi tinggi yang bebas dari frekuensi penukaran. Dalam bahagian analog, isyarat yang dihantar dari gelung tuning antena ke bahagian penerima peranti tanpa wayar biasanya kurang dari 1μV. Oleh itu, perbezaan antara isyarat digital dan isyarat frekuensi radio akan mencapai 10-6 (120dB). Jelas sekali, jika isyarat digital dan isyarat frekuensi radio tidak dapat dipisahkan dengan baik, isyarat frekuensi radio lemah mungkin dihancurkan. Dengan cara ini, prestasi kerja peranti tanpa wayar akan teruk atau bahkan gagal bekerja sama sekali.

2 Masalah umum sirkuit RF dan sirkuit digital pada PCB yang sama

Pengerian tidak cukup garis sensitif dan garis isyarat bunyi adalah masalah umum. Seperti yang disebut di atas, isyarat digital mempunyai swing tinggi dan mengandungi bilangan besar harmonik frekuensi tinggi. Jika kawalan isyarat digital pada papan PCB disebelah dengan isyarat analog sensitif, harmonik frekuensi tinggi boleh disambung melalui. Nod paling sensitif peranti RF biasanya ialah sirkuit penapis loop loop loop terkunci fasa (PLL), induktor oscilator kawal-voltasi luaran (VCO), isyarat rujukan kristal dan terminal antena. Bahagian-bahagian sirkuit ini sepatutnya ditangani dengan hati-hati istimewa.

(1) Bunyi bekalan kuasa

Oleh kerana isyarat input/output mempunyai swing beberapa V, litar digital secara umum diterima untuk bunyi bekalan kuasa (kurang dari 50 mV). Sirkuit analog sangat sensitif kepada bunyi bekalan kuasa, terutama untuk tekanan gagal dan harmonik frekuensi tinggi lain. Oleh itu, kawalan garis kuasa pada PCB yang mengandungi sirkuit RF (atau lain analog) mesti lebih berhati-hati daripada kawalan pada papan sirkuit digital biasa, dan kawalan automatik mesti dihindari. Pada masa yang sama, perlu dikatakan bahawa mikrokawal (atau sirkuit digital lain) akan tiba-tiba melukis sebahagian besar semasa dalam jangka pendek masa dalam setiap sirkuit jam dalaman. Ini kerana pengawal mikro modern direka dengan teknologi CMOS. Oleh itu, menganggap mikrokawal berjalan pada frekuensi jam dalaman 1MHz, ia akan melukis (denyut) arus dari bekalan kuasa pada frekuensi ini. Jika pemisahan bekalan kuasa yang betul tidak diambil, ia akan menyebabkan kegagalan tegangan pada garis kuasa. Jika letupan tenaga ini mencapai pin bekalan kuasa bahagian RF sirkuit, ia mungkin menyebabkan kegagalan kerja dalam kes-kes yang serius. Oleh itu, perlu memastikan garis kuasa analog dipisahkan dari kawasan sirkuit digital.

(2) Kabel tanah tidak masuk akal

Papan sirkuit RF sepatutnya mempunyai lapisan tanah tersambung dengan elektrod negatif bekalan kuasa. Jika ia tidak dikendalikan dengan betul, beberapa fenomena pelik mungkin berlaku. Untuk perancang sirkuit digital, ini mungkin sukar untuk dipahami, kerana kebanyakan fungsi sirkuit digital berjalan dengan baik walaupun tanpa pesawat tanah. Dalam band frekuensi RF, walaupun wayar pendek akan bertindak seperti induktor. Pengiraan kasar, induktan per mm panjang sekitar 1nH, dan induktan sirkuit 10mmPCB pada 434MHz sekitar 27Ω. Jika lapisan wayar tanah tidak digunakan, kebanyakan wayar tanah akan lebih panjang dan sirkuit tidak akan dapat menjamin ciri-ciri desain.

(3) Radiasi antena ke bahagian analog lain

Dalam sirkuit yang termasuk frekuensi radio dan bahagian lain, ini sering dilupakan. Selain bahagian RF, biasanya ada sirkuit analog lain di papan. Contohnya, banyak pengendali mikro mempunyai penyukar analog-ke-digital (ADC) yang dibina untuk mengukur input analog dan tekanan bateri atau parameter lain. Jika antena penghantar RF ditempatkan berhampiran PCB ini (atau pada PCB ini), isyarat frekuensi tinggi yang dihantar keluar mungkin mencapai input analog ADC. Jangan lupa bahawa mana-mana garis sirkuit boleh mengeluarkan atau menerima isyarat RF seperti antena. Jika terminal input ADC tidak diproses dengan betul, isyarat RF mungkin bersemangat dalam input dioda ESD oleh ADC, menyebabkan penyebaran ADC.

3 Solusi sirkuit RF dan sirkuit digital pada PCB yang sama

Beberapa rancangan umum dan strategi kabel dalam kebanyakan aplikasi RF diberi di bawah. Namun, lebih penting untuk mengikuti rekomendasi laluan untuk peranti RF dalam aplikasi sebenar.

(1) Pesawat tanah yang boleh dipercayai

Apabila merancang PCB dengan komponen RF, pesawat tanah yang boleh dipercayai sepatutnya digunakan. Tujuannya adalah untuk menetapkan titik 0V yang berkesan dalam sirkuit supaya semua peranti boleh mudah dipasang. Terminal 0V bekalan kuasa patut disambung secara langsung ke pesawat tanah ini. Kerana kekurangan penerbangan tanah, tidak akan ada isyarat yang menyambung antara dua nod yang telah terputus. Ia sangat penting bahawa amplitud isyarat berbilang di papan boleh berbeza dengan 120dB. Pada PCB terpasang-permukaan, semua kawat isyarat berada di sisi yang sama bagi permukaan pemasang komponen, dan lapisan tanah berada di sisi bertentangan. Pesawat tanah ideal patut meliputi seluruh PCB (kecuali di bawah PCB antena). Jika PCB dengan lebih dari dua lapisan digunakan, lapisan tanah patut ditempatkan pada lapisan disebelah lapisan isyarat (seperti lapisan di bawah permukaan komponen). Kaedah lain yang baik adalah untuk mengisi bahagian kosong lapisan kawat isyarat dengan pesawat tanah. Pesawat tanah ini mesti disambungkan ke pesawat tanah utama melalui beberapa vias. Perlu dicatat bahawa wujud titik dasar akan menyebabkan ciri-ciri induktan terdekat berubah, jadi pemilihan nilai induktan dan tempatan induktan mesti dipertimbangkan dengan hati-hati.

(2) Kurangkan jarak sambungan dengan pesawat tanah

Semua sambungan ke pesawat tanah mesti pendek yang mungkin, dan vias tanah mesti ditempatkan (atau sangat dekat) pads komponen. Jangan biarkan dua isyarat tanah berkongsi tanah melalui. Ini boleh menyebabkan percakapan salib antara kedua-dua pads disebabkan melalui impedance sambungan.

(3) Pemisahan RF

Kondensator pemisah patut ditempatkan sebanyak mungkin kepada pin, dan kondensator patut digunakan untuk pemisah pada setiap pin yang perlu dipisah. Menggunakan kondensator keramik berkualiti tinggi, jenis dielektrik terbaik adalah "NPO". "X7R" juga boleh berfungsi dengan baik dalam kebanyakan aplikasi. Pilihan ideal nilai kondensator patut membuat resonansi siri sama dengan frekuensi isyarat. Contohnya, pada 434MHz, kondensator 100pF yang diletak SMD akan berfungsi dengan baik. Pada frekuensi ini, reaksi kapasitatif kondensator adalah kira-kira 4Ω, dan reaksi induktif melalui juga dalam julat yang sama. Kondensator dan vias siri membentuk penapis notch untuk frekuensi isyarat, sehingga ia boleh dipasang secara efektif. Pada 868MHz, kondensator 33pF adalah pilihan yang ideal. Selain kondensator nilai kecil untuk pemasangan RF, kondensator nilai besar juga patut ditempatkan pada garis kuasa untuk pemasangan frekuensi rendah. Anda boleh memilih 2.2μF keramik atau 10μF kondensator tantalum.

(4) Kabel bintang bagi bekalan kuasa

Kawalan bintang adalah teknik yang diketahui dalam desain sirkuit analog (seperti yang dipaparkan dalam Gambar 1). Kabel bintang-setiap modul di papan sirkuit mempunyai garis bekalan kuasa sendiri dari titik bekalan kuasa umum. Dalam kes ini, kawalan bintang bermakna bahawa bahagian digital dan bahagian RF sirkuit sepatutnya mempunyai garis kuasa mereka sendiri, dan garis kuasa ini sepatutnya dipisahkan secara terpisah dekat IC. Ini adalah cara yang efektif untuk memisahkan bunyi bekalan kuasa dari bahagian digital dan bahagian RF. Jika modul dengan bunyi serius ditempatkan pada papan sirkuit yang sama, induktor (bead magnetik) atau resistor kekerasan kecil (10Ω) boleh disambung dalam siri antara garis kuasa dan modul, dan kondensator tantalum sekurang-kurangnya 10μF mesti digunakan untuk penyahpautan bekalan kuasa modul ini. Modul ini adalah pemacu RS 232 atau menukar pengaturan bekalan kuasa.

(5) Urus bentangan PCB secara rasional

Untuk mengurangi gangguan dari modul bunyi dan bahagian analog sekeliling, bentangan setiap modul sirkuit di papan adalah penting. Sentiasa simpan modul sensitif (bahagian RF dan antena) jauh dari modul bunyi (mikrokawal dan pemacu RS 232) untuk mengelakkan gangguan.

(6) Lindungi pengaruh isyarat RF pada bahagian analog lain

Seperti yang disebut di atas, isyarat RF akan menyebabkan gangguan ke modul sirkuit analog sensitif lain seperti ADC apabila mereka dihantar. Kebanyakan masalah berlaku dalam band frekuensi operasi lebih rendah (seperti 27MHz) dan aras output kuasa tinggi. Ia adalah praktek reka yang baik untuk menyambungkan kondensator penyahpautan RF (100pF) ke tanah untuk menyambungkan titik sensitif.

(7) Pertimbangan khas untuk antena loop kapal

Antena boleh disertai dalam PCB. Berbanding dengan antena whip tradisional, ia tidak hanya menyimpan ruang dan kos produksi, tetapi juga lebih stabil dan dipercayai dalam mekanisme. Secara biasa, desain antena loop dilaksanakan pada lebar band relatif sempit, yang membantu menekan isyarat kuat tidak diinginkan supaya tidak mengganggu penerima. Perlu dicatat bahawa antena loop (sama seperti semua antena lain) boleh menerima bunyi secara kapasitif disambung oleh garis isyarat bunyi dekat. Ia akan mengganggu penerima dan juga boleh mempengaruhi modulasi penghantar. Oleh itu, anda tidak perlu meletakkan garis isyarat digital dekat antena, dan ia disarankan untuk menjaga ruang bebas di sekitar antena. Setiap objek yang dekat dengan antena akan membentuk sebahagian rangkaian penyesuaian, yang akan menyebabkan penyesuaian antena melebihi titik frekuensi yang dijangka dan mengurangkan julat radiasi transmisi dan penerimaan (jarak). Untuk semua jenis antena, perhatian mesti diberikan kepada fakta bahawa shell (pakej luar) papan sirkuit juga boleh mempengaruhi tuning antena. Pada masa yang sama, perlu diperhatikan untuk membuang pesawat tanah di kawasan antena, jika tidak antena tidak boleh berfungsi dengan efektif. (8) Sambungan papan sirkuit · Jika kabel digunakan untuk menyambungkan papan sirkuit RF dengan sirkuit digital luaran, kabel pasangan berpasangan terputar patut digunakan. Setiap wayar isyarat mesti diputar dengan wayar GND (DIN/GND, DOUT/GND, CS/GND, PWR UP/GND). Ingat untuk menyambungkan papan sirkuit RF dan papan sirkuit aplikasi digital dengan wayar GND kabel berpasangan putar, dan panjang kabel sepatutnya yang singkat mungkin. Sirkuit yang menyediakan kuasa kepada papan sirkuit RF juga mesti diputar dengan GND (VDD/GND).