Come posizionare circuiti RF e circuiti digitali su una scheda PCB

Possono essere integrati su una piccola scheda PCB e sono utilizzati in audio digitale wireless, sistemi di trasmissione dati video digitali, sistemi wireless di telecontrollo e telemetria, sistemi wireless di acquisizione dati, reti wireless e sistemi di sicurezza wireless e molti altri campi. Il dispositivo a radiofrequenza singolo-chip facilita notevolmente l'applicazione nel campo della comunicazione wireless all'interno di una certa gamma, e un collegamento di comunicazione wireless completo può essere formato utilizzando.

1.Potenziali conflitti tra circuiti digitali e circuiti analogici

Se il circuito analogico (RF) e il circuito digitale (microcontrollore) funzionano separatamente, possono funzionare bene, ma una volta posizionati sulla stessa scheda ed eseguiti dallo stesso alimentatore, è probabile che l'intero sistema sia instabile. Ciò è principalmente perché il segnale digitale oscilla frequentemente tra la terra e l'alimentazione positiva (3 V di dimensione), e il periodo è molto breve, often in the ns level. Grazie alla maggiore ampiezza e al minor tempo di commutazione, Questi segnali digitali contengono un gran numero di componenti ad alta frequenza indipendenti dalla frequenza di commutazione. Nella parte analogica, il segnale trasmesso dal loop di sintonizzazione dell'antenna alla parte ricevente del dispositivo wireless è generalmente inferiore a 1μV. Quindi la differenza tra il segnale digitale e il segnale RF sarà 10-6 (120 dB). Ovviamente, se il segnale digitale non è ben separato dal segnale a radiofrequenza, il segnale radio debole può essere danneggiato, in modo che le prestazioni di funzionamento del dispositivo wireless siano deteriorate, o addirittura completamente incapace di funzionare.

2.Problemi comuni con circuiti RF e circuiti digitali sullo stesso PCB

Un problema comune è l'insufficiente isolamento delle linee di segnale sensibili e rumorose. Come detto sopra, i segnali digitali hanno oscillazioni elevate e contengono molte armoniche ad alta frequenza. Se il routing del segnale digitale su un PCB è adiacente a segnali analogici sensibili, le armoniche ad alta frequenza possono accoppiarsi. I nodi sensibili dei dispositivi RF sono solitamente il circuito del filtro loop (PLL), induttanza esterna dell'oscillatore a tensione controllata (VCO), Segnale di riferimento a cristalli e terminali per antenne, e queste parti del circuito devono essere maneggiate con particolare cura.

(1) Rumore dell'alimentazione elettrica

Poiché gli input/I segnali di uscita hanno oscillazioni di diversi volt, i circuiti digitali sono generalmente accettabili per il rumore dell'alimentazione (inferiore a 50 mV). I circuiti analogici, d'altra parte, sono abbastanza sensibili al rumore dell'alimentazione elettrica, specialmente tensioni di glitch e altre armoniche ad alta frequenza. Pertanto, il routing delle linee elettriche su PCB contenenti circuiti RF (o altri analogici) deve essere fatto più attentamente che su schede digitali ordinarie e il routing automatico dovrebbe essere evitato. Va anche notato che un microcontrollore (o altro circuito digitale) attirerà improvvisamente la maggior parte della corrente per un breve periodo di tempo durante ogni ciclo di clock interno, dal momento che i microcontrollori moderni sono progettati su un processo CMOS. Pertanto, supponendo che un microcontrollore funzioni ad una frequenza interna di clock di 1 MHz, attingerà corrente (impulso) dall'alimentazione elettrica a questa frequenza, che inevitabilmente causerà problemi di tensione sulla linea di alimentazione se non viene preso un corretto disaccoppiamento dell'alimentazione. Se questi difetti di tensione raggiungono i pin di alimentazione della parte RF del circuito, può seriamente portare al fallimento del lavoro, quindi deve essere assicurato che le linee elettriche analogiche sono separate dall'area del circuito digitale.

(2) Filo di terra irragionevole

I circuiti stampati RF devono sempre avere un piano di terra collegato al lato negativo dell'alimentazione elettrica, che può causare qualche comportamento strano se non gestito correttamente. Questo può essere difficile per un progettista di circuiti digitali da capire perché la maggior parte dei circuiti digitali funziona bene anche senza un piano di terra. Nella banda di frequenza RF, anche un filo molto corto può agire come un'induttanza. L'induttanza di una linea PCB da 10 mm a 434 MHz è di circa 27 Ω. Senza piano di terra, la maggiore parte delle linee di terra sarà lunga e il circuito non sarà in grado di garantire le caratteristiche progettuali.

(3) Radiazione dall'antenna ad altre parti analogiche

In circuiti contenenti RF e altre parti, questo è spesso trasculato. Oltre alla sezione RF, ci sono solo altri circuiti analogici sulla scheda. Ad esempio, molti microcontrollori dispongono di convertitori analogici (ADC) integrati per misurare ingressi analogici, nonché la tensione della batteria o altri parametri. Se l'antenna del trasmettitore RF si trova vicino (o su) questo PCB, il segnale ad alta frequenza può raggiungere l'ingresso analogico dell'ADC. Non dimenticare che qualsiasi linea di circuito può inviare o ricevere segnali RF come un'antenna. Se l'ingresso ADC non viene elaborato correttamente, il segnale RF può auto-eccitarsi nel diodo ESD dell'ingresso ADC, causa la derivata dell'ADC.

3.Soluzione A con circuito RF e circuito digitale sullo stesso PCB

Alcune strategie generali di progettazione e routing nella maggior parte delle applicazioni RF sono riportate di seguito. Tuttavia, è più importante seguire le raccomandazioni di routing per i dispositivi RF nelle applicazioni del mondo reale.

(1) Un piano di terra affidabile

Quando si progetta un PCB con componenti RF, dovrebbe sempre essere utilizzato un piano di terra affidabile. Il suo scopo è quello di stabilizzare un punto potenziale efficace 0 V nel circuito, consentendo un facile disaccoppiamento di tutti i dispositivi. Il terminale 0 V dell'alimentazione elettrica deve essere collegato direttamente a questo piano di terra. A causa della bassa impedenza del piano di terra, non ci sarà alcun alloggio del segnale tra i due nodi che sono stati disaccoppiati. Questo è molto importante in quanto le ampiezze di più segnali sulla scheda possono differire di 120dB. Su un PCB a montaggio superficiale, l'instradamento del segnale è sullo stesso lato della superficie di montaggio del componente, e il piano di terra è sul lato opposto. Il piano di terra ideale dovrebbe coprire l'intero PCB (eccetto sotto il PCB dell'antenna). Se si utilizza più di due strati di PCB, lo strato di terra deve essere posizionato sullo strato adiacente allo strato di segnale (come lo strato successivo sul lato componente). Un altro buon approccio è quello di recuperare anche le parti desiderate degli strati di routing del segnale con piani di terra, che devono essere collegati al piano di terra principale attraverso più vie. Va notato che poiché l'esistenza del punto di terra causerà il cambiamento delle caratteristiche di induttanza accanto ad esso, la selezione del valore di induttanza e la disposizione dell'induttanza devono essere attentamente considerati.

(2) accorciare la distanza di connessione allo strato di terra

Tutti i collegamenti con i piani di terra devono essere mantenuti il più brevi possibile e i vias di terra devono essere posizionati presso (o molto vicini) i cuscinetti dei componenti. Non permettere mai a due segnali di terra di condividere un terreno via, in quanto questo può causare crosstalk tra i due pad a causa dell'impedenza di connessione via.

(3) disaccoppiamento RF

I condensatori di disaccoppiamento dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile ai pin e il disaccoppiamento dei condensatori dovrebbe essere utilizzato ad ogni pin che deve essere disaccoppiato. Utilizzando condensatori ceramici di alta qualità, il tipo dielettrico è "NPO", "X7R" funzionerà bene anche nella maggior parte delle applicazioni. Il valore ideale del condensatore deve essere scelto in modo che la sua risonanza di serie sia uguale alla frequenza del segnale. Ad esempio, a 434 MHz, un condensatore da 100 pF montato SMD funzionerà bene. A questa frequenza, la reattività capacitiva del condensatore è di circa 4 Ω, e la reattività induttiva della via è nello stesso intervallo. I condensatori e i vias in serie formano un filtro notch per la frequenza del segnale, consentendo un disaccamento efficace. A 868 MHz, Un condensatore 33 pF è la scelta ideale. Oltre al condensatore di piccolo valore per disaccoppiamento RF, un condensatore di grande valore dovrebbe anche essere posizionato sulla linea elettrica per eliminare le basse frequenze. Scegli un 2.Condensatore ceramico da 2 μF o tanto da 10 μF.

(4) Cablaggio a stella dell'alimentazione elettrica

Il cablaggio a stella è un trucco ben noto nella progettazione di circuiti analogici. Star Wiring - Ogni modulo sulla scheda ha la propria linea di alimentazione da un punto di alimentazione comune. In questo caso, il routing stellare significa che le parti digitali e RF del circuito dovrebbero avere le proprie linee di alimentazione che dovrebbero essere disaccoppiate separatamente vicino all'IC. Questo è un distanziatore da un numero

Approccio parziale ed efficiente al rumore dell'alimentazione elettrica dalla parte RF. Se un modulo con forte rumore è posizionato sullo stesso circuito stampato, un induttore (perlina magnetica) o una resistenza di piccolo valore (10 Ω) può essere collegato in serie tra la linea elettrica e il modulo, e un condensatore al tanto di almeno 10 μF deve essere utilizzato per questi. Separazione dell'alimentazione elettrica per il modulo. Tali moduli sono driver RS 232 o regolatori di potenza di commutazione.

(5) Disposizione ragionevole del layout della scheda PCB

Al fine di ridurre le interferenze del modulo noise e delle parti analogiche circostanti, il layout di ogni modulo del circuito sulla scheda è importante. I moduli sensibili (sezione RF e antenna) devono essere sempre tenuti lontani da moduli rumorosi (microcontrollore e driver RS 232) per evitare interferenze.

(6) Scudo l'influenza del segnale RF su altre parti analogiche

Come accennato in precedenza, i segnali RF possono interferire con altri blocchi di circuiti analogici sensibili come ADC quando trasmessi. La maggior parte dei problemi si verificano nelle bande di frequenza di funzionamento più basse (es. 27 MHz) e nei livelli di uscita di alta potenza. È una buona pratica progettuale disaccoppiare i punti sensibili con condensatori di disaccoppiamento RF (100p F) collegati a terra.

(7) Considerazioni speciali per antenne loop a bordo

L'antenna può essere fatta sul PCB nel suo complesso. Rispetto alla tradizionale antenna whip, non solo risparmia spazio e costi di produzione, ma è anche più stabile e affidabile nel meccanismo. Convenzionale, progettazione di antenne loop.

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Conclusione

I circuiti integrati a radiofrequenza in rapido sviluppo offrono la possibilità per ingegneri e tecnici impegnati nella progettazione di sistemi di trasmissione dati digitali wireless audio e video, telecomunicazioni wireless, sistemi di telemetria, sistemi di acquisizione dati wireless, reti wireless e sistemi di sicurezza wireless per risolvere il collo di bottiglia delle applicazioni wireless. Allo stesso tempo, la progettazione di circuiti RF richiede ai progettisti di avere certa esperienza pratica e capacità di progettazione di schede PCB ingegneristiche.