Data PCB - Petua PCB untuk mengurangkan gandingan isyarat semasa reka bentuk RF

Radio frequency (RF) Papan PCB desain sering digambarkan sebagai "seni hitam" kerana ketidakpastian teorinya, tetapi pandangan ini hanya sebahagian benar, dan terdapat banyak panduan untuk desain papan sirkuit RF yang boleh dan tidak patut diikuti dan dilupakan peraturan. Namun, apabila ia berkaitan dengan rancangan sebenar, trik sebenarnya adalah bagaimana untuk kompromi panduan dan undang-undang ini apabila mereka tidak dapat dilaksanakan dengan tepat kerana beberapa kekangan rancangan. Sudah tentu., ada banyak topik rekaan RF yang penting yang patut dibahas, termasuk persamaan impedance dan impedance, bahan pengasingan dan laminat, dan panjang gelombang dan gelombang berdiri, tetapi artikel ini akan fokus pada pelbagai isu berkaitan dengan rancangan sekatan papan RF. Rancangan telefon bimbit hari ini mengintegrasikan segala-galanya dengan berbagai cara, yang teruk untuk rancangan papan RF. Industri sekarang sangat bersaing, dan semua orang mencari cara untuk mengintegrasikan fungsi berbilang dengan saiz dan kos. Analog, digital, dan sirkuit RF dipenuhi dengan ketat bersama dengan ruang yang sangat sedikit untuk memisahkan kawasan masalah mereka, dan bilangan lapisan sering dikurangkan kerana pertimbangan biaya. Ia menakjubkan bahawa cip berbilang tujuan boleh mengintegrasikan fungsi berbilang pada kematian yang sangat kecil, dan pins untuk menyambung ke dunia luar diatur begitu dekat bersama-sama sehingga RF, IF, analog, dan isyarat digital sangat dekat, Tetapi mereka biasanya tidak relevan secara elektrik. Penghapusan kuasa boleh menjadi mimpi buruk bagi desainer, dengan bahagian-bahagian lain sirkuit yang berkongsi masa sesuai dengan yang diperlukan, dengan tukar kawalan perisian untuk menyimpan hidup bateri. Ini bermakna anda mungkin memerlukan 5 atau 6 sumber kuasa berfungsi untuk telefon bimbit anda.

Koncept Bentangan RF

Apabila merancang bentangan RF, terdapat beberapa prinsip umum yang mesti diutamakan: mengisolasi penyampai RF kuasa tinggi (HPA) dari penyampai bunyi rendah (LNA) sebanyak mungkin, dan singkat, menjaga sirkuit penghantaran RF kuasa tinggi Jauhkan dari sirkuit penghantaran RF kuasa rendah. Anda boleh melakukannya dengan mudah jika and a mempunyai banyak ruang fizik pada PCB anda, tetapi biasanya, dengan banyak komponen dan kurang ruang pada PCB, ini biasanya tidak mungkin. Anda boleh meletakkannya di kedua-dua sisi papan PCB, atau menyuruh mereka bekerja secara alternatif bukannya secara bersamaan. Sirkuit kuasa tinggi mungkin juga kadang-kadang termasuk penimbal RF dan oscilator kawal-tegangan (VCOs). Pastikan sekurang-kurangnya ada satu seluruh tanah di kawasan kuasa tinggi pada PCB tanpa vias. Sudah tentu, semakin banyak tembaga, semakin baik. Kemudian, kita akan membincangkan bagaimana untuk melanggar prinsip desain ini sesuai dengan yang diperlukan, dan bagaimana untuk menghindari masalah yang boleh muncul daripadanya. Chip dan pemisahan bekalan kuasa juga sangat penting, dan beberapa cara untuk melaksanakan prinsip ini akan dibahas nanti. Output RF biasanya perlu disimpan jauh dari input RF, yang akan kita bincangkan secara terperinci kemudian. Isyarat analog sensitif patut disimpan sejauh mungkin dari isyarat digital dan RF kelajuan tinggi.

How to partition?

Sekatan desain boleh dibahagikan ke sekatan fizikal dan elektrik. Sekatan fizik terutama melibatkan isu seperti pemasangan komponen, orientasi, dan perisai; sekatan elektrik boleh terus dibahagikan ke sekatan untuk distribusi kuasa, jejak RF, sirkuit sensitif dan isyarat, dan mendarat. First we discuss the physical partition problem.  Pemasangan komponen adalah kunci untuk melaksanakan reka RF. Sebuah teknik yang berkesan adalah untuk pertama-tama memperbaiki komponen yang ditempatkan pada laluan RF dan menyesuaikan orientasi mereka untuk minimumkan panjang laluan RF, menjaga input jauh dari output, dan pisahkan komponen sejauh mungkin. litar kuasa dan litar kuasa rendah. Kaedah pengumpulan papan yang berkesan adalah mengatur pesawat tanah utama (tanah utama) pada lapisan kedua di bawah lapisan permukaan dan jalankan garis RF pada lapisan permukaan sebanyak yang mungkin. Pengurangan saiz melalui laluan RF tidak hanya mengurangkan induksi laluan tetapi juga mengurangkan kesatuan askar hantu di tanah utama dan mengurangkan peluang tenaga RF bocor ke kawasan lain di dalam tumpukan. Dalam ruang fizikal, litar linear seperti penyampai berbilang tahap biasanya cukup untuk mengisolasi zon RF berbilang satu sama lain, tetapi penyampai, penyampai, dan penyampai/penyampai IF sentiasa mempunyai RF/IF berbilang Isyarat mengganggu satu sama lain, jadi perlu berhati-hati untuk mengurangi kesan ini. Jejak RF dan IF patut diseberangi sebanyak mungkin, dengan ruang tanah diantaranya sebanyak mungkin. Penghalaan RF yang betul sangat penting untuk prestasi seluruh PCB, sebab itulah penempatan komponen sering mengambil masa dalam desain PCB telefon sel. Pada PCB telefon sel, ia sering mungkin untuk meletakkan sirkuit LNA di satu sisi PCB dan penyembah kuasa tinggi di sisi lain, dan akhirnya menyambungkannya ke sisi RF dan pemprosesan band dasar di laman yang sama melalui duplekser pada antena peranti. Beberapa trik diperlukan untuk memastikan bahawa kunci langsung tidak memindahkan tenaga RF dari satu sisi papan ke sisi lain, dan teknik umum adalah untuk menggunakan kunci buta di kedua-dua sisi. Kesan yang menyakitkan dari kunci langsung boleh diminumkan dengan mengatur kunci langsung di kawasan di mana kedua-dua sisi PCB bebas dari gangguan RF.

Kadang-kadang tidak mungkin untuk memastikan pengasingan yang cukup antara blok sirkuit berbilang, dalam kes yang mana perisai logam mesti dianggap sebagai perisai tenaga RF di kawasan RF, tetapi perisai logam juga mempunyai masalah, seperti biaya mereka sendiri dan biaya Assembly sangat mahal; perisai logam dengan bentuk tidak sah sukar untuk memastikan ketepatan tinggi semasa penghasilan dan perisai logam segiempat atau kuasa dua menghapuskan bentangan komponen; perisai logam tidak menyebabkan penggantian komponen dan lokasi ralat; kerana perisai logam mesti ditetapkan ke tanah dan mesti disimpan pada jarak yang sesuai dari komponen, sehingga mengambil ruang papan PCB yang berharga. Ia sangat penting untuk memastikan integriti penutup perisai sebanyak mungkin. Garis isyarat digital yang memasuki penyamaran logam patut pergi ke lapisan dalaman sebanyak yang mungkin, dan papan PCB di bawah lapisan kawat adalah lapisan tanah. Garis isyarat RF boleh keluar dari ruang kecil di bawah perisai logam dan lapisan kabel di ruang tanah, tetapi sebanyak mungkin tanah patut disebarkan disekitar ruang, dan tanah di lapisan berbeza boleh disambung bersama-sama melalui vias berbilang. Walaupun masalah di atas, perisai logam sangat efektif dan sering penyelesaian untuk mengisolasi sirkuit kritik. Selain itu, pemisahan kuasa cip yang tepat dan efektif juga sangat penting. Banyak cip RF dengan garis linear terintegrasi sangat sensitif kepada bunyi bekalan kuasa, biasanya memerlukan sehingga empat kondensator dan induktor izolasi per cip untuk memastikan semua bunyi bekalan kuasa ditapis.

Nilai kondensator biasanya ditentukan oleh frekuensi resonan diri dan induktan lead rendah, dan nilai C4 dipilih sesuai. Nilai C3 dan C2 relatif besar kerana induktan pin mereka sendiri, jadi kesan pemisahan RF kurang, tetapi mereka lebih sesuai untuk penapisan isyarat bunyi frekuensi rendah. Induktor L1 menghalang isyarat RF daripada menyambung ke dalam cip dari garis kuasa. Ingat: semua jejak adalah antena yang berpotensi yang boleh menerima dan menghantar isyarat RF, dan juga diperlukan untuk mengisolasi isyarat RF yang disebabkan dari kawat kritik. Lokasi fizikal komponen pemisahan ini juga sering kritik. The layout principles for these important components are: C4 should be as close as possible to the IC pin and grounded, C3 must be close to C4, C2 must be close to C3, dan IC pin must be close to C4. The connection traces should be as short as possible, Dan terminal tanah komponen ini (terutama C4) biasanya sepatutnya disambung ke pins tanah cip melalui pesawat tanah berikutnya. Via yang menyambung komponen ke lapisan tanah sepatutnya sebanyak mungkin dengan pads komponen pada PCB. Lubang buta pada pads digunakan untuk mengurangkan induktansi garis sambungan, dan induktansi seharusnya dekat dengan C1. Sirkuit atau amplifikator terintegrasi sering mempunyai output drain terbuka, jadi induktor tarik-up diperlukan untuk menyediakan muatan RF impedance tinggi dan sumber DC impedance rendah. Prinsip yang sama berlaku untuk memutuskan bekalan di sisi induktor ini. Beberapa cip memerlukan bekalan kuasa berbilang untuk beroperasi, jadi anda mungkin memerlukan dua atau tiga set kondensator dan induktor untuk memutuskannya secara terpisah, yang boleh menyebabkan beberapa masalah jika tidak ada cukup ruang di sekitar cip. Ingat bahawa induktor jarang dekat dengan selari, kerana ini akan membentuk pengubah inti udara dan mengakibatkan isyarat yang mengganggu, sehingga mereka mesti sekurang-kurangnya sejauh salah satu peranti yang tinggi, atau pada sudut kanan untuk mengurangi induktan mereka berdua tiba.

Prinsip pemisahan elektrik biasanya sama dengan pemisahan fizik, tetapi terdapat beberapa faktor lain terlibat. Bahagian tertentu telefon sel modern berfungsi dengan tenaga yang berbeza dan dikawal oleh perisian untuk memperpanjang kehidupan bateri. Ini bermakna telefon bimbit perlu menjalankan sumber kuasa berbilang, yang mencipta lebih banyak masalah dengan isolasi. Kuasa biasanya didapati pada sambungan dan segera dipasang untuk menapis sebarang bunyi dari luar papan sebelum disebarkan melalui set penyuntik atau pengatur tenaga. Kebanyakan sirkuit dalam telefon bimbit mempunyai aliran DC yang agak kecil, jadi lebar jejak biasanya bukan isu, bagaimanapun, jejak aliran kuasa tinggi terpisah sebanyak mungkin mesti dijalankan untuk bekalan kuasa amplifier kuasa tinggi untuk minimumkan turun tensi transmisi. Untuk menghindari kehilangan semasa terlalu banyak, butang berbilang diperlukan untuk melepasi semasa dari satu lapisan ke lapisan lain. Selain itu, jika penyembah kuasa tinggi tidak cukup terputus pada pin bekalan kuasa, bunyi kuasa tinggi akan radiasi di seluruh papan dan menyebabkan berbagai masalah. Penampilan kuasa tinggi adalah kritikal dan sering memerlukan perisai logam. Dalam kebanyakan kes, ia juga penting untuk memastikan output RF disimpan jauh dari input RF. Ini juga berlaku untuk penambah, penimbal, dan penapis. Dalam kes terburuk, penyembah dan penimbal mempunyai potensi untuk oscillasi diri jika output mereka diberi kembali kepada input mereka dengan fasa dan amplitud yang betul. Bagaimanapun, mereka akan bekerja secara stabil di mana-mana suhu dan keadaan tekanan. Sebenarnya, mereka boleh menjadi tidak stabil dan menambah bunyi dan isyarat intermodulasi kepada isyarat RF.

Jika garis isyarat RF perlu dilloop balik dari input penapis ke output, ini boleh merusak sifat laluan band penapis secara serius. Untuk mendapatkan pengasingan yang baik antara input dan output, pertama, tanah mesti diletakkan disekitar penapis, dan kedua, tanah mesti diletakkan di kawasan bawah penapis dan disambung ke tanah utama disekitar penapis. It is also a good idea to keep the signal lines that need to go through the filter as far away from the filter pins as possible.  Juga, berhati-hati dengan mendarat di mana-mana di papan, atau anda boleh secara tidak diketahui memperkenalkan saluran sambungan yang anda tidak mahu berlaku. Figur 3 detail this grounding approach. Kadang-kadang garis isyarat RF berakhir tunggal atau seimbang boleh dipilih, dan prinsip yang sama mengenai gangguan salib dan EMC/EMI berlaku di sini. Garis isyarat RF yang seimbang boleh mengurangkan bunyi dan gangguan salib jika mereka dijalankan dengan betul, tetapi impedance mereka biasanya tinggi, dan lebar garis yang masuk akal patut disimpan untuk mendapatkan impedance yang sepadan dengan sumber, jejak, dan muatan. Kawalan sebenar mungkin akan menjadi sukar. Penimbal boleh digunakan untuk memperbaiki pengasingan kerana ia boleh membahagi isyarat yang sama kepada dua bahagian dan menggunakannya untuk memandu sirkuit berbeza, terutama jika LO mungkin memerlukan penimbal untuk memandu penimbal berbilang. Apabila pengisap mencapai pengisahan mod umum pada frekuensi RF, ia tidak akan berfungsi dengan betul. Penyembung baik dalam mengisolasi perubahan impedance pada frekuensi yang berbeza sehingga sirkuit tidak mengganggu satu sama lain. Penimbal adalah bantuan yang besar dalam rancangan, ia boleh ditempatkan tepat selepas litar yang perlu dipandu, sehingga jejak output kuasa tinggi sangat pendek, kerana aras isyarat input penimbal adalah relatif rendah, jadi ia tidak mudah dipengaruhi oleh litar lain di papan. sirkuit menyebabkan gangguan. Terdapat juga banyak garis isyarat dan kawalan yang sangat sensitif yang memerlukan perhatian istimewa, tetapi mereka berada di luar skop artikel ini, jadi mereka hanya diberitahu secara singkat di sini dan tidak akan diterangkan secara terperinci.

Ossilator Terkawal Voltage (VCOs) menukar voltaj yang berubah kepada frekuensi yang berubah, ciri yang digunakan untuk menukar saluran kelajuan tinggi, tetapi mereka juga menukar jumlah kecil bunyi pada voltaj kawalan ke perubahan frekuensi kecil, yang memberikan isyarat RF menambah bunyi. Secara umum, selepas ini, anda tidak boleh lagi membuang bunyi dari isyarat output RF. Jadi di mana kesulitan? Pertama, lebar jalur yang diinginkan bagi garis kawalan boleh berlainan dari DC hingga 2MHz, dan penapisan untuk membuang bunyi dalam band lebar ini hampir mustahil; kedua, garis kawalan VCO biasanya sebahagian dari gelung balas balik yang mengawal frekuensi, yang dalam banyak Bunyi boleh diperkenalkan di mana-mana, jadi garis kawalan VCO mesti dikendalikan dengan hati-hati. Pastikan tanah di bawah jejak RF kuat dan semua komponen tersambung dengan kuat ke tanah utama dan terpisah dari jejak lain yang boleh memperkenalkan bunyi. Selain itu, pastikan bekalan kuasa VCO terputus secara adekwat, kerana output RF VCO cenderung berada pada tahap relatif tinggi, isyarat output VCO boleh mudah mengganggu sirkuit lain, jadi perhatian istimewa mesti diberikan kepada VCO. Sebenarnya, VCO sering ditempatkan di hujung kawasan RF, dan kadang-kadang ia memerlukan perisai logam.

Sirkuit resonan (satu untuk penghantar dan yang lain untuk penerima) berkaitan dengan VCO tetapi juga mempunyai ciri-cirinya sendiri. Dengan sederhana, sirkuit resonan adalah sirkuit resonan selari dengan diod kondensatif yang membantu menetapkan frekuensi operasi VCO dan modulasi ucapan atau data ke dalam isyarat RF. Semua prinsip desain VCO berlaku sama untuk sirkuit resonan. Sirkuit resonan sering sangat sensitif kepada bunyi disebabkan bilangan komponen yang besar, distribusi lebar di papan, dan biasanya berfungsi pada frekuensi RF yang sangat tinggi. Isyarat biasanya diatur pada pins sebelah cip, tetapi pins isyarat ini perlu bekerja dengan induktor dan kondensator relatif besar, yang bertukar memerlukan induktor dan kondensator ini ditempatkan dekat bersama-sama dan tersambung kembali ke loop kawalan sensitif bunyi. Ia tidak mudah untuk melakukan ini. Penguasa kawalan gaji automatik (AGC) juga adalah tempat yang susah-susah masalah, dan akan ada penguasa AGC dalam kedua-dua sirkuit penghantaran dan menerima. Penampilkan AGC secara umum berkesan dalam penapisan bunyi, tetapi kemampuan telefon sel untuk mengendalikan perubahan cepat dalam kekuatan isyarat yang dihantar dan diterima memerlukan sirkuit AGC untuk mempunyai lebar band yang cukup luas, yang membuat penyampilkan AGC pada beberapa sirkuit kritik mudah untuk memperkenalkan bunyi. Teknik desain sirkuit analog yang baik mesti diikuti bila merancang garis AGC, dan ini berkaitan dengan pin input op-amp yang sangat pendek dan laluan feedback yang sangat pendek, yang keduanya mesti disimpan jauh dari jejak isyarat digital RF, IF, atau kelajuan tinggi. Juga, pendaratan yang baik adalah penting, dan bekalan kuasa untuk cip mesti terputus dengan baik. If you have to run a long wire at the input or output, it's at the output, which usually has a much lower impedance and is less prone to inductive noise.  Biasanya, semakin tinggi aras isyarat, semakin mudah untuk memperkenalkan bunyi ke dalam sirkuit lain. Dalam semua rancangan PCB, ia adalah prinsip umum untuk menjaga sirkuit digital jauh dari sirkuit analog sebanyak mungkin, dan ia juga berlaku untuk rancangan PCB RF. Tanah analog umum biasanya sama penting seperti tanah yang digunakan untuk melindungi dan memisahkan garis isyarat, masalahnya ialah bahawa ia adalah sangat sedikit yang anda boleh lakukan dalam hal ini tiap-tiap kali tanpa ramalan dan merancang dengan berhati-hati. Perrancangan berhati-hati, penempatan komponen yang bijaksana, dan penilaian penempatan yang teliti adalah sebab itu sangat penting dalam tahap awal desain, kerana perubahan desain tidak sengaja boleh menyebabkan desain hampir selesai perlu dibangun semula. Ini akibat yang serius dari ketidakpedulian bukanlah perkara yang baik untuk pembangunan karir peribadi anda. Juga, jauhkan garis RF dari garis analog dan beberapa isyarat digital yang sangat kritik. Semua jejak RF, pads, dan komponen sepatutnya dipenuhi tembaga tanah sebanyak mungkin dan tersambung ke tanah utama sebanyak mungkin. Papan binaan mikro-via seperti papan breadboard berguna dalam tahap pembangunan sirkuit RF, jika anda memilih papan binaan, anda boleh guna sebanyak yang anda inginkan tanpa sebarang biaya, jika tidak lubang pengeboran dalam PCB normal akan meningkatkan biaya pembangunan, yang meningkatkan biaya bila diproduksi-mass a.

Jika jejak RF mesti melewati garis isyarat, cuba lalui lapisan tanah yang tersambung ke tanah utama sepanjang jejak RF diantaranya. Jika tidak mungkin, pastikan mereka diseberangi secara krisis untuk mengurangi sambungan kapasitif, dan sebanyak mungkin tanah di sekitar setiap jejak RF, dan menyambungkannya ke tanah utama. Juga, mengurangi jarak antara jejak RF selari boleh mengurangi sambungan induktif. Pesawat tanah monolitik kuat ditempatkan langsung di bawah lapisan permukaan, kesan pengasingan, walaupun sedikit berhati-hati rancangan lain juga berfungsi. Saya telah cuba membahagi pesawat tanah menjadi potongan untuk mengisolasi analog, digital, dan garis RF, tetapi saya tidak pernah puas dengan keputusan kerana akan sentiasa ada beberapa garis isyarat kelajuan tinggi melalui kawasan-kawasan terpisah ini, ia bukan perkara yang baik. Pada setiap lapisan Papan PCB, meletakkan sebanyak yang mungkin dan sambungkan mereka ke tanah utama. Letakkan jejak sebanyak mungkin untuk meningkatkan bilangan pads pada lapisan isyarat dalaman dan distribusi kuasa, dan menyesuaikan jejak supaya anda boleh lalui laluan sambungan tanah ke pads terpisah di permukaan. Alatan bebas pada pelbagai lapisan Papan PCB seharusnya dihindari kerana mereka boleh mengambil atau suntik bunyi seperti antena kecil.