Новости PCB - как радиочастотные и Цифровые схемы могут сосуществовать в одном блоке PCB?

How do RF circuits and digital circuits live in harmony on the same PCB?
The single-chip radio frequency device greatly facilitates the application in the field of wireless communication within a certain range. комбинация соответствующих микроконтроллеров и антенн с устройством приемопередатчика позволяет создавать полноприводную связь. Они могут быть интегрированы в небольшой компьютер плата цепи and used in many fields such as wireless digital audio and digital video data transmission systems, радиотелеметрическая система, wireless data acquisition systems, Беспроводная сеть, and wireless security systems.

1 Potential contradictions between digital circuits and analog circuits

If the analog circuit (RF) and the digital circuit (microcontroller) work separately, Они могут хорошо работать, but once the two are placed on the same плата цепи работать с одним и тем же питанием, the entire system is likely to be unstable . This is mainly because the digital signal frequently swings between the ground and the positive power supply (3V in size), и очень короткое время, often in the ns level. из - за больших амплитуд и меньшего времени переключения, Эти цифровые сигналы содержат большое количество высокочастотной составляющей, не связанной с частотой выключения. In the analog part, сигнал, передаваемый из контура настройки антенны в приемную часть беспроводного устройства обычно меньше 1 кв. поэтому, the difference between the digital signal and the radio frequency signal will reach 10-6 (120dB). Obviously, если цифровой сигнал и радиочастотный сигнал не могут хорошо отделиться, слабый радиочастотный сигнал может быть разрушен. In this way, рабочие характеристики беспроводного оборудования ухудшаются, а то и вовсе не работают..

проблемы, типичные для радиочастотных и цифровых схем в одном и том же PCB

Insufficient isolation of sensitive lines and noisy signal lines is a common problem. Как указывалось выше, the digital signal has a high swing and contains a large number of high frequency harmonics. If the digital signal wiring on the PCB board is adjacent to the sensitive analog signal, high-frequency harmonics may be coupled through. 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, опорный кристалл и антенный зажим. These parts of the circuit should be handled with special care.

1) шум питания

Поскольку амплитуда колебания входного / выходного сигнала составляет несколько вольт, Цифровые схемы обычно принимают шум от источника (менее 50 милливольт). аналоговые схемы очень чувствительны к шуму источника, особенно к малому разрывному напряжению и другим высокочастотным гармоникам. Поэтому электропроводки на PCB, содержащие RF (или другие аналоговые) схемы, должны быть более осторожными, чем электропроводки на обычных цифровых схемах, и следует избегать автоматической проводки. В то же время следует отметить, что микроконтроллер (или другие Цифровые схемы) будет неожиданно потреблять большую часть тока в течение короткого периода времени в течение каждого внутреннего периода времени. Это потому, что современные Микроконтроллеры разработаны с помощью технологии CMOS. Таким образом, предположим, что микроконтроллер работает на внутренней частоте часов 1мгц, и он будет извлекать (импульсный) ток из источника на этой частоте. если не будет налажена надлежащая электросвязь, это неизбежно приведет к отключению напряжения на линии электропитания. Если эти ампулы напряжения достигают пятен питания части схемы RF, то в серьезных случаях они могут привести к сбоям в работе. Поэтому необходимо обеспечить, чтобы аналоговые линии электропитания были отделены от цифровых схем.

2) неразумность заземления

плата радиочастотных схем должна всегда иметь соединительный пласт с отрицательным полюсом питания. В случае неправильного обращения могут возникнуть некоторые странные явления. Для конструктора цифровых схем это может быть трудно понять, поскольку большинство цифровых схем функционируют хорошо, не соприкасаясь с пластом. в радиочастотном диапазоне даже короткий провод может играть роль индуктора. грубо подсчитано, что индуктивность на миллиметр длины составляет около 1nH, 10mmPCB цепи под 434MHz около 27 отключений. если не использовать горизонт, то большинство линий будут более длинными, и схемы не смогут гарантировать конструкционные характеристики.

3) излучение антенны на другие аналоговые компоненты

это часто игнорируется в схемах, включающих радиочастоты и другие компоненты. Помимо радиочастотной части, на платы обычно имеются и другие аналоговые схемы. например, многие Микроконтроллеры встроены в модульные преобразователи (ADC) для измерения аналоговых входных и батарейных напряжений или других параметров. если антенна радиочастотного передатчика расположена вблизи PCB (или на PCB), то высокочастотный сигнал может доходить до аналогового входа ADC. не забывайте, что любая цепь может излучать или принимать радиочастотные сигналы, как антенны. В случае неправильной обработки входного терминала ADC радиочастотный сигнал может быть самовозбуждён в диодах ESD, ввезенных ADC, что приводит к отклонению ADC.

3 решения для радиочастотных и цифровых схем на одной и той же PCB

Ниже представлены некоторые общие правила проектирования и монтажа радиочастотных приложений. Однако, it is more important to follow the routing recommendations for RF devices in actual applications.

1) надежные наземные самолеты

при проектировании PCB с радиочастотными элементами, a reliable ground plane should always be used. Его цель заключается в том, чтобы создать в цепи эффективную точку потенциала 0V, так что все устройства могут легко развязать. зажим 0V питания должен быть соединен непосредственно с этим пластом. Due to the low impedance of the ground plane, связь между развязанными двумя узлами не будет. It is very important that the amplitude of multiple signals on the board may differ by 120dB. установить PCB на поверхности, all signal wiring is on the same side of the component mounting surface, С другой стороны. The ideal ground plane should cover the entire PCB (except below the antenna PCB). если используется двухслойный PCB, the ground layer should be placed on the layer adjacent to the signal layer (such as the layer below the component surface). другой хороший способ заполнить лакуну в сигнальном слое слоем из соединительной пласта. These ground planes must be connected to the main ground plane through multiple vias. Следует отметить, что наличие места приземления может привести к изменению характеристик индуктивности вблизи, so the selection of the inductance value and the placement of the inductance must be carefully considered.

2) сокращение дистанции от плоскости земли

все связи с землёй должны быть как можно короче, and the ground vias should be placed (or very close to) the component pads. Never let two ground signals share a ground via. из - за сопротивлений с проходным отверстием это может привести к последовательному возмущению между двумя паяльными тарелками.

3) радиочастотная развязка

конденсатор развязки должен быть как можно ближе к лампе и должен быть развязан с помощью конденсатора на каждой ноге трубки, требующей развязки. использование высококачественных керамических конденсаторов, лучший тип диэлектрика - "NPO". "X7R" также относится к большинству приложений. идеальный выбор емкости должен сделать последовательный резонанс равнозначным частоте сигнала. например, при 434 МГц конденсатор SMD 100pf может нормально работать. на этой частоте емкостное сопротивление конденсатора составляет около 4 отключений, а индуктивное сопротивление проходного отверстия находится в том же диапазоне. последовательные конденсаторы и сквозные отверстия образуют фильтр волны сигнала, который позволяет эффективно разрывать связь. при 868 МГц конденсатор 33pf был выбран идеально. В дополнение к маломасштабным конденсаторам, используемым для радиочастотной развязки, на линии электропитания должен быть установлен конденсатор большой мощности для развязки низких частот. Вы можете выбрать 2. 2. 2. X керамику или 10. 0. 0xg танталовые конденсаторы.

(4) звездообразное соединение питания

Star wiring is a well-known technique in analog circuit design (as shown in Figure 1). каждый модуль в системе звездных соединений плата цепи has its own power supply line from the common power supply point. В таком случае, star wiring means that the digital part and RF part of the circuit should have their own power lines, Эти линии электропитания должны быть отделены от IC. Это эффективный способ отделить шум источника от цифровой и радиочастотной частей. если на одной машине установлен модуль с высоким шумом плата цепи, an inductor (magnetic bead) or a small resistance resistor (10Ω) can be connected in series between the power line and the module, Эти модули должны быть подключены к питанию с использованием по крайней мере 10 - ти мегабайт танталовых конденсаторов. Эти модули - RS 232 драйвер или регулятор питания.

(5) Arrange схема PCB reasonably

In order to reduce the interference from the noise module and the surrounding analog parts, компоновка каждого модуля схемы на платы имеет важное значение. Always keep sensitive modules (RF part and antenna) away from noise modules (microcontrollers and RS 232 drivers) to avoid interference.

6) влияние экранированных радиочастотных сигналов на другие аналоговые компоненты

Как указывалось выше, RF signals will cause interference to other sensitive analog circuit modules such as ADCs when they are sent. Most of the problems occur in lower operating frequency bands (such as 27MHz) and high power output levels. It is a good design practice to connect an RF decoupling capacitor (100pF) to ground to decouple sensitive points.

7) особое внимание к рамкам на колесах

The antenna can be integrated on the PCB. Compared with the traditional whip antenna, Это не только экономит пространство и производственные затраты, but is also more stable and reliable in mechanism. по обычаю, loop antenna design is applied to a relatively narrow bandwidth, Это помогает подавлять ненужные сильные сигналы, чтобы не мешать приемнику. It should be noted that loop antennas (just like all other antennas) may receive noise capacitively coupled by nearby noise signal lines. Это может повлиять на частоту приемника, а также может повлиять на модуляцию передатчика. Therefore, не разрешается прокладка цифровой линии сигнала вблизи антенны, and it is recommended to keep free space around the antenna. любой объект, находящийся рядом с антенной, станет частью сети настройки, which will cause the antenna tuning to deviate from the expected frequency point and reduce the transmission and reception radiation range (distance). применить ко всем типам антенн, attention must be paid to the fact that the shell (outer packaging) of the плата цепи may also affect the antenna tuning. одновременно, care should be taken to remove the ground plane at the antenna area, Иначе антенна не сможет работать.
(8) Connection of плата цепи
радиочастотное соединение при помощи кабеля плата цепи соединение с внешним цифровым контуром, a twisted pair cable should be used. Each signal wire must be twisted with the GND wire (DIN/GND, DOUT/GND, CS/GND, PWR _ UP/GND). Remember to connect the RF плата цепи & цифровые приложения плата цепи with the GND wire of a twisted-pair cable, длина кабеля должна быть как можно короче. The circuit that supplies power to the RF плата цепи must also be twisted with GND (VDD/GND).