Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Leiterplattentipps zur Reduzierung der Signalkupplung während des HF-Designs
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Leiterplattentipps zur Reduzierung der Signalkupplung während des HF-Designs

2022-07-18
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Author:pcb

Radio frequency (RF) Leiterplatte Design wird aufgrund seiner theoretischen Unsicherheit oft als "schwarze Kunst" beschrieben, aber diese Ansicht ist nur teilweise wahr, und es gibt viele Richtlinien für HF-Leiterplattendesign, die befolgt werden können und sollten und nicht vernachlässigt werden Regel. Allerdings, wenn es um das eigentliche Design geht, Der eigentliche Trick besteht darin, diese Richtlinien und Gesetze zu kompromittieren, wenn sie aufgrund verschiedener Designbeschränkungen nicht korrekt umgesetzt werden können.. Natürlich, Es gibt viele wichtige HF-Designthemen, die es zu diskutieren gilt, einschließlich Impedanz- und Impedanzanpassung, Dämmstoffe und Laminate, und Wellenlängen und stehende Wellen, Aber dieser Artikel wird sich auf verschiedene Probleme im Zusammenhang mit RF-Board-Partitionsdesign konzentrieren. Die heutigen Handy-Designs integrieren alles auf verschiedene Arten, was schlecht für RF Board Design ist. Die Industrie ist heute sehr wettbewerbsfähig, Und jeder sucht nach Möglichkeiten, mehrere Funktionen mit der Größe und den Kosten zu integrieren. Analog, digital, HF- und HF-Schaltkreise sind alle dicht gepackt mit sehr wenig Platz, um ihre jeweiligen Problembereiche zu trennen, und die Anzahl der Schichten wird oft aus Kostengründen reduziert. Es ist erstaunlich, dass ein Mehrzweckchip mehrere Funktionen auf einer sehr kleinen Matrize integrieren kann, und die Stifte zur Verbindung mit der Außenwelt sind so eng aneinander angeordnet, dass die HF, WENN, analog, und digitale Signale sind sehr nah beieinander, Aber sie sind in der Regel elektrisch irrelevant. Energieverteilung kann ein Albtraum für Designer sein, mit verschiedenen Teilen des Schaltkreises, die je nach Bedarf zeitlich geteilt werden, mit softwaregesteuertem Schalten zur Erhaltung der Akkulaufzeit. Dies bedeutet, dass Sie möglicherweise 5 oder 6 funktionierende Stromquellen für Ihr Mobiltelefon benötigen.

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RF Layout Konzept

Bei der Gestaltung eines HF-Layouts müssen mehrere allgemeine Prinzipien priorisiert werden: Isolieren Sie den Hochleistungs-HF-Verstärker (HPA) so weit wie möglich vom rauscharmen Verstärker (LNA) und kurz gesagt, halten Sie die Hochleistungs-HF-Sendeschaltung fern von HF-Empfangsschaltungen mit geringer Leistung. Sie können dies leicht tun, wenn Sie viel physischen Platz auf Ihrer Leiterplatte haben, aber normalerweise ist dies mit vielen Komponenten und weniger Platz auf der Leiterplatte normalerweise nicht möglich. Sie können sie auf beiden Seiten der Leiterplatte platzieren oder sie abwechselnd anstatt gleichzeitig arbeiten lassen. Hochleistungsschaltungen können manchmal auch HF-Puffer und spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs) enthalten. Stellen Sie sicher, dass sich mindestens eine ganze Masse im Hochleistungsbereich auf der Leiterplatte ohne Durchkontaktierungen befindet. Je mehr Kupfer, desto besser. Später werden wir diskutieren, wie man dieses Designprinzip bei Bedarf bricht und wie man die Probleme vermeiden kann, die daraus entstehen können. Auch die Chip- und Stromversorgungsentkopplung ist äußerst wichtig, und mehrere Möglichkeiten zur Umsetzung dieses Prinzips werden später diskutiert. Der HF-Ausgang muss normalerweise vom HF-Eingang ferngehalten werden, was wir später im Detail besprechen werden. Empfindliche analoge Signale sollten so weit wie möglich von digitalen Hochgeschwindigkeits- und HF-Signalen ferngehalten werden.


Wie partitionieren?

Entwurfsabteilungen können in physische und elektrische Fächer zerlegt werden. Physische Trennwände betreffen hauptsächlich Probleme wie Bauteilplatzierung, Orientierung und Abschirmung; Elektrische Fächer können weiterhin in Fächer für Stromverteilung, HF-Leiterbahnen, empfindliche Schaltungen und Signale und Erdung zerlegt werden. Zuerst diskutieren wir das Problem der physischen Partition. Die Bauteilplatzierung ist der Schlüssel zur Implementierung eines HF-Designs. Eine effektive Technik besteht darin, zuerst die Komponenten auf dem HF-Pfad zu fixieren und ihre Ausrichtung anzupassen, um die Länge des HF-Pfades zu minimieren, den Eingang vom Ausgang fernzuhalten und die Komponenten so weit wie möglich zu trennen. Stromkreise und Stromkreise mit geringer Leistung. Eine effektive Stapelmethode besteht darin, die Hauptgrundebene (Hauptgrund) auf der zweiten Schicht unterhalb der Oberflächenschicht anzuordnen und die HF-Linien so weit wie möglich auf der Oberflächenschicht zu laufen. Die Verringerung der Durchgangsgröße auf dem HF-Pfad reduziert nicht nur die Pfadinduktivität, sondern reduziert auch Geisterlöteverbindungen auf der Haupterde und reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass HF-Energie in andere Bereiche innerhalb des Stapels ausläuft. Im physikalischen Raum reichen lineare Schaltungen wie mehrstufige Verstärker normalerweise aus, um mehrere HF-Zonen voneinander zu isolieren, aber Duplexer, Mischer und IF-Verstärker/Mischer haben immer mehrere HF/IF-Signale Die Signale stören sich gegenseitig, daher muss darauf geachtet werden, diesen Effekt zu minimieren. Die HF- und IF-Spuren sollten so weit wie möglich gekreuzt werden, mit einem möglichst großen Bodenraum dazwischen. Das richtige HF-Routing ist sehr wichtig für die Leistung der gesamten Leiterplatte, weshalb die Bauteilplatzierung oft die meiste Zeit in Anspruch nimmt. Auf einer Mobiltelefon-Leiterplatte ist es oft möglich, die LNA-Schaltung auf einer Seite der Leiterplatte und den Hochleistungsverstärker auf der anderen Seite zu platzieren und sie schließlich über einen Duplexer auf der Antenne des Geräts mit der HF-Seite und der Basisbandverarbeitung an derselben Stelle zu verbinden. Einige Tricks sind erforderlich, um sicherzustellen, dass Straight-Through-Vias keine HF-Energie von einer Seite der Platine auf die andere übertragen, und eine gängige Technik ist, blinde Vias auf beiden Seiten zu verwenden. Die schädlichen Auswirkungen von Straight-Through-Vias können minimiert werden, indem die Straight-Through-Vias in Bereichen angeordnet werden, in denen beide Seiten der Leiterplatte frei von HF-Interferenzen sind.


Manchmal ist es nicht möglich, eine ausreichende Isolierung zwischen mehreren Schaltungsblöcken sicherzustellen, in diesem Fall müssen Metallschirme in Betracht gezogen werden, um HF-Energie im HF-Bereich abzuschirmen, aber Metallschirme haben auch Probleme, wie ihre eigenen Kosten und Montagekosten sind sehr teuer; Metallschilde mit unregelmäßigen Formen sind schwierig, hohe Präzision während der Herstellung sicherzustellen, und rechteckige oder quadratische Metallschilde begrenzen das Layout der Bauteile; Metallschirme sind nicht förderlich für den Austausch von Bauteilen und Fehlerlokalisierung; Das Metallschild muss mit dem Boden gelötet und in einem angemessenen Abstand zu den Komponenten gehalten werden, wodurch wertvoller Platz auf der Leiterplatte beansprucht wird. Es ist sehr wichtig, die Integrität der Abschirmabdeckung so weit wie möglich zu gewährleisten. Die digitalen Signalleitungen, die in die Metallabschirmung eindringen, sollten so weit wie möglich in die innere Schicht gehen, und die Leiterplatte unterhalb der Verdrahtungsschicht ist die Masseschicht. Die HF-Signalleitung kann aus dem kleinen Spalt an der Unterseite des Metallschildes und der Verdrahtungsschicht am Erdspalt ausgehen, aber so viel Masse wie möglich sollte um den Spalt verteilt werden, und die Masse auf verschiedenen Schichten kann durch mehrere Durchgänge miteinander verbunden werden. Trotz der oben genannten Probleme sind Metallschirme sehr effektiv und oft die Lösung zur Isolierung kritischer Schaltkreise. Darüber hinaus ist eine ordnungsgemäße und effektive Entkopplung der Chip-Stromversorgung ebenfalls sehr wichtig. Viele HF-Chips mit integrierten linearen Leitungen reagieren sehr empfindlich auf Stromversorgungsgeräusche. In der Regel benötigen sie bis zu vier Kondensatoren und einen Isolationsinduktor pro Chip, um sicherzustellen, dass alle Stromversorgungsgeräusche gefiltert werden.


Der Wert des Kondensators wird normalerweise durch seine Eigenresonanzfrequenz und geringe Bleiinduktivität bestimmt, und der Wert von C4 wird entsprechend gewählt. Die Werte von C3 und C2 sind aufgrund ihrer eigenen Pin-Induktivität relativ groß, so dass der HF-Entkopplungseffekt geringer ist, aber sie sind besser geeignet, niederfrequente Rauschsignale zu filtern. Induktor L1 verhindert, dass HF-Signale von den Stromleitungen in den Chip einkoppeln. Denken Sie daran: Alle Leiterbahnen sind eine potenzielle Antenne, die HF-Signale empfangen und übertragen kann, und es ist auch notwendig, induzierte HF-Signale von kritischen Verdrahtungen zu isolieren. Auch die physische Lage dieser Entkopplungskomponenten ist oft entscheidend. Die Layoutprinzipien für diese wichtigen Komponenten sind: C4 sollte so nah wie möglich am IC-Pin und geerdet sein, C3 muss nah an C4 sein, C2 muss nahe an C3 und der IC-Pin muss nahe an C4 sein. Die Verbindungsspuren sollten so kurz wie möglich sein, und die Masseverbindungen dieser Komponenten (insbesondere C4) sollten normalerweise mit den Masseverbindungen des Chips durch die nächste Masseebene verbunden werden. Die Durchkontaktierungen, die die Komponenten mit der Masseschicht verbinden, sollten so nah wie möglich an den Bauteilpads auf der Leiterplatte sein. Blindlöcher auf den Pads werden verwendet, um die Induktivität der Verbindungsleitung zu verringern, und die Induktivität sollte nahe an C1 liegen. Ein integrierter Schaltkreis oder Verstärker hat oft einen Open-Drain-Ausgang, so dass ein Pull-Up-Induktor benötigt wird, um eine hochohmige HF-Last und eine niederohmige DC-Quelle bereitzustellen. Das gleiche Prinzip gilt für die Entkopplung der Versorgung auf dieser Induktorseite. Einige Chips benötigen zum Betrieb mehrere Netzteile, so dass Sie möglicherweise zwei oder drei Sätze von Kondensatoren und Induktoren benötigen, um sie getrennt zu entkoppeln, was einige Probleme verursachen kann, wenn nicht genug Platz um den Chip herum ist. Denken Sie daran, dass Induktivitäten selten parallel nebeneinander liegen, da dies einen Luftkerntransformator bildet und Störsignale induziert. Daher müssen sie mindestens so weit voneinander entfernt sein, wie eines der Geräte hoch ist, oder im rechten Winkel, um ihre gegenseitige Induktivität zu verringern.


Die Prinzipien der elektrischen Aufteilung sind im Allgemeinen die gleichen wie die physikalische Aufteilung, aber es gibt ein paar andere Faktoren beteiligt. Bestimmte Teile moderner Mobiltelefone arbeiten mit unterschiedlichen Spannungen und werden von Software gesteuert, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Dies bedeutet, dass Mobiltelefone mehrere Stromquellen betreiben müssen, was zu mehr Problemen mit der Isolierung führt. Die Stromversorgung erfolgt normalerweise am Stecker und wird sofort entkoppelt, um Geräusche von außerhalb der Platine herauszufiltern, bevor sie über einen Satz Schalter oder Spannungsregler verteilt wird. Die meisten Schaltungen in Mobiltelefonen haben relativ kleine Gleichstromströme, so dass die Leiterbahnbreite normalerweise kein Problem ist, jedoch muss eine separate Hochstromleitung so weit wie möglich für die Stromversorgung des Hochleistungsverstärkers laufen, um den Übertragungsspannungsabfall zu minimieren. Um zu hohe Stromverluste zu vermeiden, werden mehrere Durchgänge benötigt, um Strom von einer Schicht zur anderen zu leiten. Wenn der Hochleistungsverstärker an seinen Stromversorgungsstiften nicht ausreichend entkoppelt ist, wird ein hohes Leistungsrauschen über die Platine ausstrahlen und verschiedene Probleme verursachen. Die Erdung von Hochleistungsverstärkern ist kritisch und erfordert oft eine Metallabschirmung. In den meisten Fällen ist es auch wichtig sicherzustellen, dass der HF-Ausgang vom HF-Eingang ferngehalten wird. Dies gilt auch für Verstärker, Puffer und Filter. Im schlimmsten Fall haben Verstärker und Puffer das Potential, sich selbst zu oszillieren, wenn ihre Ausgänge mit der richtigen Phase und Amplitude an ihre Eingänge zurückgegeben werden. In jedem Fall arbeiten sie stabil unter allen Temperatur- und Spannungsbedingungen. Tatsächlich können sie instabil werden und Rauschen und Intermodulationssignale zum HF-Signal hinzufügen.


Wenn die HF-Signalleitungen vom Eingang des Filters zum Ausgang zurückgeschleift werden müssen, kann dies die Bandpass-Eigenschaften des Filters ernsthaft beschädigen. Um eine gute Trennung zwischen Eingang und Ausgang zu erhalten, muss erstens eine Masse um den Filter gelegt werden, und zweitens sollte die Masse im unteren Bereich des Filters platziert und mit der Haupterde um den Filter herum verbunden werden. Es ist auch eine gute Idee, die Signalleitungen, die durch den Filter gehen müssen, so weit wie möglich von den Filterpins entfernt zu halten. Sei auch sehr vorsichtig damit, überall auf dem Board geerdet zu werden, oder du könntest unwissentlich einen Kopplungskanal einführen, der nicht passieren soll. Abbildung 3 erläutert diesen Erdungsansatz. Manchmal können einseitige oder symmetrische HF-Signalleitungen gewählt werden, wobei hier die gleichen Prinzipien bezüglich Querstörung und EMV/EMI gelten. Ausgewogene HF-Signalleitungen können Rauschen und Querstörungen reduzieren, wenn sie richtig geroutet werden, aber ihre Impedanz ist normalerweise hoch, und eine angemessene Leitungsbreite sollte beibehalten werden, um eine Impedanz zu erhalten, die der Quelle, der Spur und der Last entspricht. Die tatsächliche Verkabelung kann schwierig sein. Ein Puffer kann verwendet werden, um die Isolation zu verbessern, da er dasselbe Signal in zwei Teile aufteilen und es verwenden kann, um verschiedene Schaltungen anzusteuern, insbesondere wenn der LO einen Puffer benötigt, um mehrere Mischer anzutreiben. Wenn der Mischer die Gleichtaktisolation bei HF-Frequenzen erreicht, funktioniert er nicht richtig. Puffer sind gut darin, Impedanzänderungen bei verschiedenen Frequenzen zu isolieren, so dass Schaltungen sich nicht gegenseitig stören. Puffer sind eine große Hilfe bei der Konstruktion, sie können direkt nach der Schaltung platziert werden, die angetrieben werden muss, so dass die High-Power-Ausgangsspuren sehr kurz sind, weil der Eingangssignalpegel des Puffers relativ niedrig ist, so dass sie nicht einfach von anderen Schaltungen auf der Platine beeinflusst werden können. Schaltung, die Störungen verursacht. Es gibt auch viele sehr empfindliche Signal- und Steuerleitungen, die besondere Aufmerksamkeit erfordern, aber sie gehen über den Rahmen dieses Artikels hinaus, so dass sie hier nur kurz diskutiert werden und nicht im Detail beschrieben werden.


Spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs) wandeln wechselnde Spannungen in wechselnde Frequenzen um, eine Funktion, die für Hochgeschwindigkeitskanäle verwendet wird, aber sie wandeln auch kleine Mengen an Rauschen auf der Steuerspannung in kleine Frequenzänderungen um, die HF-Signale zusätzliche Rauschen verleihen. Im Allgemeinen können Sie danach kein Rauschen mehr vom HF-Ausgangssignal entfernen. Wo liegt also die Schwierigkeit? Erstens kann die gewünschte Bandbreite der Steuerleitung von DC bis 2MHz reichen, und Filtern, um Rauschen in einem solchen breiten Band zu entfernen, ist fast unmöglich; Zweitens ist die VCO-Steuerleitung normalerweise Teil einer Rückkopplungsschleife, die die Frequenz steuert, die in vielen Fällen überall eingeführt werden kann, so dass die VCO-Steuerleitungen mit großer Sorgfalt behandelt werden müssen. Stellen Sie sicher, dass die Masse unter den HF-Leiterbahnen fest ist und dass alle Komponenten fest mit der Hauptmasse verbunden und von anderen Leiterbahnen isoliert sind, die Rauschen verursachen können. Stellen Sie außerdem sicher, dass die Stromversorgung des VCOs angemessen entkoppelt ist, da der HF-Ausgang des VCOs tendenziell auf einem relativ hohen Niveau ist, kann das VCO-Ausgangssignal leicht mit anderen Schaltungen interferieren, so dass dem VCO besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden muss. Tatsächlich wird der VCO oft am Ende des HF-Bereichs platziert, und manchmal erfordert er eine Metallabschirmung.


Der Resonanzkreis (einer für den Sender und der andere für den Empfänger) ist mit dem VCO verbunden, hat aber auch seine eigenen Eigenschaften. Einfach ausgedrückt, ist eine Resonanzschaltung eine parallele Resonanzschaltung mit einer kapazitiven Diode, die hilft, die VCO-Betriebsfrequenz einzustellen und Sprache oder Daten auf ein HF-Signal zu modulieren. Alle VCO-Designprinzipien gelten gleichermaßen für Resonanzschaltungen. Resonanzschaltungen sind aufgrund ihrer beträchtlichen Anzahl an Komponenten, ihrer breiten Verteilung auf der Platine und typischerweise mit einer sehr hohen HF-Frequenz sehr empfindlich gegenüber Rauschen. Signale sind in der Regel auf benachbarten Pins des Chips angeordnet, aber diese Signalpins müssen mit relativ großen Induktoren und Kondensatoren arbeiten, was wiederum erfordert, dass diese Induktoren und Kondensatoren nah beieinander angeordnet und wieder mit einer rauschempfindlichen Regelschleife verbunden sind. Das ist nicht einfach. Der Verstärker der automatischen Verstärkungsregelung (AGC) ist ebenfalls ein problemanfälliger Ort, und es wird einen AGC-Verstärker sowohl in den Sende- als auch Empfangsschaltungen geben. AGC-Verstärker sind im Allgemeinen effektiv, um das Rauschen herauszufiltern, aber die Fähigkeit von Mobiltelefonen, schnelle Änderungen der gesendeten und empfangenen Signalstärke zu bewältigen, erfordert, dass die AGC-Schaltung eine ziemlich breite Bandbreite hat, was AGC-Verstärker auf einigen kritischen Schaltungen leicht macht, Rauschen einzuführen. Gute analoge Schaltungstechniken müssen beim Entwurf von AGC-Leitungen befolgt werden, und dies hat mit sehr kurzen Op-Amp-Eingangspins und sehr kurzen Rückkopplungspfaden zu tun, die beide von HF-, IF- oder Hochgeschwindigkeits-digitalen Signalspuren ferngehalten werden müssen. Auch eine gute Erdung ist unerlässlich, und die Stromversorgung zum Chip muss gut entkoppelt sein. Wenn Sie einen langen Draht am Eingang oder Ausgang führen müssen, ist es am Ausgang, der normalerweise eine viel niedrigere Impedanz hat und weniger anfällig für induktive Rauschen ist. Je höher der Signalpegel ist, desto einfacher ist es, Rauschen in andere Schaltkreise einzuführen. Bei allen Leiterplattendesigns ist es ein allgemeines Prinzip, digitale Schaltungen so weit wie möglich von analogen Schaltungen fernzuhalten, und es gilt auch für HF-Leiterplattendesign. Die gemeinsame analoge Masse ist in der Regel genauso wichtig wie die Masse, die verwendet wird, um die Signalleitungen abzuschirmen und zu trennen, das Problem ist, dass es sehr wenig ist, dass Sie in dieser Hinsicht jedes Mal ohne Voraussicht und sorgfältige Planung tun können. Sorgfältige Planung, durchdachte Bauteilplatzierung und gründliche Platzierungsbewertung sind daher in den frühen Stadien des Entwurfs sehr wichtig, da unbeabsichtigte Konstruktionsänderungen dazu führen können, dass ein fertiges Design umgebaut werden muss. Diese schwerwiegende Folge von Fahrlässigkeit ist ohnehin keine gute Sache für Ihre persönliche Karriereentwicklung. Halten Sie die HF-Leitungen auch von analogen Leitungen und einigen sehr kritischen digitalen Signalen fern. Alle HF-Leiterbahnen, Pads und Komponenten sollten so weit wie möglich mit Erdkupfer gefüllt und mit der Hauptmasse verbunden werden. Micro-Via-Bauplatinen wie Breadboards sind in der HF-Schaltungsentwicklung nützlich. Wenn Sie Bauplatinen wählen, können Sie beliebig viele Durchgänge ohne Kosten verwenden, andernfalls erhöht das Bohren von Löchern in einer normalen Leiterplatte die Entwicklungskosten, was die Kosten bei Massenproduktion erhöht.


Wenn die HF-Spuren durch die Signalleitungen gehen müssen, Versuchen Sie, eine Erdschicht, die mit der Haupterde verbunden ist, entlang der HF-Spuren zwischen ihnen zu routen. Wenn nicht möglich, Stellen Sie sicher, dass sie gekreuzt sind, um die kapazitive Kopplung zu minimieren, und so viel Masse wie möglich um jede HF-Spur, und verbinden Sie sie mit dem Hauptgrund. Auch, Verringerung des Abstandes zwischen parallelen HF-Leiterbahnen kann induktive Kopplung reduzieren. Eine feste monolithische Bodenfläche direkt unter der Oberflächenschicht platziert, der Isolationseffekt, Obwohl ein wenig sorgfältiges Design andere Praktiken auch funktionieren. Ich habe versucht, die Masseebene in Stücke zu teilen, um das Analoge zu isolieren., digital, und HF-Leitungen, Aber ich war nie mit den Ergebnissen zufrieden, weil es immer einige Hochgeschwindigkeits-Signalleitungen durch diese getrennten Gelände geben wird, Es ist kein Teil einer guten Sache. Auf jeder Schicht der Leiterplatte, Legen Sie so viele Böden wie möglich und verbinden Sie sie mit der Haupterde. Platzieren Sie die Leiterbahnen so nah wie möglich zusammen, um die Anzahl der Pads auf den internen Signal- und Stromverteilungsschichten zu erhöhen, und justieren Sie die Leiterbahnen so, dass Sie Masseverbindungen zu isolierten Pads auf der Oberfläche routen können. Freie Böden auf verschiedenen Schichten der Leiterplatte sollten vermieden werden, da sie Geräusche wie eine kleine Antenne aufnehmen oder injizieren können.