Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
Die zuverlässigste PCB- und PCBA-Servicefabrik.
The circuit Leiterplatte layout of radio frequency (RF) circuits should be carried out on the basis of understanding the basic principles of circuit board structure, Verdrahtung und Erdung der Stromversorgung. In diesem Artikel werden die relevanten Grundprinzipien diskutiert, und bietet einige praktische, bewährte Stromverdrahtung, Power Bypass- und Erdungstechniken, die Leistungsindikatoren des HF-Designs effektiv verbessern können. Wenn man bedenkt, dass das PLL-Falschsignal im eigentlichen Design sehr empfindlich auf die Leistungskupplung reagiert, Erdung und Position des Filterelements, Dieser Artikel konzentriert sich auf die Methode zur Unterdrückung des PLL-Falschsignals. Zur Veranschaulichung des Problems, Dieser Artikel verwendet die Leiterplattenlayout des MAX2827 802.11a/g Transceiver als Referenzdesign.
Abbildung 1: Vcc Verdrahtung in Sterntopologie
Wann Entwurf einer HF-Schaltung, Das Design der Stromversorgungsschaltung und das Layout der Leiterplatte werden oft verlassen, nachdem das Design des Hochfrequenz-Signalweges abgeschlossen ist. Für Designs, die nicht sorgfältig geprüft wurden, Die Netzspannung um den Stromkreis ist anfällig für fehlerhafte Ausgabe und Rauschen, was die Leistung des HF-Schaltkreises weiter beeinflusst. Angemessene Verteilung von PCB Ebenen, die Verwendung der Sterntopologie Vcc leads, und das Hinzufügen von geeigneten Entkopplungskondensatoren zum Vcc-Pin wird helfen, die Leistung des Systems zu verbessern und die besten Indikatoren zu erhalten.
Grundprinzipien der Stromverdrahtung und des Bypass
Die Weisen PCB Schichtzuordnung ist bequem, um die anschließende Verdrahtungsverarbeitung zu vereinfachen. Für eine vierschichtige PCB ((eine übliche Leiterplatte im WLAN)), in den meisten Anwendungen, Die oberste Schicht der Leiterplatte wird verwendet, um Komponenten und HF-Leitungen zu platzieren, und die zweite Schicht wird als System verwendet Boden, das Kraftteil wird auf die dritte Schicht gelegt, und beliebige Signalleitungen können auf der vierten Schicht verteilt werden. Das kontinuierliche Grundlagenlayout der zweiten Schicht ist notwendig, um einen HF-Signalweg mit kontrollierter Impedanz zu etablieren. Es ermöglicht auch die kürzeste mögliche Masseschleife, und bietet einen hohen Grad an elektrischer Isolation für die erste und dritte Schicht, Die Kopplung zwischen den beiden Schichten ist minimal. Natürlich, other board layer definition methods can also be used (especially when the circuit board has a different number of layers), aber die obige Struktur ist ein bewährtes erfolgreiches Beispiel.
Abbildung 2: Kondensatorimpedanzänderungen bei verschiedenen Frequenzen
Ein großer Bereich der Leistungsschicht kann die Vcc-Verdrahtung erleichtern, aber diese Struktur ist oft eine Sicherung, die zu einer Verschlechterung der Systemleistung führt. Das Verbinden aller Stromleitungen auf einer größeren Ebene verhindert zwangsläufig, dass der Stift zwischen den Stiften liegt. Geräuschübertragung. Wenn dagegen eine Sterntopologie verwendet wird, wird die Kopplung zwischen verschiedenen Netzteilpins reduziert. Abbildung 1 zeigt das Vcc-Verdrahtungsschema für die Sternverbindung, das von der Auswerteplatine für den MAX2826 IEEE 802.11a/g Transceiver entnommen wurde. In der Abbildung wird ein Haupt-Vcc-Knoten etabliert, aus dem Stromleitungen verschiedener Zweige gezogen werden, um die Power-Pins des RF-IC mit Strom zu versorgen. Jeder Stromversorgungsstift verwendet eine unabhängige Leitung, um eine räumliche Trennung zwischen den Stiften bereitzustellen, was vorteilhaft ist, um die Kopplung zwischen ihnen zu reduzieren. Darüber hinaus hat jede Leitung auch eine bestimmte parasitäre Induktivität, die genau das ist, was wir wollen, und es hilft, hochfrequente Rauschen an der Stromleitung herauszufiltern.
Bei Verwendung der Sterntopologie Vcc-Leitung ist es auch notwendig, eine angemessene Leistungsentkopplung zu nehmen, und der Entkopplungskondensator hat eine bestimmte parasitäre Induktivität. Tatsächlich entspricht der Kondensator einer seriell angeschlossenen RLC-Schaltung. Der Kondensator spielt eine führende Rolle im Niederfrequenzband, aber bei der selbsterregten Schwingungsfrequenz (SRF):
Danach erscheint die Impedanz des Kondensators induktiv. Es ist zu sehen, dass der Kondensator nur einen Entkopplungseffekt hat, wenn die Frequenz nahe oder niedriger als sein SRF ist und der Kondensator einen niedrigen Widerstand bei diesen Frequenzen aufweist. Abbildung 2 zeigt die typischen S11 Parameter unter verschiedenen Kapazitätswerten. Aus diesen Kurven kann man den SRF deutlich erkennen. Je größer die Kapazität, desto besser die Entkopplungsleistung bei niedrigeren Frequenzen (desto größer die Impedanz). Niedrig).
Es ist am besten, einen Kondensator mit großer Kapazität, wie 2,2μF, am Hauptknoten der Vcc-Sterntopologie zu platzieren. Dieser Kondensator hat einen niedrigen SRF, der sehr effektiv ist, um niederfrequentes Rauschen zu beseitigen und eine stabile Gleichspannung herzustellen. Jeder Power Pin des IC benötigt einen Kondensator mit geringer Kapazität (z. B. 10nF), um hochfrequente Rauschen herauszufiltern, die an die Stromleitung gekoppelt werden können. Für die Netzteilpins, die rauschempfindliche Schaltkreise mit Strom versorgen, können zwei externe Bypass-Kondensatoren erforderlich sein. Zum Beispiel: Wenn Sie einen 10pF-Kondensator parallel mit einem 10nF-Kondensator verwenden, um einen Bypass bereitzustellen, kann ein breiterer Frequenzbereich der Entkopplung bereitgestellt werden und versuchen, den Einfluss von Rauschen auf die Versorgungsspannung zu beseitigen. Jeder Stromversorgungspin muss sorgfältig geprüft werden, um festzustellen, wie viel Entkopplungskondensatoren benötigt werden und an welchen Frequenzpunkten der eigentliche Stromkreis anfällig für Störeinflüsse ist.
Die Kombination aus guter Entkopplungstechnologie der Stromversorgung mit rigorosem PCB-Layout und Vcc-Leitungen (Sterntopologie) kann eine solide Grundlage für jedes HF-Systemdesign legen. Obwohl es andere Faktoren gibt, die die Systemleistungsindikatoren im eigentlichen Design reduzieren, ist ein "rauschfreies" Netzteil das Grundelement zur Optimierung der Systemleistung.
Erdung und Konstruktion
Das Layout und die Führung der Masseschicht sind auch der Schlüssel zum Design der WLAN-Leiterplatte, sie beeinflussen direkt die parasitären Parameter der Leiterplatte und es besteht eine versteckte Gefahr, die Systemleistung zu verringern. Es gibt kein einzigartiges Erdungsschema im HF-Schaltungsdesign. Es gibt mehrere Möglichkeiten, zufriedenstellende Leistungsindikatoren im Design zu erreichen. Die Masseebene oder Leitung kann in analoge Signalmasse und digitale Signalmasse unterteilt werden, und es kann auch Schaltungen mit hohem Strom oder hohem Stromverbrauch isolieren. Nach den bisherigen Designerfahrungen der WLAN-Evaluationsplatine kann der Einsatz einer separaten Masseebene in einer Vierschichtplatine bessere Ergebnisse erzielen. Mit diesen empirischen Methoden wird der HF-Teil von anderen Schaltungen mit einer Erdschicht isoliert, wodurch Kreuzinterferenzen zwischen Signalen vermieden werden können. Wie oben erwähnt, wird die zweite Schicht der Leiterplatte normalerweise als Masseebene verwendet, und die erste Schicht wird verwendet, um Komponenten und HF-Leitungen zu platzieren.
Abbildung 3: Elektrisches charakteristisches Modell der Durchkontaktierungen.
Nachdem die Masseebene bestimmt ist, ist es sehr wichtig, alle Signalerden auf kürzestem Weg mit der Masseebene zu verbinden. Vias werden normalerweise verwendet, um den Erdungsdraht der obersten Schicht mit der Erdungsebene zu verbinden. Es sollte beachtet werden, dass die Vias induktiv sind. Abbildung 3 zeigt das genaue elektrische Kennungsmodell des Durchgangs, wobei Lvia die Durchgangsinduktivität und Cvia die parasitäre Kapazität des Durchgangs-LeiterplattenPads ist. Wenn Sie die hier diskutierte Bodenlayouttechnologie verwenden, können Sie die parasitäre Kapazität ignorieren. Ein 1,6mm tiefes Durchgangsloch mit 0,2mm Blende hat eine Induktivität von etwa 0,75nH, und die äquivalente Reaktanz im 2,5GHz/5,0GHz WLAN Band beträgt etwa 12Ω/24Ω. Daher kann ein Masseverschluss keine echte Masse für das HF-Signal liefern. Für hochwertige Leiterplattendesigns sollten so viele Masseverbindungen wie möglich im HF-Schaltungsteil vorgesehen sein, insbesondere für die freiliegende Masse in allgemeinen IC-Gehäusen. Pad. Schlechte Erdung erzeugt auch schädliche Strahlung im Empfangsfrontend oder im Endverstärkerteil, wodurch Verstärkungs- und Rauschindikatoren reduziert werden. Es sollte auch beachtet werden, dass schlechtes Löten des Bodenpolsters das gleiche Problem verursachen kann. Darüber hinaus erfordert die Leistungsaufnahme des Leistungsverstärkers auch mehrere Vias, um mit der Masseebene verbunden zu werden.
Abbildung 4. PLL-Filterkomponentenlayout am Beispiel der Referenzdesignplatine MAX2827.
Filtern Sie das Rauschen anderer Bühnenschaltungen heraus und unterdrücken Sie das lokal erzeugte Rauschen, wodurch die Kreuzstörungen zwischen den Stufen durch die Stromleitung beseitigt werden, was der Vorteil der Vcc-Entkopplung ist. Wenn der Entkopplungskondensator aufgrund des Induktivitätseffekts zwischen dem Durchgang und der Masse dieselbe Masse verwendet, tragen die Durchgänge an diesen Verbindungspunkten alle HF-Interferenzen von den beiden Netzteilen, die nicht nur die Funktion des Entkopplungskondensators verliert, sondern auch einen anderen Weg für die zwischenstufige Rauschkopplung im System bereitstellt.
Wie Sie im letzten Teil dieses Artikels sehen werden, steht die Realisierung von PLL immer vor großen Herausforderungen im Systemdesign. Um zufriedenstellende falsche Eigenschaften zu erhalten, ist es notwendig, ein gutes Erdungsdraht-Layout zu haben. Derzeit sind alle PLLs und VCOs im IC-Design in den Chip integriert. Die meisten PLLs verwenden einen digitalen Stromladepumpenausgang, um den VCO über einen Schleifenfilter zu steuern. Normalerweise wird ein RC-Schleifenfilter zweiter Ordnung oder dritter Ordnung benötigt, um den digitalen Impulsstrom der Ladepumpe zu filtern, um die analoge Steuerspannung zu erhalten. Die beiden Kondensatoren in der Nähe des Ausgangs der Ladepumpe müssen direkt mit der Masse des Ladepumpenkreises verbunden sein. Auf diese Weise kann der Impulsstrompfad der Masseschleife isoliert und die entsprechende Streuffrequenz im LO minimiert werden. Der dritte Kondensator (für Filter dritter Ordnung) sollte direkt mit der Masse des VCOs verbunden werden, um zu verhindern, dass die Steuerspannung mit dem digitalen Strom schwimmt. Werden diese Grundsätze verletzt, entstehen erhebliche Falschkomponenten.
Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für Leiterplattenlayout. Es gibt viele Erddurchgänge auf dem Bodenpad, Ermöglicht jedem Vcc Entkopplungskondensator eine eigene separate Masse über. Die Schaltung in the box is a PLL loop filter. Der erste Kondensator wird direkt an GND_CP angeschlossen, the second capacitor (in series with an R) is rotated 180 degrees to return to the same GND_CP, und der dritte Kondensator ist an GND_VCO angeschlossen. Diese Art von Erdungsschema kann eine höhere Systemleistung erzielen.
Unterdrücken Sie falsche PLL-Signale mit richtiger Energie und Masse
Es ist ein schwieriger Punkt im Designprozess, die Anforderungen des 802.11a/b/g-Systems zur Übertragung der Spektrummaske zu erfüllen. Der Linearitätsindex und der Stromverbrauch müssen ausgeglichen werden, und ein bestimmter Spielraum muss reserviert werden, um sicherzustellen, dass er den IEEE unter der Prämisse der Aufrechterhaltung ausreichender Sendeleistung entspricht. Und FCC-Vorschriften. Die typische Ausgangsleistung, die vom IEEE 802.11g-System am Antennenende benötigt wird, beträgt +15dBm, und die Frequenzabweichung beträgt -28dBr, wenn die Frequenzabweichung 20MHz ist. Das Leistungsabweichungsverhältnis (ACPR) benachbarter Kanäle in einem Frequenzband ist eine Funktion der linearen Eigenschaften der Vorrichtung, die für eine bestimmte Anwendung unter bestimmten Voraussetzungen korrekt ist. Ein großer Arbeitsaufwand zur Optimierung der ACPR-Eigenschaften im Übertragungskanal wird erreicht, indem der Bias von Tx IC und PA erfahrungsgemäß angepasst und das passende Netzwerk von Eingangsstufe, Ausgangsstufe und Zwischenstufe der PA abgestimmt wird.
Abbildung 5: Der Effekt der Verwendung eines Schleifenfilters.
Allerdings werden nicht alle Probleme, die ACPR verursachen, auf die linearen Eigenschaften des Geräts zurückgeführt. Ein gutes Beispiel ist: Nach einer Reihe von Anpassungen werden der Endverstärker und der PA-Treiber (zwei Faktoren, die bei ACPR eine große Rolle spielen) optimiert., Die angrenzenden Kanalcharakteristiken des WLAN-Senders können den erwarteten Index immer noch nicht erreichen. Zu diesem Zeitpunkt sollte beachtet werden, dass das falsche Signal des lokalen Oszillators (LO) in der phasenverriegelten Schleife des Senders auch die ACPR-Leistung verschlechtert. Das falsche Signal des LO wird mit dem modulierten Basisbandsignal gemischt, und die gemischte Komponente wird entlang des erwarteten Signalkanals verstärkt. Dieser Mischeffekt verursacht nur Probleme, wenn die PLL-Falschkomponente über einem bestimmten Schwellenwert liegt. Wenn die PLL-Falschkomponente unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, wird ACPR hauptsächlich durch die PA-Nichtlinearität eingeschränkt. Wenn die Tx-Ausgangsleistung und die Spektralmaskenmerkmale "linear begrenzt" sind, müssen wir den Linearitätsindex und die Ausgangsleistung ausgleichen; Wenn die falschen LO-Eigenschaften der Hauptfaktor werden, der die ACPR-Leistung einschränkt, wird das, was wir zu tun haben, "falsche "Limited" sein, die PA muss an einem höheren Betriebspunkt unter dem angegebenen POUT verzerrt sein, um ihre Auswirkungen auf ACPR zu verringern, was mehr Strom verbrauchen und die Designflexibilität einschränken wird.
Die obige Diskussion wirft eine weitere Frage auf, nämlich wie die PLL-Falschkomponenten in einem bestimmten Bereich effektiv begrenzt werden können, damit sie das Emissionsspektrum nicht beeinträchtigen. Sobald die falschen Komponenten gefunden sind, ist die erste Lösung, die in den Sinn kommt, die Bandbreite des PLL-Schleifenfilters einzugrenzen, um die falsche Signalamplitude zu dämpfen. Diese Methode ist in seltenen Fällen effektiv, hat aber einige potenzielle Probleme.
Abbildung 5 zeigt eine hypothetische Situation. Es wird angenommen, dass ein Divide-by-N Synthesizer mit einer relativen Frequenz von 20MHz im Design verwendet wird. Wenn der Schleifenfilter zweiter Ordnung ist, ist die Trennfrequenz 200kHz, und die Abrollrate ist normalerweise 40dB/Dekade, 80dB Dämpfung kann bei 20MHz Frequenz erhalten werden. Wenn die Referenz-Falschkomponente -40dBc ist (vorausgesetzt, dass das Niveau der schädlichen Modulationskomponenten verursacht werden kann), kann der Mechanismus der Erzeugung des Falschs den Bereich des Schleifenfilters überschreiten (wenn er vor dem Filter erzeugt wird, kann seine Amplitude sehr groß sein). Das Komprimieren der Bandbreite des Schleifenfilters verbessert nicht die falschen Eigenschaften, sondern erhöht die PLL-Sperrzeit, was sich erheblich negativ auf das System auswirkt.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass die effektivste Methode zur Unterdrückung von PLL-Sporen eine vernünftige Erdung, ein Netzteillayout und eine Entkopplungstechnologie sein sollten. Die Verdrahtungsprinzipien, die in diesem Artikel diskutiert werden, sind ein guter Designstart, um PLL-Streuprodukte zu reduzieren. In Anbetracht der großen Stromänderung in der Ladepumpe ist es sehr notwendig, eine Sterntopologie anzunehmen. Wenn es nicht genügend Isolation gibt, wird das vom Stromimpuls erzeugte Rauschen an die Stromversorgung des VCOs gekoppelt und die VCO-Frequenz moduliert, die normalerweise "VCO-Traktion" genannt wird. Maßnahmen wie physikalische Trennung zwischen Stromleitungen und Entkopplungskondensatoren für jeden Vcc-Pin, vernünftige Platzierung von Erdungsdurchführungen und Einführung einer seriellen Ferritkomponente (als letzter Ausweg) können die Isolation verbessern. Die oben genannten Maßnahmen müssen nicht in jedem Design verwendet werden. Angemessene Verwendung jeder Methode reduziert effektiv die falsche Amplitude.
Abbildung 6 liefert das Ergebnis einer unzumutbaren Entkopplung der VCO-Stromversorgung. Die Spannungswelligkeit zeigt, dass es der Schalteffekt der Ladepumpe ist, der starke Interferenzen auf der Stromleitung verursacht. Glücklicherweise, Diese starke Störung kann durch Hinzufügen von Bypass-Kondensatoren effektiv unterdrückt werden. Darüber hinaus, wenn die Stromversorgung unzumutbar ist, zum Beispiel, Das Stromkabel des VCOs befindet sich direkt unter dem Netzteil der Ladepumpe, Das gleiche Rauschen kann am VCO-Netzteil beobachtet werden, und die erzeugten falschen Signale reichen aus, um die ACPR-Eigenschaften zu beeinflussen, auch wenn die Entkopplung verstärkt wird, Der Test Das Ergebnis wird nicht verbessert. In diesem Fall, Es ist notwendig, die PCB Verdrahtung und Neuanordnung der Stromversorgungsleitungen des VCOs, die Streumeigenschaften effektiv verbessern und die Spezifikationen erfüllen, die von der Spezifikation gefordert werden.
Abbildung 6: Unzulässige VCC_VCO Entkopplung Testergebnisse
