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Consejos de PCB para reducir el acoplamiento de señales durante el diseño de RF
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Consejos de PCB para reducir el acoplamiento de señales durante el diseño de RF

Consejos de PCB para reducir el acoplamiento de señales durante el diseño de RF

2022-07-18
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Author:pcb

Radio frequency (RF) PCB Board Debido a la incertidumbre teórica, el diseño se describe a menudo como "Arte negro"., Pero eso es sólo parcialmente cierto., Hay muchos principios rectores en el diseño de circuitos de radiofrecuencia que pueden y no deben ser seguidos o ignorados.. Sin embargo,, Cuando se trata de diseño real, El verdadero truco es cómo comprometer las normas y leyes cuando no pueden aplicarse con precisión debido a diversas limitaciones de diseño.. Por supuesto., Hay muchos temas importantes de diseño de radiofrecuencia que vale la pena discutir, Incluyendo impedancia y emparejamiento de impedancia, Materiales aislantes y laminados, Longitud de onda y onda Permanente, Sin embargo, este artículo se centrará en los problemas relacionados con el diseño de la partición de la placa de radiofrecuencia.. El diseño del teléfono móvil de hoy lo integra todo de muchas maneras, Esto es perjudicial para el diseño de la placa RF. La industria es muy competitiva ahora., Todo el mundo está buscando maneras de integrar múltiples funciones con tamaño y costo. Simulación, Digital, Los circuitos de radiofrecuencia están estrechamente empaquetados, con poco espacio para separar las áreas problemáticas., Por razones de costo, el número de capas suele disminuir. Sorprendentemente, un chip multipropósito puede integrar múltiples funciones en un chip muy pequeño, Los pines que conectan el mundo exterior están tan estrechamente alineados que la radiofrecuencia, Si, Simulación, La señal Digital está muy cerca, Pero a menudo no tienen nada que ver con la electricidad.. La distribución de energía puede ser una pesadilla para los diseñadores, Diferentes partes del circuito se utilizan en diferentes momentos según sea necesario, Interruptor controlado por software para prolongar la vida útil de la batería. Esto significa que su teléfono puede necesitar 5 o 6 fuentes de alimentación de trabajo.

PCB Board

Concepto de diseño de radiofrecuencia

En el diseño de la disposición de radiofrecuencia, deben tenerse en cuenta varios principios generales: aislar el amplificador de radiofrecuencia de alta potencia (HPA) del amplificador de bajo ruido (LNA) en la medida de lo posible, en resumen, mantener el circuito transmisor de radiofrecuencia de alta potencia alejado del circuito receptor de radiofrecuencia de baja potencia. Si usted tiene un montón de espacio físico en su PCB, usted puede hacerlo fácilmente, pero por lo general es imposible debido a muchos componentes y menos espacio en el PCB. Puede colocarlos a ambos lados del tablero de PCB, o alternativamente, en lugar de trabajar al mismo tiempo. Los circuitos de alta potencia a veces pueden incluir buffers de radiofrecuencia y osciladores controlados por tensión (vcos). Asegúrese de que al menos una de las áreas de alta potencia en el PCB no perforado está completamente conectada a tierra. Por supuesto, cuanto más cobre mejor. Más adelante discutiremos cómo romper este principio de diseño según sea necesario y cómo evitar los problemas resultantes. El desacoplamiento de chips y fuentes de alimentación también es muy importante, y más adelante se discutirán varios métodos para implementar este principio. La salida de radiofrecuencia generalmente necesita alejarse de la entrada de radiofrecuencia, que discutiremos más adelante. Las señales analógicas sensibles deben mantenerse lo más alejadas posible de las señales digitales y de radiofrecuencia de alta velocidad.


¿Cómo se divide?

Las particiones de diseño se pueden dividir en particiones físicas y particiones eléctricas. La partición física se refiere principalmente a la colocación, dirección y blindaje de los componentes. Las particiones eléctricas pueden seguir descomponiéndose en particiones de distribución, particiones de seguimiento de radiofrecuencia, circuitos sensibles y particiones de señal, y particiones de tierra. Primero discutimos la partición física. La colocación de componentes es la clave para realizar el diseño de radiofrecuencia. Una técnica eficaz es fijar primero el componente en la ruta de radiofrecuencia y reorientarlo para minimizar la longitud de la ruta de radiofrecuencia, mantener la entrada alejada de la salida y separar el componente en la medida de lo posible. Circuito de potencia y circuito de baja potencia. Un método eficaz de apilamiento de placas de circuitos es colocar la capa principal de puesta a tierra (la capa principal de puesta a tierra) en la segunda capa por debajo de la capa superficial y ejecutar la línea RF en la capa superficial en la medida de lo posible. La reducción del tamaño del orificio en la trayectoria de RF no sólo puede reducir la Inductancia de la trayectoria, sino también reducir las juntas de soldadura fantasma en la tierra principal, y reducir la posibilidad de fuga de energía RF a otras áreas de la pila. En el espacio físico, un circuito lineal como un amplificador de varios niveles es generalmente suficiente para aislar varias regiones de RF entre sí, pero los duplexores, mezcladores y si el amplificador / mezclador siempre tiene múltiples RF / If, las señales interfieren entre sí, por lo que debe tenerse cuidado de minimizar este efecto. En la medida de lo posible, las trazas RF y if deben cruzarse y, en la medida de lo posible, debe haber espacio entre ellas para la puesta a tierra. El cableado correcto de RF es importante para el rendimiento de toda la placa de circuito impreso, por lo que la colocación de componentes suele tomar la mayor parte del tiempo en el diseño de la placa de circuito impreso para teléfonos móviles. En el PCB del teléfono celular, el circuito amplificador de bajo ruido se puede colocar generalmente en un lado del PCB, el amplificador de alta potencia se puede colocar en el otro lado, y finalmente se conectan al lado RF y al procesamiento de Banda base en la misma posición a través del duplexor en la antena del dispositivo. Se necesitan habilidades para asegurar que el paso a través no transfiera energía RF de un lado a otro de la placa de circuito. Una técnica común es el uso de un paso a través ciego en ambos lados. Los efectos perjudiciales del paso a través del agujero se pueden minimizar colocando el paso a través del agujero a ambos lados del PCB sin interferencias de radiofrecuencia.


En este caso, el blindaje metálico debe considerarse para proteger la energía de radiofrecuencia en la región de radiofrecuencia, pero el blindaje metálico también tiene problemas, como su propio costo y el costo de montaje es muy caro; Los escudos metálicos de forma irregular son difíciles de garantizar una alta precisión en el proceso de fabricación, y los escudos metálicos rectangulares o cuadrados limitan la disposición de los componentes. El blindaje metálico no es propicio para la sustitución de componentes y la localización de fallos; Dado que el blindaje metálico debe soldarse al suelo y mantenerse a una distancia adecuada de los componentes, ocupa un valioso espacio de PCB. Es importante garantizar la integridad del escudo en la medida de lo posible. La línea de señal digital que entra en la cubierta metálica debe penetrar lo más profundamente posible en la capa interna, y la placa de PCB debajo de la capa de cableado es la capa de puesta a tierra. Las líneas de señal RF pueden ser conducidas desde la pequeña brecha en la parte inferior del escudo metálico y la capa de cableado en la brecha de puesta a tierra, pero deben ser distribuidas alrededor de la brecha tanto como sea posible. La puesta a tierra en diferentes capas se puede conectar a través de múltiples agujeros. A pesar de los problemas anteriores, el blindaje metálico es muy eficaz, por lo general una solución para aislar circuitos críticos. Además, el desacoplamiento adecuado y eficaz de la fuente de alimentación del chip también es muy importante. Muchos chips RF con circuitos lineales integrados son muy sensibles al ruido de la fuente de alimentación, por lo general cada chip necesita hasta cuatro condensadores y un inductor de aislamiento para asegurar que todo el ruido de la fuente de alimentación se filtra.


El valor del condensador se determina generalmente por su frecuencia de auto - resonancia e Inductancia de bajo plomo, y el valor de C4 se selecciona en consecuencia. Los valores de C3 y C2 son relativamente grandes debido a su propia Inductancia pin, por lo que el efecto de desacoplamiento de radiofrecuencia es pequeño, pero más adecuado para filtrar la señal de ruido de baja frecuencia. El inductor L1 impide que la señal RF se acopla al chip desde el cable de alimentación. Tenga en cuenta que todas las trazas son una antena potencial que puede recibir y enviar señales de radiofrecuencia, y que las señales de radiofrecuencia inductivas deben ser aisladas de las líneas críticas. La ubicación física de estos componentes disociados también suele ser crítica. El principio de diseño de estos componentes importantes es que C4 debe estar lo más cerca posible del pin IC y conectado a tierra, C3 debe estar cerca de C4, C2 debe estar cerca de C3, y el pin IC debe estar cerca de C4. La trayectoria de conexión debe ser lo más corta posible. Los terminales de puesta a tierra de estos elementos (especialmente C4) se conectarán normalmente al pin de puesta a tierra del chip a través de la siguiente capa de puesta a tierra. Los orificios que conecten los componentes a la formación de puesta a tierra deben estar lo más cerca posible de la almohadilla de componentes en el PCB. El agujero ciego en la almohadilla se utiliza para reducir la Inductancia de la línea de conexión, y la inducción eléctrica se acerca a C1. Un circuito integrado o amplificador generalmente tiene una salida de fuga abierta, por lo que la Inductancia de tracción es necesaria para proporcionar una carga de RF de alta impedancia y una fuente de corriente continua de baja impedancia. El mismo principio se aplica al desacoplamiento de la fuente de alimentación en el lado del inductor. Algunos chips requieren más de una fuente de alimentación para funcionar, por lo que es posible que necesite dos o tres conjuntos de condensadores e inductores para desacoplarlos por separado, lo que puede causar problemas si no hay suficiente espacio alrededor del chip. Recuerde que los inductores rara vez se conectan en paralelo, ya que esto formará un transformador hueco y producirá una señal de interferencia, por lo que deben estar al menos tan lejos como la altura de uno de los dispositivos, o en ángulos rectos, para reducir su Inductancia mutua.


El principio de partición eléctrica es generalmente el mismo que el de partición física, pero hay otros factores involucrados. Algunas Partes de los teléfonos móviles modernos funcionan a diferentes tensiones y son controladas por software para prolongar la vida de la batería. Esto significa que el teléfono necesita ejecutar más de una fuente de alimentación, lo que crea más problemas de aislamiento. La fuente de alimentación se introduce típicamente desde el conector y se desacopla inmediatamente antes de ser distribuida a través de un conjunto de interruptores o reguladores de voltaje para filtrar cualquier ruido fuera del tablero. La mayoría de los circuitos en los teléfonos móviles tienen una corriente Direct a relativamente pequeña, por lo que la anchura de la trayectoria no suele ser un problema, pero la trayectoria individual de alta corriente debe ser lo más amplia posible para alimentar el amplificador de alta potencia para minimizar la caída de tensión de transmisión. Para evitar una pérdida excesiva de corriente, se necesitan múltiples agujeros para transferir la corriente de una capa a otra. Además, si el amplificador de alta potencia no está completamente desacoplado en su pin de alimentación, el ruido de alta potencia irradiará a todo el tablero y causará varios problemas. La puesta a tierra de amplificadores de alta potencia es muy importante, por lo general requiere blindaje metálico. En la mayoría de los casos, también es importante mantener la salida de radiofrecuencia alejada de la entrada de radiofrecuencia. Esto también se aplica a amplificadores, buffers y filtros. En el peor de los casos, el amplificador y el Buffer pueden oscilar automáticamente si la salida del amplificador y el Buffer se alimenta a su entrada con la fase y amplitud adecuadas. En cualquier caso, funcionarán de forma estable a cualquier temperatura y tensión. De hecho, pueden volverse inestables y añadir ruido e intermodulación a las señales RF.


Si la línea de señal RF tiene que pasar de la entrada al bucle de salida del filtro, esto puede dañar gravemente las características de paso de banda del filtro. Para obtener un buen aislamiento entre la entrada y la salida, en primer lugar, la puesta a tierra debe colocarse alrededor del filtro, en segundo lugar, la puesta a tierra debe colocarse en la región inferior del filtro y conectarse a la tierra principal alrededor del filtro. También es una buena idea mantener las líneas de señal que necesitan pasar a través del filtro lo más lejos posible de los pines del filtro. Además, tenga cuidado con la puesta a tierra en cualquier lugar de la placa de Circuito, de lo contrario puede introducir inconscientemente un canal de acoplamiento que no desea que suceda. Este método de puesta a tierra se describe en detalle en la figura 3. A veces se puede seleccionar una línea de señal RF de un solo extremo o equilibrada, donde se aplican los mismos principios sobre interferencia cruzada y EMC / emi. Si están correctamente enrutados, las líneas de señal RF equilibradas pueden reducir el ruido y la interferencia cruzada, pero su impedancia es generalmente alta y debe mantenerse un ancho de línea razonable para obtener impedancia que coincida con la fuente, la trayectoria y la carga. El cableado real puede ser difícil. El Buffer se puede utilizar para aumentar el aislamiento porque puede dividir la misma señal en dos partes y usarlo para conducir diferentes circuitos, especialmente cuando el Oscilador local puede requerir un Buffer para conducir múltiples mezcladores. Cuando el mezclador alcanza el aislamiento de modo común en la frecuencia RF, no funcionará correctamente. Los buffers pueden aislar bien los cambios de impedancia en diferentes frecuencias para que los circuitos no interfieran entre sí. Los buffers son de gran ayuda en el diseño y pueden ser colocados detrás de los circuitos que necesitan ser conducidos, por lo que la trayectoria de salida de alta potencia es muy corta, ya que el nivel de señal de entrada de los buffers es relativamente bajo, por lo que no son susceptibles a otros circuitos en el tablero. Un circuito que causa interferencia. Hay muchas líneas de señal y control muy sensibles que requieren especial atención, pero están más allá del alcance de este artículo, por lo que sólo se discuten brevemente aquí, no se describen en detalle.


Los osciladores controlados por tensión (vcos) convierten el voltaje variable en la frecuencia variable, que es una función de conmutación de canales de alta velocidad, pero también convierten un poco de ruido en el voltaje de control en pequeños cambios de frecuencia, lo que hace que la señal RF aumente el ruido. Normalmente, después de esto, ya no puede eliminar el ruido de la señal de salida RF. ¿Dónde está la dificultad? En primer lugar, el ancho de banda deseado de la línea de control puede estar entre DC y 2mhz, y es casi imposible filtrar en una banda de frecuencia tan amplia para eliminar el ruido. En segundo lugar, el circuito de control vco es generalmente parte de un bucle de retroalimentación que controla la frecuencia. En muchos casos, el ruido puede estar en todas partes, por lo que el circuito de control vco debe ser manejado cuidadosamente. Asegúrese de que la tierra debajo de las pistas de RF está firmemente conectada, todos los componentes están firmemente conectados a la tierra principal y aislados de otras pistas que pueden introducir ruido. Además, la fuente de alimentación del vco está completamente desacoplada, ya que la salida de RF del vco se encuentra a menudo en un nivel relativamente alto, la señal de salida del vco es fácil de interferir con otros circuitos, por lo que se debe prestar especial atención al vco. De hecho, los osciladores controlados por tensión se colocan generalmente al final de la región de radiofrecuencia y a veces requieren blindaje metálico.


Los circuitos resonantes (uno para transmisores y otro para receptores) están relacionados con osciladores controlados por tensión, pero también tienen sus propias características. En resumen, el circuito resonante es un circuito resonante paralelo con diodos capacitivos, que ayuda a establecer la frecuencia de funcionamiento del vco y modular el habla o los datos en la señal RF. Todos los principios de diseño vco también se aplican a los circuitos resonantes. Los circuitos resonantes suelen ser muy sensibles al ruido, ya que tienen un número considerable de componentes, se distribuyen ampliamente en el tablero y por lo general funcionan a frecuencias de radiofrecuencia muy altas. Las señales se colocan generalmente en los pines adyacentes del chip, pero estos pines de señal necesitan trabajar con inductores y condensadores relativamente grandes, lo que a su vez requiere que estos inductores y condensadores se coloquen estrechamente juntos y se conecten de nuevo al circuito de control sensible al ruido. No es fácil hacerlo. El amplificador de control automático de ganancia (AGC) también es un problem a fácil, tanto en el circuito de transmisión como en el circuito de recepción tendrá un amplificador AGC. El amplificador AGC generalmente puede filtrar eficazmente el ruido, pero la capacidad del teléfono móvil para procesar la transmisión y recibir la señal cambia rápidamente requiere que el circuito AGC tenga un ancho de banda bastante amplio, lo que hace que algunos amplificadores AGC en circuitos clave sean fáciles de introducir ruido. En el diseño de la línea AGC, se debe seguir una buena técnica de diseño de circuitos analógicos, que está relacionada con el pin de entrada muy corto del amplificador operativo y la trayectoria de retroalimentación muy corta, ambos deben estar lejos de la trayectoria de la señal digital RF, if o de alta velocidad. Además, la buena puesta a tierra es muy importante y la fuente de alimentación del chip debe disociarse bien. Si usted tiene que poner un cable largo en la entrada o salida, entonces está en la salida, y la impedancia en la salida es generalmente mucho más baja, y no es muy fácil generar ruido inducido. En general, cuanto mayor es el nivel de señal, más fácil es introducir ruido en otros circuitos. En todos los diseños de PCB, es un principio general mantener los circuitos digitales alejados de los circuitos analógicos tanto como sea posible, y también es adecuado para el diseño de PCB RF. La puesta a tierra analógica común suele ser tan importante como la puesta a tierra para el blindaje y la separación de las líneas de señal, y el problema es que es casi imposible hacerlo cada vez sin visión y planificación cuidadosa. Por lo tanto, en las primeras etapas del diseño, la planificación cuidadosa, la colocación deliberada de los componentes y una evaluación exhaustiva de la colocación son importantes, ya que los cambios de diseño involuntarios pueden dar lugar a la necesidad de reconstruir un diseño casi terminado. En cualquier caso, las graves consecuencias de este descuido no son buenas para su desarrollo profesional personal. Además, mantenga las líneas RF alejadas de las líneas analógicas y algunas señales digitales muy críticas. Todas las trazas, almohadillas y conjuntos de radiofrecuencia se llenarán de cobre de puesta a tierra en la medida de lo posible y se conectarán a la puesta a tierra principal en la medida de lo posible. Los constructores de microporos, como las tabletas de pan, son útiles en la fase de desarrollo de circuitos RF. Si usted elige un constructor, usted puede utilizar cualquier número de microporos de forma gratuita, de lo contrario perforar un PCB común puede aumentar los costos de desarrollo, lo que aumenta los costos en la producción en masa.


Si la trayectoria de radiofrecuencia debe pasar por la línea de señal, Trate de conectarse a la tierra principal a lo largo de la ruta de radiofrecuencia entre ellos. Si no es posible, Asegúrese de que se cruzan para minimizar el acoplamiento capacitivo, Y la mayor cantidad de tierra posible alrededor de cada pista de radiofrecuencia, Y conectarlo a la tierra principal. Y, La reducción de la distancia entre trayectorias paralelas de radiofrecuencia puede reducir el acoplamiento inductivo. Un estrato sólido y monolítico directamente debajo de la superficie, Efecto de aislamiento, Aunque está un poco diseñado cuidadosamente, otras prácticas también funcionan.. Traté de aislar la simulación dividiendo el plano del suelo en trozos., digital, Línea RF, Pero nunca estoy satisfecho con los resultados porque siempre hay líneas de señal de alta velocidad a través de estas superficies separadas, No es algo bueno.. En PCB Board, Puesta a tierra tanto como sea posible y conexión a la tierra principal. Coloque la traza lo más cerca posible para aumentar el número de almohadillas en la capa de señal interna y la capa de distribución, Y ajustar la pista para que pueda encaminar la conexión a tierra a través del agujero a la almohadilla de aislamiento en la superficie. Superficie libre de cada capa PCB Board Deben evitarse porque recogen o inyectan ruido como pequeñas antenas.