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Come posizionare circuiti RF e circuiti digitali su una scheda PCB
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Come posizionare circuiti RF e circuiti digitali su una scheda PCB

Come posizionare circuiti RF e circuiti digitali su una scheda PCB

2022-01-11
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Author:pcb

They can be integrated on a small PCB board and are used in wireless digital audio, digital video data transmission systems, sistemi wireless di telecontrollo e telemetria, sistemi wireless di acquisizione dati, reti wireless e sistemi di sicurezza wireless e molti altri campi.The single-chip radio frequency device greatly facilitates the application in the field of wireless communication within a certain range, e un collegamento di comunicazione wireless completo può essere formato utilizzando.

1. Potential conflicts between digital circuits and analog circuits
If the analog circuit (RF) and the digital circuit (microcontroller) work separately, possono funzionare bene, but once they are placed on the same board and run from the same power supply, è probabile che l'intero sistema sia instabile . This is mainly because the digital signal frequently swings between the ground and the positive power supply (3 V in size), e il periodo è molto breve, often in the ns level. Grazie alla maggiore ampiezza e al minor tempo di commutazione, these digital signals contain a large number of high-frequency components that are independent of the switching frequency. Nella parte analogica, the signal transmitted from the antenna tuning loop to the receiving part of the wireless device is generally less than 1μV. So the difference between the digital signal and the RF signal will be 10-6 (120 dB). Obviously, se il segnale digitale non è ben separato dal segnale a radiofrequenza, the weak radio frequency signal may be damaged, in modo che le prestazioni di funzionamento del dispositivo wireless siano deteriorate, or even completely unable to work.

Scheda PCB

2. Common problems with RF circuits and digital circuits on the same PCB
Insufficient isolation of sensitive and noisy signal lines is a common problem. Come detto sopra, digital signals have high swings and contain a lot of high frequency harmonics. Se il routing del segnale digitale su un PCB è adiacente a segnali analogici sensibili, high frequency harmonics may couple through. Sensitive nodes of RF devices are usually the phase-locked loop (PLL) loop filter circuit, external voltage-controlled oscillator (VCO) inductance, Segnale di riferimento a cristalli e terminali per antenne, e queste parti del circuito devono essere maneggiate con particolare cura.

(1) Power supply noise
Since the input/I segnali di uscita hanno oscillazioni di diversi volt, digital circuits are generally acceptable for power supply noise (less than 50 mV). Circuiti analogici, d'altra parte, are quite sensitive to power supply noise, specialmente tensioni di glitch e altre armoniche ad alta frequenza. Pertanto, the routing of power lines on PCB containing RF (or other analog) circuits must be done more carefully than on ordinary digital boards, and automatic routing should be avoided. It should also be noted that a microcontroller (or other digital circuit) will suddenly draw most of the current for a short period of time during each internal clock cycle, since modern microcontrollers are designed on a CMOS process. Therefore, assuming a microcontroller running at an internal clock frequency of 1 MHz, it will draw (pulse) current from the power supply at this frequency, which will inevitably cause voltage glitches on the power supply line if proper supply decoupling is not taken. Se questi difetti di tensione raggiungono i pin di alimentazione della parte RF del circuito, it may seriously lead to failure of work, quindi deve essere assicurato che le linee elettriche analogiche siano separate dall'area del circuito digitale.

(2) Unreasonable ground wire
RF circuit boards should always have a ground plane connected to the negative side of the power supply, che può causare qualche comportamento strano se non gestito correttamente. This may be difficult for a digital circuit designer to understand because most digital circuits function well even without a ground plane. Nella banda di frequenza RF, even a very short wire can act like an inductance. Calcolo approssimativo, l'induttanza per mm di lunghezza è di circa 1 nH, and the inductance of a 10 mm PCB line a 434 MHz is about 27 Ω. Senza piano di terra, la maggior parte delle linee di terra sarà lunga e il circuito non sarà in grado di garantire le caratteristiche progettuali.

(3) Radiation from the antenna to other analog parts
In circuits containing RF and other parts, questo è spesso trascurato. Besides the RF section, ci sono solitamente altri circuiti analogici sulla scheda. For example, many microcontrollers have built-in analog-to-digital converters (ADCs) for measuring analog inputs as well as battery voltage or other parameters. If the RF transmitter's antenna is located near (or on) this PCB, il segnale ad alta frequenza emesso può raggiungere l'ingresso analogico dell'ADC. Don't forget that any circuit line may send or receive RF signals like an antenna. Se l'input ADC non viene elaborato correttamente, the RF signal may self-excite in the ESD diode of the ADC input, causare la deriva dell'ADC.

3. Solution A with RF circuit and digital circuit on the same PCB
Some general design and routing strategies in most RF applications are given below. However, è più importante seguire le raccomandazioni di routing per i dispositivi RF nelle applicazioni del mondo reale.

(1) A reliable ground plane
When designing a PCB with RF components, a reliable ground plane should always be used. Il suo scopo è quello di stabilire un punto potenziale effettivo 0 V nel circuito, allowing easy decoupling of all devices. Il terminale 0 V dell'alimentazione elettrica deve essere collegato direttamente a questo piano di terra. Due to the low impedance of the ground plane, non ci sarà alcun accoppiamento del segnale tra i due nodi che sono stati disaccoppiati. This is very important as the amplitudes of multiple signals on the board may differ by 120dB. Su un PCB a montaggio superficiale, all signal routing is on the same side of the component mounting surface, e il piano di terra è sul lato opposto. The ideal ground plane should cover the entire PCB (except under the antenna PCB). Se si utilizzano più di due strati di PCB, the ground layer should be placed on the layer adjacent to the signal layer (such as the next layer on the component side). Un altro buon approccio è quello di riempire anche le parti vuote degli strati di routing del segnale con piani di terra, che devono essere collegati al piano di terra principale attraverso più vie. It should be noted that since the existence of the ground point will cause the change of the inductance characteristics next to it, la selezione del valore di induttanza e la disposizione dell'induttanza devono essere attentamente considerati.

(2) Shorten the connection distance to the ground layer
All connections to ground planes must be kept as short as possible, and ground vias should be placed at (or very close to) the component pads. Never allow two ground signals to share a ground via, in quanto questo può causare crosstalk tra i due pad a causa dell'impedenza di connessione via.

(3) RF decoupling
Decoupling capacitors should be placed as close to the pins as possible, and capacitor decoupling should be used at every pin that needs to be decoupled. Utilizzando condensatori ceramici di alta qualità, il tipo dielettrico è "NPO", "X7R" will also work well in most applications. Il valore ideale del condensatore dovrebbe essere scelto in modo che la sua risonanza di serie sia uguale alla frequenza del segnale. For example, at 434 MHz, an SMD mounted 100 pF capacitor will work well. A questa frequenza, the capacitive reactance of the capacitor is about 4 Ω, e la reattività induttiva della via è nello stesso intervallo. The capacitors and vias in series form a notch filter for the signal frequency, consentire un disaccoppiamento efficace. At 868 MHz, Un condensatore 33 pF è la scelta ideale. In addition to the small value capacitor for RF decoupling, un condensatore di grande valore dovrebbe anche essere posizionato sulla linea elettrica per disaccoppiare le basse frequenze. Choose a 2.Condensatore ceramico da 2 μF o tantalio da 10 μF.

(4) Star wiring of power supply
Star wiring is a well-known trick in analog circuit design. Star Wiring - Each module on the board has its own power line from a common power supply point. In questo caso, star routing means that the digital and RF parts of the circuit should have their own power supply lines that should be decoupled separately close to the IC. This is a spacer from a number
Partial and efficient approach to power supply noise from the RF part. If a module with severe noise is placed on the same circuit board, an inductor (magnetic bead) or a small-value resistor (10 Ω) can be connected in series between the power line and the module, e un condensatore al tantalio di almeno 10 μF deve essere utilizzato per questi. Power supply decoupling for the module. Tali moduli sono driver RS 232 o regolatori di potenza di commutazione.

(5) Reasonable arrangement of PCB board layout
In order to reduce the interference from the noise module and the surrounding analog parts, il layout di ogni modulo del circuito sulla scheda è importante. Sensitive modules (RF section and antenna) should always be kept away from noisy modules (microcontroller and RS 232 driver) to avoid interference.

(6) Shield the influence of RF signal on other analog parts
As mentioned above, RF signals can interfere with other sensitive analog circuit blocks such as ADCs when transmitted. Most problems occur in lower operating frequency bands (eg 27 MHz) and high power output levels. It is a good design practice to decouple sensitive points with RF decoupling capacitors (100p F) connected to ground.

(7) Special Considerations for On-Board Loop Antennas
The antenna can be made on the PCB as a whole. Compared with the traditional whip antenna, non solo risparmia spazio e costi di produzione, but also is more stable and reliable in mechanism. Convenzionalmente, loop antenna designs are used for relatively narrow bandwidths, che aiutano a sopprimere forti segnali indesiderati dall'interferenza con il ricevitore. It should be noted that loop antennas (like all other antennas) may receive noise capacitively coupled from nearby noisy signal lines. Interferisce con il ricevitore e può anche influenzare la modulazione del trasmettitore. Therefore, Le linee di segnale digitale non devono essere instradate vicino all'antenna, and it is recommended to keep free space around the antenna. Qualsiasi cosa vicina all'antenna farà parte della rete di sintonizzazione, causing the antenna to tune away from the intended frequency, reducing the transmit and receive radiation range (distance). This fact must be noted for all types of antennas, the enclosure (peripheral packaging) of the circuit board may also affect the antenna tuning. Allo stesso tempo, prestare attenzione alla rimozione del piano di terra nell'area dell'antenna, otherwise the antenna will not work effectively.


4 Conclusion
The rapidly developing radio frequency integrated circuits provide the possibility for engineers and technicians engaged in the design of wireless digital audio and video data transmission systems, telecomando wireless, telemetry systems, wireless data acquisition systems, wireless networks and wireless security systems to solve the bottleneck of wireless applications. . At the same time, the design of RF circuits requires designers to have certain practical experience and engineering PCB board design capabilities.