Blogue PCB - Réduction du couplage des signaux lors de la conception des radiofréquences

Radio frequency (RF) PCB board En raison de l'incertitude théorique, le design est souvent décrit comme « l'art noir »., Mais ce n'est qu'en partie vrai., Il existe de nombreux principes directeurs pour la conception des circuits RF qui peuvent et ne doivent pas être respectés et ignorés.. Cependant,, Lorsqu'il s'agit de la conception réelle, La vraie astuce est de trouver un compromis entre ces normes et ces lois lorsqu'elles ne peuvent être appliquées avec précision en raison de diverses contraintes de conception.. Bien sûr., Il existe de nombreux sujets importants de conception RF qui méritent d'être discutés., Y compris l'impédance et l'appariement de l'impédance, Matériaux isolants et stratifiés, Longueur d'onde et ondes stationnaires, Mais cet article se concentrera sur divers problèmes liés à la conception de la partition RF.. Les téléphones portables d'aujourd'hui intègrent tout de plusieurs façons, Ce n'est pas bon pour la conception des panneaux RF. L'industrie est très compétitive., Tout le monde cherche des façons d'intégrer plusieurs fonctions à la taille et au coût. Simulation, Numérique, Les circuits RF sont étroitement encapsulés, avec peu d'eEspace pour séparer les zones problématiques, Le nombre de couches est généralement réduit pour des raisons de coût. Étonnamment, une puce polyvalente peut intégrer plusieurs fonctions sur une très petite puce, Les broches qui relient le monde extérieur sont si étroitement alignées que les radiofréquences, Si, Simulation, Le signal numérique est très proche, Mais ils n'ont généralement rien à voir avec l'électricité.. La distribution d'électricité peut être un cauchemar pour les concepteurs, Différentes parties du circuit sont utilisées en temps partagé selon les besoins, Commutateur contrôlé par logiciel pour prolonger la durée de vie de la batterie. Cela signifie que votre téléphone peut avoir besoin de 5 ou 6 alimentations de fonctionnement.

Concept de disposition RF

Lors de la conception de la disposition des radiofréquences, plusieurs principes généraux doivent être privilégiés: isoler autant que possible l'amplificateur de radiofréquences de haute puissance (HPA) de l'amplificateur de faible bruit (LNA) et, en bref, éloigner les circuits de transmission de radiofréquences de haute puissance des circuits de réception de radiofréquences de faible puissance. Si vous avez beaucoup d'espace physique sur votre PCB, vous pouvez le faire facilement, mais en général, cela n'est pas possible parce qu'il y a beaucoup de composants et moins d'espace sur le PCB. Vous pouvez les placer de chaque côté de la carte PCB ou les faire fonctionner alternativement plutôt que simultanément. Les circuits de haute puissance peuvent parfois comprendre des tampons RF et des oscillateurs à tension contrôlée (VCO). Assurez - vous qu'au moins un sol complet se trouve dans la zone de haute puissance du PCB sans trous. Bien sûr, plus il y a de cuivre, mieux c'est. Plus tard, nous discuterons de la façon de briser ce principe de conception au besoin et d'éviter les problèmes qui en résultent. Le découplage de la puce et de l'alimentation électrique est également très important, et plusieurs méthodes pour réaliser ce principe seront discutées plus loin. Les sorties RF doivent généralement être éloignées des entrées RF, comme nous le verrons plus loin. Les signaux analogiques sensibles doivent être aussi éloignés que possible des signaux numériques et RF à grande vitesse.

Comment diviser?

Les zones de conception peuvent être divisées en zones physiques et électriques. Le zonage physique se rapporte principalement à l'emplacement, à l'orientation et au blindage des composants. Le zonage électrique peut continuer à se décomposer en zonage de distribution, zonage de suivi des radiofréquences, zonage des circuits et signaux sensibles et zonage au sol. Commençons par le partitionnement physique. Le placement des composants est la clé de la conception RF. Une technique efficace consiste d'abord à fixer le composant sur la trajectoire RF et à l'orienter de manière à réduire au minimum la longueur de la trajectoire RF, à éloigner l'entrée de la sortie et, dans la mesure du possible, à séparer le composant. Circuits de puissance et circuits de faible puissance. Une méthode efficace d'empilage des circuits imprimés consiste à placer la couche principale de mise à la Terre (la couche principale de mise à la terre) sur la deuxième couche sous la couche superficielle et à faire fonctionner les lignes de radiofréquences sur la couche superficielle autant que possible. La réduction de la taille des trous de travers sur la trajectoire RF réduit non seulement l'inductance de la trajectoire, mais aussi les soudures fantômes sur le sol principal et réduit les possibilités de fuite d'énergie RF vers d'autres zones de la pile. Dans l'espace physique, les circuits linéaires tels que les amplificateurs à plusieurs étages sont généralement suffisants pour isoler plusieurs régions RF les unes des autres, mais les duplexeurs, les mélangeurs et les signaux interfèrent les uns avec les autres s'il y a toujours plus d'une RF / if dans l'amplificateur / mélangeur, il faut donc veiller à minimiser cet effet. Les traces RF et if doivent se croiser autant que possible et laisser autant d'espace au sol que possible entre elles. Le câblage RF correct est important pour la performance de l'ensemble de la carte de circuit imprimé. C'est pourquoi, dans la conception de la carte de circuit imprimé du téléphone mobile, le placement des composants prend généralement la plus grande partie du temps. Sur les PCB des téléphones cellulaires, il est généralement possible de placer des circuits d'amplificateur à faible bruit d'un côté du PCB, des amplificateurs à haute puissance de l'autre côté et, enfin, de les connecter au côté RF et au traitement de la bande de base au même endroit par un duplexeur sur l'antenne de l'appareil. Certaines techniques sont nécessaires pour s'assurer que le passage direct à travers le trou ne transfère pas l'énergie RF d'un côté de la carte à l'autre. Une technique courante est d'utiliser le passage aveugle des deux côtés. L'effet nocif du passage direct à travers le trou peut être minimisé en plaçant le passage direct à travers le trou dans une zone exempte d'interférence RF des deux côtés du PCB.

Parfois, il n'est pas possible d'assurer une séparation adéquate entre plusieurs blocs de circuits, auquel cas un blindage métallique doit être envisagé pour protéger l'énergie RF dans la zone RF, mais le blindage métallique pose également des problèmes, tels que son propre coût et le coût élevé de l'assemblage; Le blindage métallique irrégulier est difficile à assurer une grande précision dans le processus de fabrication. Le blindage métallique rectangulaire ou carré limite la disposition des composants. Le blindage métallique n'est pas propice au remplacement des composants et à la localisation des défauts; Étant donné que le blindage métallique doit être soudé au sol et qu'il doit être maintenu à une distance appropriée des composants, il occupe un espace précieux pour les PCB. Il est important d'assurer l'intégrité du bouclier autant que possible. La ligne de signal numérique entrant dans le couvercle de blindage métallique doit être aussi profonde que possible dans la couche intérieure, et la carte PCB sous la couche de câblage doit être mise à la terre. Les lignes de signaux RF peuvent être acheminées à partir de la couche de câblage à la petite ouverture au fond du bouclier métallique et à l'ouverture de mise à la terre, mais elles doivent être réparties le plus possible autour de l'ouverture et la mise à la terre sur différentes couches peut être reliée ensemble par plusieurs trous de travers. Malgré ces problèmes, le blindage métallique est très efficace et constitue souvent une solution pour isoler les circuits critiques. En outre, un découplage approprié et efficace de l'alimentation électrique à puce est également très important. De nombreuses puces RF avec circuits linéaires intégrés sont très sensibles au bruit de la source d'énergie et nécessitent généralement jusqu'à quatre condensateurs et un inducteur isolé par puce pour s'assurer que tout le bruit de la source d'énergie est filtré).

La valeur du condensateur est généralement déterminée par sa fréquence d'auto - résonance et son inductance de plomb faible, et la valeur de C4 est choisie en conséquence. Les valeurs de C3 et C2 sont relativement grandes en raison de leur propre inductance de broche, de sorte que l'effet de découplage RF est faible, mais il est plus approprié pour filtrer le signal de bruit à basse fréquence. L'inducteur L1 empêche le signal RF d'être couplé du cordon d'alimentation à la puce. Gardez à l'esprit que toutes les traces sont des antennes potentielles qui peuvent recevoir et envoyer des signaux RF et que les signaux RF inductifs doivent être isolés des lignes critiques. L'emplacement physique de ces composants découplés est également souvent critique. Le principe de disposition de ces composants importants est le suivant: C4 doit être aussi proche que possible de la goupille IC et mis à la terre, C3 doit être proche de C4, C2 doit être proche de C3, et la goupille IC doit être proche de C4. La trajectoire de connexion doit être aussi courte que possible, Le terminal de mise à la terre de ces éléments (en particulier C4) doit normalement être relié à la goupille de mise à la terre de la puce par la prochaine couche de mise à la terre. Les trous de travers reliant les composants au sol doivent être situés le plus près possible des tampons des composants sur les PCB. Les trous aveugles sur les Pads sont utilisés pour réduire l'inductance des fils de connexion, et l'induction électrique est proche de C1. Les circuits intégrés ou les amplificateurs ont généralement une sortie de fuite ouverte, de sorte que l'inductance de traction est nécessaire pour fournir une charge RF à haute impédance et une alimentation en courant continu à faible impédance. Le même principe s'applique au découplage de l'alimentation électrique du côté inducteur. Certaines puces nécessitent plus d'une source d'énergie pour fonctionner, de sorte que vous pourriez avoir besoin de deux ou trois ensembles de condensateurs et d'inducteurs pour les découpler individuellement, ce qui pourrait causer des problèmes s'il n'y a pas assez d'espace autour de la puce. Gardez à l'esprit que les inducteurs sont rarement connectés en parallèle, car ils forment un transformateur creux et produisent un signal d'interférence, de sorte que la distance entre eux doit être au moins aussi grande que la hauteur de l'un des dispositifs ou perpendiculaire pour réduire leur inductance mutuelle.

Le principe du zonage électrique est généralement le même que celui du zonage physique, mais d'autres facteurs sont en jeu. Certaines Parties des téléphones portables modernes fonctionnent à différentes tensions et sont contrôlées par un logiciel pour prolonger la durée de vie de la batterie. Cela signifie que le téléphone doit fonctionner avec plusieurs sources d'énergie, ce qui crée plus de problèmes d'isolement. L'alimentation électrique est normalement introduite à partir des connecteurs et est immédiatement découplée pour filtrer tout bruit à l'extérieur de la carte de circuit avant d'être distribuée par un ensemble de commutateurs ou de régulateurs de tension. La plupart des circuits du téléphone ont un courant continu assez faible, de sorte que la largeur de la piste n'est généralement pas un problème. Cependant, une piste de courant élevé séparée aussi large que possible doit être exécutée pour alimenter l'amplificateur de haute puissance afin de minimiser la chute de tension de transmission. Pour éviter une perte de courant excessive, plusieurs trous sont nécessaires pour transférer le courant d'une couche à l'autre. De plus, si l'amplificateur de haute puissance n'est pas suffisamment découplé à sa broche d'alimentation, le bruit de haute puissance rayonnera sur toute la carte et causera divers problèmes. La mise à la terre des amplificateurs de haute puissance est essentielle et nécessite généralement un blindage métallique. Dans la plupart des cas, il est également essentiel de s'assurer que la sortie RF est éloignée de l'entrée RF. Cela s'applique également aux amplificateurs, tampons et filtres. Dans le pire des cas, l'amplificateur et le tampon peuvent s'auto - osciller si les sorties de l'amplificateur et du tampon sont retournées à leurs entrées avec une phase et une amplitude appropriées. En tout état de cause, ils fonctionneront de façon stable dans toutes les conditions de température et de tension. En fait, ils peuvent devenir instables et ajouter du bruit et des signaux d'intermodulation aux signaux RF.

Si la ligne de Signal RF doit passer de la boucle d'entrée du filtre à la sortie, cela peut gravement endommager les caractéristiques de bande passante du filtre. Pour obtenir une bonne séparation entre l'entrée et la sortie, il faut d'abord placer la terre autour du filtre, puis la terre doit être placée dans la partie inférieure du filtre et reliée à la terre principale autour du filtre. C'est également une bonne idée de garder la ligne de signal à travers le filtre aussi loin que possible des broches du filtre. De plus, faites attention à la mise à la terre n'importe où sur la carte de circuit, sinon vous pourriez introduire involontairement un canal de couplage que vous ne voulez pas. Cette méthode de mise à la terre est détaillée à la figure 3. Parfois, il est possible de sélectionner des lignes de signaux RF à une seule extrémité ou équilibrées et les mêmes principes s'appliquent ici en ce qui concerne les interférences croisées et EMC / EMI. Si elles sont correctement acheminées, les lignes de signaux RF équilibrées peuvent réduire le bruit et les interférences croisées, mais leur impédance est généralement élevée et une largeur de ligne raisonnable doit être maintenue pour obtenir une impédance correspondant à la source, à la trajectoire et à la charge. Le câblage réel peut être difficile. Un tampon peut être utilisé pour augmenter l'isolement, car il peut diviser le même signal en deux parties et l'utiliser pour conduire différents circuits, en particulier lorsque l'oscillateur local peut avoir besoin d'un tampon pour conduire plusieurs mélangeurs. Lorsque le mélangeur atteint l'isolement en mode commun à la fréquence RF, il ne fonctionnera pas correctement. Les tampons isolent bien les variations d'impédance à différentes fréquences afin que les circuits ne s'interfèrent pas les uns avec les autres. Les tampons sont très utiles dans la conception, ils peuvent être placés derrière les circuits qui doivent être actionnés, de sorte que les trajectoires de sortie de haute puissance sont très courtes, parce que les tampons ont un niveau de signal d'entrée relativement bas, de sorte qu'ils ne sont pas sensibles aux autres circuits sur la carte. Le circuit qui cause l'interférence. Il existe également de nombreuses lignes de signalisation et de commande très sensibles qui nécessitent une attention particulière, mais elles sont en dehors du champ d'application du présent document, de sorte qu'elles ne sont examinées ici que brièvement et ne seront pas décrites en détail.

Les oscillateurs à tension contrôlée (VCO) convertissent la tension variable en fréquence variable, une fonction utilisée pour la commutation de canaux à grande vitesse, mais ils convertissent également une petite quantité de bruit sur la tension de commande en une petite variation de fréquence, ce qui augmente le bruit du Signal RF. En général, après cela, vous ne pouvez plus supprimer le bruit du signal de sortie RF. Où est la difficulté? Premièrement, la largeur de bande souhaitée de la ligne de commande peut être comprise entre DC et 2mhz, et il est presque impossible de filtrer dans une bande aussi large pour éliminer le bruit; Deuxièmement, la ligne de commande de l'oscillateur à tension contrôlée fait généralement partie de la boucle de rétroaction de la fréquence de commande et, dans de nombreux cas, le bruit peut être omniprésent, de sorte que la ligne de commande de l'oscillateur à tension contrôlée doit être traitée avec soin. Assurez - vous que le sol sous les traces RF est bien ancré, que tous les composants sont solidement reliés au sol principal et isolés des autres traces qui peuvent introduire du bruit. De plus, assurez - vous que l'alimentation électrique de l'oscillateur à tension contrôlée est complètement découplée, car la sortie RF de l'oscillateur à tension contrôlée est souvent à un niveau relativement élevé et que le signal de sortie de l'oscillateur à tension contrôlée peut facilement interférer avec d'autres circuits, de sorte qu'une attention particulière doit être accordée à l'oscillateur à tension contrôlée. En fait, les oscillateurs à tension contrôlée sont généralement placés à l'extrémité de la région RF et nécessitent parfois un blindage métallique.

Les circuits de résonance (l'un pour l'émetteur et l'autre pour le récepteur) sont liés à l'oscillateur à tension contrôlée, mais ils ont aussi leurs propres caractéristiques. En bref, un circuit de résonance est un circuit de résonance parallèle avec une diode Capacitive qui aide à régler la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur à tension contrôlée et à moduler la parole ou les données sur un signal RF. Tous les principes de conception des oscillateurs à tension contrôlée s'appliquent également aux circuits de résonance. Les circuits de résonance sont généralement très sensibles au bruit en raison de leur nombre considérable d'éléments, de leur large distribution sur les circuits imprimés et de leur fonctionnement à des fréquences RF très élevées. Les signaux sont généralement disposés sur les broches adjacentes de la puce, mais ces broches de signal doivent fonctionner avec des inducteurs et des condensateurs relativement grands, ce qui, à son tour, exige que ces inducteurs et condensateurs soient placés étroitement ensemble et reliés à une boucle de commande sensible au bruit. Ce n'est pas facile. Les amplificateurs à commande automatique de gain (AGC) sont également sujets à des problèmes, avec un AGC dans les circuits de transmission et de réception. L'amplificateur AGC peut généralement filtrer efficacement le bruit, mais la capacité du téléphone mobile à traiter les changements rapides de l'intensité du signal de transmission et de réception exige une large bande passante du circuit AGC, ce qui rend l'amplificateur AGC sur certains circuits clés facile à introduire le bruit. Une bonne technique de conception de circuits analogiques doit être suivie lors de la conception des circuits AGC, en ce qui concerne les très courtes broches d'entrée de l'amplificateur opérationnel et les très courtes voies de rétroaction, qui doivent toutes deux être éloignées des voies de signaux numériques RF, if ou haute vitesse. En outre, une bonne mise à la terre est essentielle et l'alimentation électrique de la puce doit être bien découplée. Si vous devez placer un long fil à l'entrée ou à la sortie, il est juste à l'extrémité de sortie, où l'impédance est généralement beaucoup plus faible et où le bruit induit est moins susceptible de se produire. En général, plus le niveau du signal est élevé, plus il est facile d'introduire du bruit dans d'autres circuits. Dans toutes les conceptions de PCB, il est courant de garder les circuits numériques aussi loin que possible des circuits analogiques, ce qui s'applique également aux conceptions de PCB RF. La mise à la terre analogique commune est souvent aussi importante que la mise à la terre utilisée pour le blindage et la séparation des lignes de signalisation. Le problème est que, sans vision et planification minutieuse, il est presque impossible de le faire à chaque fois. Par conséquent, une planification minutieuse, un placement délibéré des composants et une évaluation approfondie du placement sont importants aux premiers stades de la conception, car des modifications involontaires de la conception peuvent entraîner la nécessité de reconstruire une conception presque terminée. Quoi qu'il en soit, les graves conséquences de cette négligence ne sont pas bonnes pour votre perfectionnement professionnel personnel. De plus, gardez les lignes RF loin des lignes analogiques et de certains signaux numériques très critiques. Toutes les traces RF, les Pads et les composants doivent être remplis de cuivre de mise à la terre dans la mesure du possible et reliés au sol principal dans la mesure du possible. Les plaques de construction à micro - trous comme les plaques de pain sont utiles dans la phase de développement des circuits RF. Si vous choisissez les plaques de construction, vous pouvez utiliser n'importe quel nombre de trous de travers gratuitement, sinon le forage sur les PCB ordinaires augmentera les coûts de développement, ce qui augmentera les coûts dans La production de masse.

Si la trajectoire RF doit passer par la ligne de signal, Essayez de vous connecter au sol principal le long de la trace RF entre eux. Si c'est impossible, Assurez - vous qu'ils se croisent pour minimiser le couplage capacitif, Et autant de terre que possible autour de chaque piste RF, Et connectez - le au sol principal. Et, La réduction de la distance entre les trajectoires RF parallèles réduit le couplage inductif. Un sol solide et solide placé directement sous la surface, Effet d'isolement, Bien que conçu avec un peu de soin, d'autres pratiques sont également efficaces. J'ai essayé de diviser le plan du sol en morceaux pour isoler la simulation., Numérique, Et les lignes de radiofréquences, Mais je n'ai jamais été satisfait des résultats parce qu'il y aura toujours des lignes de signalisation à grande vitesse à travers ces différents terrains, Ce n'est pas une bonne chose.. In PCB board, Poser autant de terre que possible et la relier au sol principal. Placer les traces aussi près que possible pour augmenter le nombre de Pads sur la couche de signal interne et la couche de distribution, Et ajustez la piste de sorte que vous puissiez acheminer la connexion au sol à travers le trou vers l'espaceur sur la surface. Plancher libre à chaque étage PCB board Ils doivent être évités car ils captent ou injectent du bruit comme de petites antennes..