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PCBブログ - PCBボードに無線周波数回路とデジタル回路を配置する方法

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PCBボードに無線周波数回路とデジタル回路を配置する方法

2022-01-11
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Author:pcb

これらは、ワイヤレスデジタルオーディオ、デジタルビデオデータ伝送システム、ワイヤレス遠隔制御および遠隔測定システム、ワイヤレスデータ収集システム、ワイヤレスネットワーク、ワイヤレスセキュリティシステムなどの多くの分野で使用される小型PCBボードに統合することができます。シングルチップ無線周波数装置は大いに便利になった

1.デジタル回路とアナログ回路との間の潜在的な衝突アナログ回路(RF)とデジタル回路(マイクロコントローラ)が別々に動作している場合、それらはよく動作しているかもしれないが、一旦同じボードに置かれ、同じ電源を使用すると、システム全体が不安定になる可能性が高い。これは、デジタル信号が常に地電源と正電源の間で揺動しており(サイズは3 V)、周期が非常に短く、通常はnsレベルにあるためです。これらのデジタル信号は、大きな振幅と小さなスイッチング時間のために、スイッチング周波数に依存しない高周波成分を多く含む。アナログ部では、アンテナ同調ループから無線装置の受信部に送信される信号は、通常1°V未満である。したがって、デジタル信号とRF信号との差は10−6(120 dB)となる。明らかに、デジタル信号が無線周波数信号からうまく分離されていない場合、微弱な無線周波数信号が破損し、無線装置の動作性能が悪化し、完全に動作できなくなる可能性がある。

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2.同一PCB上の無線周波数回路とデジタル回路の一般的な問題感受性とノイズ信号線の分離不足は一般的な問題である。上述したように、デジタル信号は高いウォブルを有し、大量の高周波高調波を含む。PCB上のデジタル信号経路が敏感なアナログ信号に隣接している場合、高周波高調波が結合して通過する可能性がある。無線周波数デバイスの敏感なノードは通常、位相同期ループ(PLL)ループフィルタ回路、外部電圧制御発振器(VCO)インダクタンス、結晶参照信号、アンテナ端子であり、回路のこれらの部分を特に注意して処理する必要がある。(1)電源ノイズは入出力信号が数ボルトのウォブルを有するため、デジタル回路は通常、電源ノイズ(50 mV未満)に用いることができる。一方、アナログ回路は電源ノイズに非常に敏感であり、特にバリ電圧と他の高周波高調波である。したがって、RF(またはその他のアナログ)回路を含むPCB上に電源線を配線する場合は、通常のデジタル基板上よりも注意深く、自動配線を避ける必要があります。また、近代的なマイクロコントローラはCMOSプロセス上に設計されているため、マイクロコントローラ(または他のデジタル回路)は内部クロックサイクルごとに短時間で電流の大部分を突然汲み上げることに注意してください。したがって、マイクロコントローラが1 MHzの内部クロック周波数で動作していると仮定すると、その周波数の電源から(パルス)電流が汲み上げられ、適切な電源デカップリングを行わないと、電源ラインに電圧バリが発生することは避けられない。これらの電圧バリが回路無線周波数部の電源ピンに到達すると、深刻な動作失敗を招く可能性があるため、アナログ電源線がデジタル回路領域から分離されていることを確認する必要があります。(2)不合理な接地線RF回路基板には常に接地面が電源に接続された負極があるべきであり、適切に処理しないと、奇妙な行為につながる可能性がある。これは、接地面がなくてもほとんどのデジタル回路がうまく動作するため、デジタル回路設計者には理解しにくいかもしれません。無線周波数帯では、短い電線でもインダクタンスの役割を果たすことができる。大まかに計算すると、ミリ長当たりのインダクタンスは約1 nHで、434 MHzでは10ミリPCB回線のインダクタンスは約27島である。接地面がなければ、ほとんどの接地線は長くなり、回路は設計特性を保証できません。(3)アンテナから他のアナログコンポーネントへの放射は、RFおよび他のコンポーネントを含む回路においてしばしば無視される。無線周波数部分を除いて、ボードには通常他のアナログ回路があります。例えば、多くのマイクロコントローラは、アナログ入力およびバッテリ電圧または他のパラメータを測定するために内蔵されたアナログデジタル変換器(ADC)を有する。RF送信機のアンテナがPCBの近く(または上)にある場合、送信された高周波信号はADCのアナログ入力に到達する可能性がある。どの回路線もアンテナのようにRF信号を送信または受信することができることを忘れないでください。ADC入力が正しく処理されていない場合、RF信号はADC入力のESDダイオード中で自励し、ADCドリフトを引き起こす可能性がある。同じPCB上のRF回路とデジタル回路のソリューションAの下には、ほとんどのRFアプリケーションにおけるいくつかの一般的な設計とルーティング戦略が示されている。しかし、現実的なアプリケーションでは、RFデバイスに従うルーティング提案がより重要である。(1)信頼性の高い接地面RFコンポーネント付きPCBを設計する場合、常に信頼性の高い接地面を使用すること。その目的は、回路内に有効な0 V電位点を構築し、すべてのデバイスが容易に結合解除できるようにすることである。電源の0 V端子はこの接地面に直接接続する必要があります。接地平面の低インピーダンスのため、脱結合された2つのノード間に信号結合は存在しない。これは、ボード上の複数の信号の振幅が120 dB異なる可能性があるため、非常に重要です。表面実装PCBでは、すべての信号配線がアセンブリ実装面の同じ側にあり、接地面が反対側にある。理想的な接地面はPCB全体をカバーしなければならない(アンテナPCBの下を除く)。2層以上のPCBを使用している場合、接地層は信号層に隣接する層(たとえばコンポーネント側の次の層)に配置されている必要があります。もう1つの良い方法は、信号ルーティング層の空の部分を接地面で充填することであり、接地面は複数のビアを介して主接地面に接続しなければならない。なお、接地点の存在によりその隣のインダクタンス特性が変化するため、インダクタンス値の選択とインダクタンスの配置をよく考慮しなければならない。(2)接地層までの接続距離を接地面まで短縮するすべての接続はできるだけ短くしなければならず、接地ビアはアセンブリパッドに置く(または非常に近い)べきである。2つの接地信号が1つの接地ビアを共有することを許可しないでください。これはビア接続インピーダンスによって2つのパッド間のクロストークを引き起こす可能性があるからです。(3)無線周波数デカップリング用デカップリングコンデンサはできるだけピンに近く、デカップリングが必要なピンごとにコンデンサデカップリングを使用しなければならない。高品質のセラミックコンデンサを使用し、媒体タイプは「NPO」、「X 7 R」はほとんどの用途でもよく動作します。直列共振が信号周波数に等しくなるように、理想的なキャパシタ値を選択する必要があります。例えば、434 MHzでは、SMD搭載の100 pFキャパシタが動作します。この周波数では、コンデンサのリアクタンスは約4であり、ビアのリアクタンスは同じ範囲内にある。直列コンデンサとビアは信号周波数用のノッチフィルタを形成し、効率的なデカップリングを実現する。868 MHzでは、33 pFキャパシタが理想的な選択です。RFデオーバーラップ用の小値キャパシタに加えて