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PCBボード上のRF回路とデジタル回路の配置方法
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PCBボード上のRF回路とデジタル回路の配置方法

2022-01-11
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Author:pcb

彼らは小さな上に統合することができます PCBボード 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, 無線遠隔制御と遠隔測定システム, 無線データ収集システム, 無線ネットワークと無線セキュリティシステムと他の多くの分野.シングルチップ無線周波数デバイスは、非常に容易にする, そして、使用して完全な無線通信リンクを形成することができる.

1. Potential conflicts between digital circuits and analog circuits
If the analog circuit (RF) and the digital circuit (microcontroller) work separately, 彼らはうまく働くかもしれない, しかし、一旦彼らが同じボードに置かれて、同じ電源から動くならば, システム全体が不安定になりそうです . This is mainly because the digital signal frequently swings between the ground and the positive power supply (3 V in size), そして、期間は非常に短いです, しばしばNSレベルで. 大きい振幅とより小さいスイッチング時間のため, これらのデジタル信号は、スイッチング周波数に依存しない多数の高周波成分を含む. アナログ部分で, アンテナ・チューニング・ループから無線デバイスの受信部まで送信される信号は、一般に、1×1/4 V/cm 2以下である. So the difference between the digital signal and the RF signal will be 10-6 (120 dB). 明らかに, デジタル信号が無線周波信号から十分に分離されない場合, 弱い無線周波数信号は損傷し得る, 無線デバイスの作業性能が悪化するように, あるいは完全に働くことができない.

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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. 上記の通り, デジタル信号は高い揺れを持ち、多くの高周波数高調波を含んでいる. PCB上のデジタル信号ルーティングが敏感なアナログ信号に隣接するなら, 高周波数高調波. Sensitive nodes of RF devices are usually the phase-locked loop (PLL) loop filter circuit, external voltage-controlled oscillator (VCO) inductance, クリスタルリファレンス信号とアンテナ端子, そして、回路のこれらの部分は、特別な注意で扱われなければなりません.

(1) Power supply noise
Since the input/出力信号は数ボルトの揺れを有する, digital circuits are generally acceptable for power supply noise (less than 50 mV). アナログ回路, 一方で, 電源ノイズに非常に敏感です, 特にグリッチ電圧と他の高周波数高調波. したがって, the routing of power lines on PCB containing RF (or other analog) circuits must be done more carefully than on ordinary digital boards, と自動ルーティングを避ける必要があります. 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, 最新のマイクロコントローラはCMOSプロセスで設計されているので. したがって, 1 MHzの内部クロック周波数で動作するマイクロコントローラを想定する, it will draw (pulse) current from the power supply at this frequency, 適切な供給デカップリングが取られないならば、それは必然的に電源線上の電圧不具合を引き起こすでしょう. これらの電圧不具合が回路のRF部分の電源ピンに到達するならば, それは仕事の失敗に真剣につながるかもしれない, 従って、アナログ電力線はデジタル回路領域から分離されることが保証されなければならない.

(2) Unreasonable ground wire
RF circuit boards should always have a ground plane connected to the negative side of the power supply, 正しく処理されなければ、奇妙な動作を起こすことがある. これは、デジタル回路設計者が理解するのは、ほとんどのデジタル回路が接地面なしでさえ機能するので、理解することができるかもしれない. RF周波数帯, 非常に短い線でさえ、インダクタンスのように行動することができる. 概算, 長さ1 mmあたりのインダクタンスは約1 nHである, そして、434 MHzの10 mmのPCBラインのインダクタンスは、約27. 地面なしで, ほとんどの接地線は長く、回路は設計特性を保証できない.

(3) Radiation from the antenna to other analog parts
In circuits containing RF and other parts, これはしばしば見落とされる. RF部以外, 通常、ボード上の他のアナログ回路があります. 例えば, 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, 放出された高周波信号は、ADC. どんな回線でもアンテナのようなRF信号を送ったり受信したりすることを忘れないでください. ADC入力が適切に処理されないなら, RF信号は、ADC入力のESDダイオードにおいて自己励起することができる, ADCをドリフトさせる.

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. しかし, 実世界アプリケーションにおけるRFデバイスのルーティング勧告に従うことがより重要である.

(1) A reliable ground plane
When designing a PCB with RF components, 信頼性の高いグラウンドプレーンを常に使用する必要があります. その目的は、回路10に有効な0 V電位点を確立することである, すべてのデバイスの簡単なデカップリングを許す. 電源の0 V端子は、このグランドプレーンに直接接続されるべきである. 地面の低いインピーダンスのために, 切り離された2つのノードの間の信号結合はありません. これは、ボード上の多重信号の振幅が120 dB. 表面実装PCB, すべての信号ルーティングは、コンポーネント実装面の同じ側にあります, 地面は反対側にある. The ideal ground plane should cover the entire PCB (except under the antenna PCB). つ以上の層のPCBが使われるならば, the ground layer should be placed on the layer adjacent to the signal layer (such as the next layer on the component side). 別の良いアプローチは、また、接地面で信号ルーティング層の空の部分を埋めることである, 複数のビアを介してメイングランドプレーンに接続しなければならない. 接地点の存在は、それに続くインダクタンス特性の変化を引き起こすことに留意されたい, インダクタンス値の選択とインダクタンスの配置を注意深く考慮しなければならない.

(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. つのグランド信号を介してグランドを共有することはない, これは、ビア接続インピーダンスに起因する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.

(3) RF decoupling
Decoupling capacitors should be placed as close to the pins as possible, そして、コンデンサ分離は、切り離される必要があるあらゆるピンで使われるべきです. 高品質セラミックコンデンサの使用, 誘電体タイプは, ほとんどのアプリケーションでも. 理想的なコンデンサ値は、その直列共振が信号周波数に等しいように選択されるべきである. 例えば, 434 MHzで, 100 pFコンデンサを搭載したSMD. この周波数で, コンデンサの容量性リアクタンスは約4, そして、ビアの誘導リアクタンスは、同じ範囲にある. コンデンサ及びビアは、信号周波数用のノッチフィルタを直列に形成する, 有効なデカップリングの可能化. 868 MHzで, 33 pFコンデンサは理想的な選択である. RFデカップリングのための小値コンデンサに加えて, また、低周波数を分離するために、電力線に大きな値のコンデンサを配置する必要がある. を選択.セラミックまたは10 mg/fのタンタルコンデンサ.

(4) Star wiring of power supply
Star wiring is a well-known trick in analog circuit design. スター配線-ボード上の各モジュールは、共通の電源ポイントから独自の電源ラインを持っています. この場合は, STARルーティングは、回路のデジタル部分とRF部分がICに近接して分離されなければならない独自の電源線を有するべきであることを意味する. This is a spacer from a number
Partial and efficient approach to power supply noise from the RF part. もし、同じ回路基板上に厳しいノイズがあるモジュールを置くなら, an inductor (magnetic bead) or a small-value resistor (10 Ω) can be connected in series between the power line and the module, そして、これらのために少なくとも10. モジュールの電源分離. そのようなモジュールはRS 232ドライバまたはスイッチング電源レギュレータである.

(5) Reasonable arrangement of PCBボード layout
In order to reduce the interference from the noise module and the surrounding analog parts, 基板上の各回路モジュールのレイアウトは重要である. 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信号は、送信されたとき、ADCのような他の敏感なアナログ回路ブロックと干渉することができる. 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. 従来のホイップアンテナと比較して, スペースと生産コストを節約するだけではない, しかし、より安定して信頼性の高いメカニズムです. 従来, ループアンテナ設計は比較的狭い帯域幅に使用される, これは、受信機と干渉しない不要な強い信号を抑制するのを助ける. It should be noted that loop antennas (like all other antennas) may receive noise capacitively coupled from nearby noisy signal lines. それは受信機に干渉し、送信機の変調にも影響を与え得る. したがって, デジタル信号線はアンテナの近くでルーティングされてはならない, そしてそれはアンテナの周りの空き領域を維持することをお勧めします. アンテナの近くの何でも、チューニングネットワークの一部を形成します, アンテナを意図した周波数から遠ざけるようにする, reducing the transmit and receive radiation range (distance). この事実は、すべてのタイプのアンテナについて注意しなければならない, the enclosure (peripheral packaging) of the circuit board may also affect the antenna tuning. 同時に, アンテナ領域の接地面を除去するために留意すべきである, さもなければ、アンテナは効果的に働かないでしょう.


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, 無線遠隔制御, テレメトリシステム, 無線データ収集システム, 無線アプリケーションのボトルネックを解決するための無線ネットワークと無線セキュリティシステム. . 同時に, RF回路の設計は、設計者に特定の実際的な経験と工学を有することを必要とする PCBボード 設計能力.