Technologie PCB - Méthodes de conception d'alimentation et de mise à la terre pour circuits RF

La disposition de la carte de circuit PCB des circuits de radiofréquence (RF) doit être effectuée sur la base de la compréhension des principes de base de la structure de la carte de circuit, du câblage d'alimentation et de la mise à la terre. Cet article traite des principes de base pertinents et fournit quelques techniques pratiques et éprouvées de câblage d'alimentation, de contournement d'alimentation et de mise à la terre, qui peuvent efficacement améliorer les indicateurs de performance de la conception RF. Considérant que le signal faux PLL dans la conception réelle est très sensible au couplage de puissance, à la mise à la terre et à la position de l'élément filtre, cet article se concentre sur la méthode de suppression du signal faux PLL. Pour illustrer le problème, cet article utilise la mise en page du PCB de l'émetteur-récepteur MAX2827 802.11a/g comme conception de référence.

Figure 1 : Câblage Vcc en topologie étoile

Lors de la conception d'un circuit RF, la conception du circuit d'alimentation et la mise en page de la carte de circuit sont souvent laissées après l'achèvement de la conception du chemin de signal haute fréquence. Pour les conceptions qui n'ont pas été soigneusement examinées, la tension d'alimentation autour du circuit est sujette à des sorties et à des bruits erronés, ce qui affectera davantage les performances du circuit RF. Une distribution raisonnable des couches de PCB, l'utilisation de conduits Vcc de topologie étoile et l'ajout de condensateurs de découplage appropriés à la broche Vcc aideront à améliorer les performances du système et à obtenir les meilleurs indicateurs.

Principes de base du câblage et du bypass

La sage affectation de couche de carte PCB est pratique pour simplifier le traitement du câblage ultérieur. Pour un PCB à quatre couches (une carte de circuit couramment utilisée dans le WLAN), dans la plupart des applications, la couche supérieure de la carte de circuit est utilisée pour placer les composants et les fils RF, et la deuxième couche est utilisée comme la masse du système, la partie d'alimentation est placée sur la troisième couche et toutes les lignes de signal peuvent être distribuées sur la quatrième couche. La disposition continue du plan de masse de la deuxième couche est nécessaire pour établir un trajet de signal RF à impédance contrôlée. Il facilite également la boucle de masse la plus courte possible, et fournit un haut degré d'isolation électrique pour la première et la troisième couches, rendant les deux couches Le couplage entre elles est minimal. Bien sûr, d'autres méthodes de définition de couche de carte peuvent également être utilisées (en particulier lorsque la carte de circuit a un nombre différent de couches), mais la structure ci-dessus est un exemple réussi prouvé.

Figure 2: Changements d'impédance du condensateur à différentes fréquences

Une grande surface de la couche d'alimentation peut rendre le câblage Vcc facile, mais cette structure est souvent un fusible qui provoque une dégradation des performances du système. La connexion de tous les fils d'alimentation ensemble sur un plan plus grand empêchera inévitablement la broche entre les broches. Transmission du bruit. Inversement, si une topologie étoile est utilisée, le couplage entre différentes broches d'alimentation sera réduit. La figure 1 montre le schéma de câblage Vcc pour la connexion étoile, qui est tiré de la carte d'évaluation pour l'émetteur-récepteur IEEE 802.11a/g MAX2826. Sur la figure, un noeud principal Vcc est établi, à partir duquel des lignes d'alimentation de différentes branches sont tirées pour alimenter les broches d'alimentation du IC RF. Chaque broche d'alimentation utilise un fil indépendant pour assurer l'isolation spatiale entre les broches, ce qui est bénéfique pour réduire le couplage entre elles. En outre, chaque plomb a également une certaine inductance parasite, ce qui est exactement ce que nous voulons, et il aide à filtrer le bruit haute fréquence sur la ligne électrique.

Lors de l'utilisation du plomb Vcc topologie étoile, il est également nécessaire de prendre le découplage de puissance approprié, et le condensateur de découplage a une certaine inductance parasite. En fait, le condensateur est équivalent à un circuit RLC connecté en série. Le condensateur joue un rôle de premier plan dans la bande de basse fréquence, mais à la fréquence d'oscillation auto-excitée (SRF):

Après cela, l'impédance du condensateur apparaîtra inductive. On voit que le condensateur n'a un effet de découplage que lorsque la fréquence est proche ou inférieure à sa SRF, et que le condensateur présente une faible résistance à ces fréquences. La figure 2 montre les paramètres typiques de S11 sous différentes valeurs de capacité. De ces courbes, vous pouvez clairement voir le SRF. On voit aussi que plus la capacité est grande, plus la performance de découplage fournie à des fréquences inférieures est meilleure (plus l'impédance présentée est grande). bas).

Il est préférable de placer un condensateur de grande capacité, tel que 2.2μF, au noeud principal de la topologie de l'étoile Vcc. Ce condensateur a une SRF faible, ce qui est très efficace pour éliminer le bruit à basse fréquence et établir une tension continue stable. Chaque broche d'alimentation du IC nécessite un condensateur de faible capacité (tel que 10nF) pour filtrer le bruit haute fréquence qui peut être couplé à la ligne électrique. Pour les broches d'alimentation qui alimentent les circuits sensibles au bruit, deux condensateurs de contournement 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 plage de fréquence plus large de découplage et essayer d'éliminer l'influence du bruit sur la tension d'alimentation. Chaque broche d'alimentation doit être soigneusement inspectée pour déterminer combien de condensateurs de découplage sont nécessaires et à quels points de fréquence le circuit réel est susceptible d'interférences sonores.

La combinaison d'une bonne technologie de découplage de l'alimentation avec une mise en page rigoureuse de PCB et de conduits Vcc (topologie étoile) peut jeter une base solide pour toute conception de système RF. Bien qu'il y ait d'autres facteurs qui réduisent les indicateurs de performance du système dans la conception réelle, avoir une alimentation "sans bruit" est l'élément de base pour optimiser les performances du système.

La mise à la terre et via la conception

La disposition et le plomb de la couche de masse sont également la clé de la conception de la carte de circuit WLAN, ils affecteront directement les paramètres parasites de la carte de circuit et il existe un danger caché de réduire les performances du système. Il n'y a pas de schéma de mise à la terre unique dans la conception de circuits RF. Il existe plusieurs façons d'obtenir des indicateurs de performance satisfaisants dans la conception. Le plan de masse ou le plomb peut être divisé en masse de signal analogique et en masse de signal numérique, et il peut également isoler des circuits avec un courant élevé ou une consommation d'énergie élevée. Selon l'expérience de conception de la carte d'évaluation WLAN dans le passé, l'utilisation d'un plan de terre séparé dans une carte à quatre couches peut obtenir de meilleurs résultats. Avec ces méthodes empiriques, la partie RF est isolée d'autres circuits avec une couche de masse, ce qui permet d'éviter les interférences croisées entre les signaux. Comme mentionné ci-dessus, la deuxième couche de la carte de circuit est généralement utilisée comme plan de masse, et la première couche est utilisée pour placer des composants et des conducteurs RF.

Figure 3 : Modèle caractéristique électrique des vias.

Après avoir déterminé le plan au sol, il est très important de connecter tous les plans de signal au plan au sol dans le trajet le plus court. Les vias sont généralement utilisés pour connecter le fil de masse de la couche supérieure au plan de masse. Il convient de noter que les vias sont inductifs. La figure 3 montre le modèle caractéristique électrique précis du via, où Lvia est l'inductance via et Cvia est la capacité parasite du pad PCB via. Si vous utilisez la technologie de mise en page du sol discutée ici, vous pouvez ignorer la capacité parasitaire. Un trou passant de 1,6 mm de profondeur avec une ouverture de 0,2 mm a une inductance d'environ 0,75 nH, et la réactivité équivalente dans la bande WLAN de 2,5 GHz/5,0 GHz est d'environ 12Ω/24Ω. Par conséquent, une voie de mise à terre ne peut fournir une véritable mise à terre pour le signal RF. Pour les conceptions de cartes de circuit de haute qualité, il convient de prévoir le plus grand nombre possible de voies de masse dans la partie de circuit RF, en particulier pour le sol exposé dans les paquets IC généraux. Pad. Une mauvaise mise à la terre produira également des rayonnements nocifs dans l'extrémité frontale ou la partie d'amplificateur de puissance de réception, réduisant les indicateurs de gain et de chiffre de bruit. Il convient également de noter que la mauvaise soudure du tapis de masse peut causer le même problème. En outre, la consommation d'énergie de l'amplificateur de puissance nécessite également plusieurs vias pour se connecter au plan de masse.

Figure 4. Disposition du composant du filtre PLL en utilisant la carte de conception de référence MAX2827 comme exemple.

Filtrer le bruit d'autres circuits d'étage et supprimer le bruit généré localement, éliminant ainsi les interférences croisées entre les étages à travers la ligne électrique, ce qui est l'avantage du découplage Vcc. Si le condensateur de découplage utilise la même voie de masse, en raison de l'effet d'inductance entre la voie et la masse, les voies à ces points de connexion porteront toutes les interférences RF des deux sources d'alimentation, ce qui non seulement perd la fonction du condensateur de découplage, mais aussi Il fournit également un autre chemin pour le couplage de bruit interétage dans le système.

Comme vous le verrez dans la dernière partie de cet article, la réalisation de PLL fait toujours face à d’énormes défis dans la conception du système. Afin d'obtenir des caractéristiques fausses satisfaisantes, il est nécessaire d'avoir une bonne disposition du fil de masse. Actuellement, tous les PLL et VCO sont intégrés dans la puce en conception IC. La plupart des PLL utilisent la sortie numérique de la pompe de charge de courant pour contrôler le VCO à travers un filtre de boucle. Habituellement, un filtre de boucle RC de deuxième ordre ou de troisième ordre est nécessaire pour filtrer le courant d'impulsion numérique de la pompe de charge pour obtenir la tension de commande analogique. Les deux condensateurs proches de la sortie de la pompe de charge doivent être directement reliés à la masse du circuit de la pompe de charge. De cette manière, le trajet de courant d'impulsion de la boucle de masse peut être isolé et la fréquence d'erreur correspondante dans le LO peut être minimisée. Le troisième condensateur (pour le filtre de troisième ordre) doit être directement relié à la terre du VCO pour empêcher que la tension de commande flotte avec le courant numérique. Si ces principes sont violés, des composants faux considérables se produiront.

La figure 4 montre un example de mise en page de PCB. Il existe de nombreux vias de masse sur le tampon de masse, permettant à chaque condensateur de découplage Vcc d'avoir son propre vias de masse séparés. Le circuit dans la boîte est un filtre de boucle PLL. Le premier condensateur est directement relié à GND_CP, le deuxième condensateur (en série avec un R) est tourné de 180 degrés pour revenir au même GND_CP, et le troisième condensateur est relié à GND_VCO. Ce type de schéma de mise à la terre peut obtenir des performances supérieures du système.

Supprimer les signaux faux PLL avec la puissance et la masse appropriées

Il est difficile dans le processus de conception de répondre aux exigences du système 802.11a/b/g pour transmettre le masque de spectre. L'indice de linéarité et la consommation d'énergie doivent être équilibrés, et une certaine marge doit être réservée pour s'assurer qu'il répond à l'IEEE sous la prémisse de maintenir une puissance d'émission suffisante. et les règlements de la FCC. La puissance de sortie typique requise par le système IEEE 802.11g à l'extrémité de l'antenne est de +15dBm, et l'écart de fréquence est de -28dBr lorsque l'écart de fréquence est de 20MHz. Le rapport de rejet de puissance (ACPR) des canaux adjacents dans une bande de fréquence est fonction des caractéristiques linéaires du dispositif, ce qui est correct pour une application spécifique dans certains locaux. Une grande quantité de travail pour optimiser les caractéristiques ACPR dans le canal de transmission est réalisée en ajustant le biais du IC Tx et de la PA en fonction de l'expérience, et en réglant le réseau d'appariement de l'étape d'entrée, de l'étape de sortie et de l'étape intermédiaire de la PA.

Figure 5: L'effet de l'utilisation d'un filtre de boucle.

Cependant, tous les problèmes qui causent l'ACPR ne sont pas attribués aux caractéristiques linéaires du dispositif. Un bon exemple : après une série de réglages, l'amplificateur de puissance et le pilote PA (deux facteurs qui jouent un rôle majeur dans l'ACPR) sont optimisés. Les caractéristiques des canaux adjacents de l'émetteur WLAN ne peuvent toujours pas atteindre l'indice attendu. À ce moment, il convient de noter que le signal faux provenant de l'oscillateur local (LO) dans la boucle verrouillée en phase de l'émetteur va également dégrader les performances ACPR. Le signal faux du LO sera mélangé avec le signal de bande de base modulé, et la composante mélangée sera amplifiée le long du canal de signal attendu. Cet effet de mélange ne provoquera de problèmes que lorsque le composant faux PLL est supérieur à un certain seuil. Lorsque le composant faux PLL est inférieur à un certain seuil, l'ACPR sera principalement restreint par la non-linéarité de la PA. Lorsque la puissance de sortie Tx et les caractéristiques du masque spectral sont "linéairement limitées", nous devons équilibrer l'indice de linéarité et la puissance de sortie; si les caractéristiques fausses de l'LO deviennent le facteur principal restreignant les performances de l'ACPR, ce que nous devons faire face sera "fausse "Limité", l'AP doit être biaisé à un point de fonctionnement plus élevé sous le POUT spécifié pour réduire son impact sur l'ACPR, ce qui consommera plus de courant et limitera la flexibilité de conception.

La discussion ci-dessus soulève une autre question, c'est-à-dire comment limiter efficacement les composants faux PLL dans une certaine plage de manière à ce qu'ils n'affectent pas le spectre d'émission. Une fois que les composants faux sont trouvés, la première solution qui vient à l'esprit est d'étroitir la bande passante du filtre de boucle PLL afin d'atténuer l'amplitude du signal faux. Cette méthode est efficace dans de rares cas, mais elle présente certains problèmes potentiels.

La figure 5 montre une situation hypothétique. On suppose qu'un synthétiseur divisé par N d'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 200kHz, et le taux de roulement est généralement de 40dB / décennie, l'atténuation de 80dB peut être obtenue à la fréquence de 20MHz. Si la composante spurieuse de référence est -40dBc (en supposant que le niveau de composantes de modulation nocives peut être causé), le mécanisme de génération de la spurieuse peut dépasser la plage du filtre de boucle (si elle est générée avant le filtre, son amplitude peut être très grande). Comprimer la bande passante du filtre de boucle n'améliorera pas les caractéristiques fausses, mais augmentera le temps de verrouillage PLL, ce qui aura un impact négatif significatif sur le système.

L'expérience a prouvé que le moyen le plus efficace de supprimer les espoirs PLL devrait être une mise à la terre raisonnable, une disposition d'alimentation et une technologie de découplage. Les principes de câblage discutés dans cet article sont un bon début de conception pour réduire les composants errants PLL. Étant donné qu'il y a un grand changement de courant dans la pompe de charge, il est très nécessaire d'adopter une topologie étoile. S'il n'y a pas assez d'isolation, le bruit généré par l'impulsion courante sera couplé à l'alimentation du VCO et modulera la fréquence VCO, qui est généralement appelée "traction VCO". Des mesures telles que la séparation physique entre les lignes électriques et les condensateurs de découplage pour chaque broche Vcc, le placement raisonnable des viaux de mise à la terre et l'introduction d'un composant en ferrite 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'amplitude fausse.

La figure 6 donne le résultat d'un schéma de découplage d'alimentation VCO déraisonnable. L'ondulation d'alimentation montre que c'est l'effet de commutation de la pompe de charge qui provoque de fortes interférences sur la ligne électrique. Heureusement, cette forte interférence peut être efficacement supprimée en ajoutant des condensateurs de contournement. En outre, si le câblage d'alimentation est déraisonnable, par exemple, le fil d'alimentation du VCO est situé juste en dessous de l'alimentation de la pompe de charge, le même bruit peut être observé sur l'alimentation du VCO, et les signaux faux générés sont suffisants pour affecter les caractéristiques de l'ACPR, même si le découplage est renforcé, le résultat du test ne sera pas amélioré. Dans ce cas, il est nécessaire d'examiner le câblage des PCB et de réarranger les fils d'alimentation du VCO, ce qui améliorera efficacement les caractéristiques errantes et répondra aux spécifications requises par la spécification.

Figure 6: Résultats des essais de découplage VCC_VCO irraisonnables