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Technologie PCB
Intégrité du signal conception de l'alimentation électrique et de la mise à la terre des circuits RF à partir de la disposition des PCB des émetteurs - récepteurs WiFi
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Intégrité du signal conception de l'alimentation électrique et de la mise à la terre des circuits RF à partir de la disposition des PCB des émetteurs - récepteurs WiFi

Intégrité du signal conception de l'alimentation électrique et de la mise à la terre des circuits RF à partir de la disposition des PCB des émetteurs - récepteurs WiFi

2021-08-20
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Author:IPCB

The circuit Circuits imprimés Board layout of radio frequency (RF) circuits should be carried out on the basis of understanding the basic principles of circuit board structure, Câblage électrique et mise à la terre. This article discusses the relevant basic principles, Et fournit quelques méthodes pratiques, proven power wiring, Contournement de l'alimentation électrique et technologie de mise à la terre, which can effectively improve the performance indicators of RF design. Étant donné que le signal errant PLL dans la conception pratique est très sensible au couplage de puissance, Emplacement de la mise à la terre et de l'élément filtrant, Dans cet article, nous étudions principalement les méthodes de suppression des signaux errants PLL.. To illustrate the problem, Utilisé dans cet article Disposition des Circuits imprimés of the MAX2827 802.11A/g transceiver as a reference design.

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Figure 1: câblage VCC en topologie stellaire


When designing an RF circuit, the design of the power supply circuit and the layout of the circuit board are often left after the design of the high-frequency signal path is completed. Pour les conceptions non examinées, the power supply voltage around the circuit is prone to erroneous output and noise, Cela affectera davantage les performances des circuits RF. Reasonable distribution of Circuits imprimés Couche, Utilisation de fils VCC topologiques stellaires, L'ajout d'un condensateur de découplage approprié à la broche VCC aidera à améliorer les performances du système et à obtenir les meilleures performances.


Principes de base du câblage électrique et du contournement


Le sage. Circuits imprimés layer assignment is convenient to simplify the subsequent wiring processing. Quatrième étage Circuits imprimés (a commonly used circuit board in WLAN), Dans la plupart des applications, the top layer of the circuit board is used to place components and RF leads, Le deuxième étage est utilisé pour la mise à la terre du système, L'alimentation électrique est au troisième étage, N'importe quelle ligne de signal peut être distribuée au niveau 4. La disposition continue du plan de mise à la terre de la deuxième couche est nécessaire pour établir la trajectoire du Signal RF avec une impédance contrôlée.. It also facilitates the shortest possible ground loop, Et fournir une isolation électrique élevée pour les premier et troisième étages, making the two layers The coupling between is minimal. Bien sûr., other board layer definition methods can also be used (especially when the circuit board has a different number of layers), Mais la structure ci - dessus est un exemple de réussite.

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Figure 2: variation de l'impédance du condensateur à différentes fréquences


Une grande surface de la couche d'alimentation facilite le câblage VCC, mais cette structure est souvent un fusible qui réduit les performances du système. La connexion de tous les câbles électriques à un plan plus grand empêchera in évitablement les broches entre les broches. Propagation du bruit. Inversement, si vous utilisez une topologie stellaire, le couplage entre les différentes broches d'alimentation est réduit. La figure 1 montre le schéma de câblage VCC pour la connexion Star, tiré du tableau d'évaluation de l'émetteur - récepteur IEEE 802.11a / g max2826. Dans la figure, on établit un noeud VCC primaire à partir duquel on dessine des lignes d'alimentation de différentes branches pour alimenter les broches d'alimentation de l'IC RF. Chaque broche d'alimentation utilise des fils séparés pour fournir une séparation spatiale entre les broches, ce qui aide à réduire le couplage entre elles. De plus, chaque fil a une certaine inductance parasitaire, ce qui est exactement ce que nous voulons, et il aide à filtrer le bruit à haute fréquence sur les lignes électriques.


Lors de l'utilisation de la topologie stellaire VCC Lead, un découplage de puissance approprié est nécessaire, et le condensateur de découplage a une certaine inductance parasitaire. En fait, un condensateur est équivalent à un Circuit RLC en série. Les condensateurs jouent un rôle prédominant dans la bande de basse fréquence, mais à la fréquence d'oscillation auto - excitée (SRF):


Après cela, l'impédance du condensateur sera inductive. On peut voir que les condensateurs n'ont un effet de découplage qu'à des fréquences proches ou inférieures à leur SRF et qu'ils présentent une faible résistance à ces fréquences. La figure 2 montre les paramètres typiques de S11 pour différentes valeurs de capacité. À partir de ces courbes, le fdrs est clairement visible. On peut également voir que plus la capacité est grande, meilleure est la performance de découplage à basse fréquence (plus l'impédance est grande). Faible).


Il est préférable de placer un condensateur de grande capacité, tel que 2,2 ¼ F, sur le noeud principal de la topologie stellaire VCC. Le condensateur a un SRF plus faible, ce qui est très efficace pour éliminer le bruit à basse fréquence et établir une tension en courant continu stable. Chaque broche d'alimentation de l'IC nécessite un condensateur de faible capacité (par exemple 10nf) pour filtrer le bruit à haute fréquence qui peut être couplé au cordon d'alimentation. Pour les broches d'alimentation alimentant les circuits sensibles au bruit, deux condensateurs de dérivation externes peuvent être nécessaires. Par exemple, l'utilisation d'un condensateur 10pf en parallèle avec un condensateur 10nf pour fournir un contournement peut fournir une large gamme de fréquences de découplage et tenter d'éliminer l'influence du bruit sur la tension d'alimentation. Chaque broche d'alimentation doit être soigneusement examinée pour déterminer combien de condensateurs de découplage sont nécessaires et à quel point de fréquence le circuit réel est susceptible d'être perturbé par le bruit.


La combinaison d'une bonne technologie de découplage de l'alimentation électrique et d'une disposition stricte des Circuits imprimés et d'un plomb VCC (topologie stellaire) peut fournir une base solide pour la conception de tout système RF. Bien qu'il y ait d'autres facteurs dans la conception réelle qui peuvent réduire les performances du système, la disponibilité d'une alimentation électrique « sans bruit» est un élément essentiel pour optimiser les performances du système.


Conception de la mise à la terre et du forage


La disposition de la couche de mise à la terre et du plomb est également la clé de la conception de la carte de circuit WLAN. Il n'existe pas de schéma de mise à la terre unique dans la conception des circuits RF. Il existe plusieurs façons d'obtenir des indicateurs de rendement satisfaisants dans la conception. Le sol ou le plomb peut être divisé en un sol de signal analogique et un sol de signal numérique, et peut également isoler un circuit à courant élevé ou à haute consommation d'énergie. Selon l'expérience de conception du panneau d'évaluation WLAN, l'utilisation d'une seule couche de mise à la terre dans le panneau à quatre couches peut obtenir de meilleurs résultats. Grâce à ces méthodes empiriques, la partie RF est isolée des autres circuits par des couches au sol afin d'éviter les interférences croisées entre les signaux. Comme indiqué ci - dessus, la deuxième couche de la carte de circuit est habituellement utilisée comme couche de mise à la terre et la première couche est utilisée pour placer les composants et les fils RF.

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Figure 3: Electrical characteristic model of vias.


Une fois que le sol a été identifié, il est important que tous les signaux soient mis à la terre sur le chemin le plus court possible vers le sol. Les trous de travers sont généralement utilisés pour relier le sol du haut au plan du sol. Il convient de noter que les trous de travers sont détectés. La figure 3 montre un modèle précis des caractéristiques électriques du trou de travers, où lvia est l'inductance du trou de travers et cvia est la capacité parasitaire du tampon Circuits imprimés de travers. Si vous utilisez les techniques de mise à la terre discutées ici, vous pouvez ignorer les condensateurs parasites. L'inductance de 1,6mm de profondeur et de 0,2mm d'ouverture à travers le trou est d'environ 0,75nh et la réactance équivalente dans la bande WLAN de 2,5ghz / 5,0ghz est d'environ 12 © / 24 ©. Par conséquent, les trous de mise à la terre ne peuvent pas fournir une mise à la terre réelle du Signal RF. Pour la conception de circuits imprimés de haute qualité, un nombre maximal de trous de terre doit être prévu dans les composants de circuits RF, en particulier pour la mise à la terre nue dans les paquets IC généraux. Doublure. Une mauvaise mise à la terre peut également produire un rayonnement nocif à l'avant de la réception ou dans la partie de l'amplificateur de puissance, ce qui réduit le gain et le facteur de bruit. Il convient également de noter qu'une mauvaise soudure du coussin de terre peut causer le même problème. De plus, la consommation d'énergie de l'amplificateur de puissance nécessite plusieurs trous de travers reliés au plan du sol.

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Figure 4. PLL filter component layout using the MAX2827 reference design board as an example.


Le découplage VCC présente l'avantage de filtrer le bruit d'autres circuits et de supprimer le bruit généré localement, éliminant ainsi l'interférence croisée entre les étages à travers les lignes électriques. Si le condensateur de découplage utilise la même mise à la terre à travers le trou, en raison de l'effet inductif entre la mise à la terre et la mise à la terre, les trous à travers ces points de connexion transporteront toutes les interférences RF des deux sources d'énergie, ce qui non seulement perdra la fonction du condensateur de découplage, mais fournira également une autre voie pour le couplage du bruit inter - niveaux dans le système.

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Comme vous le verrez plus loin dans cet article, the realization of PLL always faces huge challenges in system design. Pour obtenir des caractéristiques errantes satisfaisantes, Il est nécessaire d'avoir une bonne disposition du fil de terre. At present, Dans la conception IC, tous les PLL et VCO sont intégrés dans la puce. La plupart des boucles verrouillées en phase utilisent la sortie de la pompe de charge de courant numérique pour contrôler le VCO à travers le filtre de boucle. Usually, Un filtre à boucle RC de deuxième ou troisième ordre est nécessaire pour filtrer le courant d'impulsion numérique de la pompe de charge afin d'obtenir une tension de commande analogique. Les deux condensateurs situés près de la sortie de la pompe de charge doivent être directement reliés au sol du circuit de la pompe de charge.. Voilà., the pulse current path of the ground loop can be isolated, Les fréquences errantes correspondantes dans cette Oscillation peuvent être réduites au minimum. The third capacitor (for the third-order filter) should be directly connected to the ground of the VCO to prevent the control voltage from floating with the digital current. Si ces principes sont violés, Il y aura beaucoup de faux ingrédients.


La figure 4 montre un exemple Disposition des Circuits imprimés. Il y a beaucoup de trous de mise à la terre dans le tapis de mise à la terre, allowing each Vcc decoupling capacitor to have its own separate ground via. Le circuit dans la boîte est un filtre à boucle PLL. The first capacitor is directly connected to GND_CP, the second capacitor (in series with an R) is rotated 180 degrees to return to the same GND_CP, Le troisième condensateur est connecté à GNd VCO. Ce schéma de mise à la Terre permet une meilleure performance du système.


Suppression du signal errant PLL par une alimentation électrique et un sol appropriés


Il est difficile de satisfaire aux exigences du masque de spectre de transmission du système 802.11a / B / G. L'indice de linéarité et la consommation d'énergie doivent être équilibrés et une certaine marge doit être réservée pour assurer le respect des normes IEEE tout en maintenant une puissance de transmission suffisante. Et les règlements de fac. Le système IEEE 802.11g a besoin d'une puissance de sortie typique de + 15dbm à l'extrémité de l'antenne et d'un écart de fréquence de - 28dbr à 20mhz. Le rapport de rejet de puissance (ACP) des canaux adjacents dans la bande de fréquences est fonction des caractéristiques linéaires de l'équipement, ce qui est correct pour une application particulière dans certaines conditions. En ajustant les décalages TX IC et pa en fonction de l'expérience et en ajustant les réseaux correspondants de l'étape d'entrée, de l'étape de sortie et de l'étape intermédiaire de PA, une grande partie du travail d'optimisation des caractéristiques de l'ACP dans le canal de transmission peut être réalisée.

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Figure 5: The effect of using a loop filter.


Cependant, tous les problèmes qui ont mené à l'ACPR n'ont pas été attribués aux caractéristiques linéaires de l'équipement. Un bon exemple: après une série de réglages, l'amplificateur de puissance et le pilote Pa (les deux principaux facteurs qui jouent un rôle dans l'ACPR) ont été optimisés. Les caractéristiques des canaux adjacents des émetteurs WLAN ne sont toujours pas à la hauteur des attentes. À ce stade, il convient de noter que le signal errant de l'oscillateur local (lo) dans la boucle verrouillée en phase de l'émetteur peut également réduire les performances de l'ACP. Le signal errant de l'oscillateur local sera mélangé avec le signal modulé de la bande de base et la composante hybride sera amplifiée le long du canal de signal prévu. Cet effet de mélange ne cause des problèmes que si la composante errante du PLL est supérieure à un certain seuil. Lorsque la composante errante du PLL est inférieure à un certain seuil, l'ACP sera principalement limitée par la non - linéarité de l'amplificateur de puissance. Lorsque la puissance de sortie TX et les caractéristiques du masque Spectral sont "linéairement limitées", il est nécessaire d'équilibrer l'exposant linéaire et la puissance de sortie; Si la caractéristique Lo - Stray devient le principal facteur limitant le rendement de l'ACPR, nous serons confrontés à une contrainte « Stray » et le pa devra être décalé à un point de travail plus élevé à un point de vente donné afin de réduire son impact sur l'ACPR, ce qui consommera plus de courant et limitera la flexibilité de conception.


La discussion ci - dessus soulève un autre problème, à savoir comment limiter efficacement la composition errante du PLL à une certaine plage sans affecter le spectre d'émission. Une fois qu'un composant errant est découvert, la première solution qui vient à l'esprit est de réduire la largeur de bande du filtre de boucle PLL pour atténuer l'amplitude du signal errant. Cette approche a été efficace dans de rares cas, mais elle présente également des problèmes potentiels.


La figure 5 montre un scénario hypothétique. On suppose que le synthétiseur divisé par n avec une fréquence relative de 20 MHz est utilisé dans la conception. Si le filtre de boucle est de deuxième ordre, la fréquence de coupure est de 200 kHz, le taux d'atténuation est généralement de 40 dB / Decade et une atténuation de 80 DB peut être obtenue à 20 MHz. Si la composante errante de référence est de - 40 DBC (en supposant un niveau qui pourrait entraîner une composante de modulation nocive), le mécanisme de génération de l'errance peut dépasser la portée du filtre de boucle (l'amplitude peut être très grande si l'errance est générée avant le filtre). La compression de la largeur de bande du filtre de boucle n'améliorera pas les caractéristiques errantes, mais augmentera le temps de verrouillage PLL, ce qui aura un impact négatif important sur le système.


La pratique montre que la méthode la plus efficace pour limiter l'encombrement de la boucle verrouillée en phase est la mise à la terre rationnelle, la disposition de l'alimentation électrique et la technologie de découplage. Le principe de câblage discuté dans cet article est un bon début de conception pour réduire les éléments errants PLL. Compte tenu de la grande variation du courant dans la pompe de charge, il est nécessaire d'adopter la topologie des étoiles. S'il n'y a pas suffisamment d'isolation, le bruit généré par les impulsions de courant sera couplé à l'alimentation électrique du VCO et modulera la fréquence du VCO, communément appelée « traction du VCO ». L'isolement physique entre la ligne électrique et le condensateur de découplage de chaque broche VCC, l'emplacement raisonnable des trous de mise à la terre et l'introduction de composants Ferrites en série (en dernier recours) peuvent améliorer l'isolement. Les mesures ci - dessus ne doivent pas être utilisées dans toutes les conceptions. L'utilisation appropriée de chaque méthode réduira efficacement l'ampleur de l'encombrement.


La figure 6 montre les résultats d'un schéma déraisonnable de découplage de l'alimentation en VCO.. The power supply ripple shows that it is the switching effect of the charge pump that causes strong interference on the power line. Heureusement..., this strong interference can be effectively suppressed by adding bypass capacitors. En outre, if the power supply wiring is unreasonable, Par exemple:, the power lead of the VCO is located just below the charge pump power supply, Le même bruit peut être observé sur l'alimentation VCO, and the generated spurious signals are enough to affect the ACPR characteristics, Même si le découplage est renforcé, the test The result will not be improved. Dans ce cas,, it is necessary to examine the Circuits imprimés Câblage et réarrangement des câbles électriques pour VCO, Améliorer efficacement les caractéristiques errantes et satisfaire aux exigences des spécifications.

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Figure 6: résultats déraisonnables des essais de découplage VCC VCO