PCBブログ - 携帯電話RF RF PCBボードレイアウトと配線の経験概要

Radio frequency (RF) プリント回路基板 デザインは、その理論的な不確かさのために「黒い芸術」としばしば記述されます, しかし、このビューは部分的にのみ, そして、無視された規則に従うことができて、なければならないRF回路基板設計のための多くのガイドラインが、あります. しかし, 実際のデザインになると, 実際のトリックは、これらのガイドラインと法律を妥協する方法. もちろん, 議論する価値がある多くの重要なRFデザイントピックがあります, インピーダンスとインピーダンス整合を含むこと, 絶縁層材料及び積層体, 波長と定在波, それで、これらは携帯電話のEMCとEMIに大きな影響を及ぼします. The conditions that must be met when designing an RF layout are summarized:

1. The high power RF amplifier (HPA) と low noise amplifier (LNA) should be separated
To isolate the high power RF amplifier (HPA) and the low noise amplifier (LNA) as much as possible, 単に高電力RF送信回路を低電力RF受信回路から離す. 携帯電話には多くの機能と多くのコンポーネントがあります, でも PCBボード スペースは小さい, 配線設計プロセスの限界を考える, これらは比較的高いデザインスキルを必要とする. この時に, 4層から6層を設計する必要があるかもしれない PCBボード, そして、同時に働く代わりに交互に働くようにしましょう. High power circuits may also sometimes include RF buffers and voltage controlled oscillators (VCOs). ビアなしでPCB上のハイパワー領域に少なくとも1つのグランドがあることを確認してください. もちろん, より多くの銅, より良い. 高感度アナログ信号は、高速デジタルおよびRF信号からできるだけ遠くに保たれるべきである.

2. 物理分割, electrical partition
Design partitions can be broken down into physical and electrical partitions. 物理的パーティションは主にコンポーネント配置のような問題を含んでいる, 方位, シールド電気分配は、配電のために分割され続けられることができます, RFトレース, 高感度回路と信号, 接地.

2.1物理的分割について議論する.
コンポーネント配置はRF設計を実現するための鍵である. 効果的なテクニックは、RF経路に位置するコンポーネントを最初に修正し、RF経路の長さを最小にするために、それらの向きを調整することである, 入力を出力から離しておく, そして、可能な限りコンポーネントを分離する. 電力回路と低消費電力回路. An effective board stacking method is to arrange the main ground plane (main ground) on the second layer below the surface layer, そして、可能な限り、表面層上のRFラインを実行する. RF経路上のビア・サイズを減らすことは、経路インダクタンスを減らすだけでなく, しかし、また、主な地面のゴーストはんだ接合を減らして、スタックの範囲内で他の領域にリークしているRFエネルギーの機会を減らす. 物理空間内, 多段増幅器のような線形回路は、通常、複数のRFゾーンを互いに分離するのに十分である, デュープ, ミキサー, アンプなら/ミキサーは常に複数のRFを持つ/IFSシグナルが互いに干渉する, だから、この効果を最小限に抑えるために注意しなければならない.

2.2 RFとIFトレースは、できるだけ交差しなければなりません, そして、地面は可能な限りそれらの間に間隔を置かれるべきです.
正しいRFパスは、PCB全体の性能に非常に重要である, コンポーネントの配置は、通常、携帯電話のPCB設計のほとんどの時間を占めている理由です. 携帯電話のデザインで PCBボード, 低雑音増幅回路は、通常、1の一方の側に配置することができる PCBボード, そして、高出力増幅器は、反対側に置かれることができます, そして、それらは最終的に、デュプレクサを通して、同じ側のRF端部およびベースバンド処理に接続される. 装置のアンテナについて. 若干のトリックは、まっすぐなビアがボードの一方の側からもう一方までRFエネルギーを転送しないことを確実とするのを要求されます, そして、一般的なテクニックは、両側にブラインドバイアを使用することです. PCBの両側がRF干渉を含まない領域において直線貫通ビアを配置することによって、直線貫通ビアの有害効果を最小限にすることができる. 時々、それは多重回路ブロック間の十分な絶縁を確実にすることができない, その場合、RF領域でRFエネルギーを遮蔽するために金属シールドを使用することを考慮する必要がある. 金属シールドは地面にはんだ付けされなければならなくて、構成要素から保たれなければなりません. 適切な距離, このように価値がある PCBボード space. シールドカバーの整合性をできるだけ確保することは非常に重要である. 金属遮蔽カバーに入るデジタル信号線は、できるだけなるべく内側の層に行くべきです, and the PCBボード 配線層の下はグランド層である. RF信号線は、金属シールドの底部の小さなギャップとグラウンドギャップの配線層から出ることができる, しかし、できるだけ多くの地面がギャップの周りに分配されるべきです, そして、異なるレイヤーの上のグランドは、複数のビア .

2.3適切で効果的なチップパワーデカップリングも非常に重要です.
集積線形線を有する多くのRFチップは、電源からのノイズに非常に敏感である, 典型的には、最大4つのキャパシタと1チップあたりの絶縁インダクタを必要とし、全ての電源ノイズをフィルタリングする. 集積回路または増幅器は、しばしばオープンドレイン出力を有する, したがって、プルアップインダクタは、高インピーダンスRF負荷および低インピーダンスDC供給を提供するために必要である. 同じインダクタの側での供給を分離するのと同じ原理が適用される. いくつかのチップは仕事に複数の電源を必要とする, それで、あなたは別々にそれらを切り離すために2～3セットのコンデンサとインダクタを必要とするかもしれません, インダクタは、並列に一緒にめったに閉じられない, これは、空気コア変圧器を作成し、互いの信号との干渉を誘発する, それで、それらの間の距離は、少なくとも装置の1つの高さでなければなりません, または、それらは相互インダクタンスを減少させるために直角に配置されるべきである.

2.4電気的分割の原則は一般に物理的分割と同じである, しかし、いくつかの他の要因が関与.
電話のある部分は異なる電圧で動作し、バッテリ寿命を延長するためにソフトウェアによって制御される. これは、電話が複数の電源で動く必要があることを意味します, 分離の問題を引き起こす. 電源は、通常、コネクタに持ち込まれて、スイッチまたは電圧レギュレータのセットを通して分配される前に、ボードの外側からどんな雑音でも除外するために、直ちに切り離されます. 携帯電話PCBの大部分の回路は、かなり小さなDC電流を有する, したがって、幅は通常問題ではありません, しかし, 送信電圧降下を最小化するために、高電力増幅器の電源のために可能な限り広い個別の高電流トレースを実行しなければならない. 過大な損失を避ける, つの層から別の層へ電流を流すのに、複数のビアが必要である. Additionally, 高出力増幅器がその電源ピンで十分に切り離されないならば, 高パワーノイズは、基板全体に放射され、様々な問題を引き起こす. 高出力増幅器の接地は重要であり、しばしば金属シールドを必要とする. ほとんどの場合, RF出力がRF入力から遠ざかるようにすることも重要である. これは増幅器にも当てはまる, バッファとフィルタ. 最悪の場合, 増幅器およびバッファは、それらの出力が適切な位相および振幅で入力にフィードバックされる場合、自己発振する可能性を有する. とにかく, それらは任意の温度および電圧条件下で安定に動作する. 事実上, それらは不安定になり、RF信号にノイズおよび相互変調信号を加えることができる. RF信号線がフィルタの入力から出力までループバックされなければならない場合, これはフィルタの帯域通過特性を重大に損なうことができる. 入出力間の良好な分離を得るために, ファースト, 地面はフィルタの周りに置かなければならない, 二番目に, グランドはフィルタの下部の領域に置かれて、フィルタのまわりの主な地面に接続しなければなりません. また、可能な限りフィルタピンから遠くにフィルタを通過する必要がある信号線を維持するのも良い考えです. Also, ボードのどこにでも接地に注意してください, または結合チャネルを紹介します. 時々、シングルエンドまたはバランスRF信号ラインを選択することができます, とクロス干渉とEMCに関する同じ原則/ここに適用. バランスのよいRF信号線は、彼らが正しく発送されるならば、雑音と交差干渉を減らすことができます, しかし、彼らのインピーダンスは通常高い, そして、ソースに一致するインピーダンスを得るために合理的な線幅を維持しなければならない, トレース, と負荷. 実際の配線はいくつかの困難があるかもしれません. それが2つの部品に同じシグナルを分割して、異なる回路を駆動するためにそれを使うことができるので、バッファは分離を改良するのに用いられることができます, 特にLOが複数のミキサを駆動するバッファを必要とする場合. ミキサがRF周波数でコモンモード分離に達すると, 正しく機能しない. 回路が互いに干渉しないように、バッファは異なる周波数でインピーダンス変化を分離するのによい. バッファーは、デザインの大きな助けです, 彼らは、駆動される必要がある回路の直後に置かれることができます, 高出力出力トレースが非常に短いように, バッファの入力信号レベルが比較的低いので, だから、ボード上の他の回路の影響を受けにくい. 干渉を起こす回路. Voltage Controlled Oscillators (VCOs) convert changing voltages to changing frequencies, 高速チャネルスイッチングに用いる特徴, しかし、制御電圧に少量のノイズを小さな周波数変化に変換する, RF信号にノイズを加える.

2.5ノイズが追加されることを保証するために, the following aspects must be considered:
First, 制御ラインの所望の帯域幅は、DC, そして、そのような広いバンドのノイズを除去するフィルタリングはほとんど不可能である二番目, VCO制御線は、通常、周波数を制御するフィードバックループの一部である, どこにでもたくさんの雑音がある, したがって、VCO制御線は、慎重に扱わなければなりません. RFトレースの下の地面がしっかりしていることを確認し、すべてのコンポーネントが主グラウンドにしっかりと接続され、ノイズを導入することができる他のトレースから分離される. 加えて, VCOの電源が適切に分離されることを確認する, VCOのRF出力は比較的高いレベルである傾向があるので, VCO出力信号は他の回路と容易に干渉することができる, 従って、VCOに特別な注意を払わなければならない. 事実上, VCOはRF領域の端部に配置されることが多い, そして時々金属シールドを必要とする. The resonant circuit (one for the transmitter and the other for the receiver) is related to the VCO, しかし、それ自身の特徴も. 簡単に言えば, 共振回路は、VCO動作周波数を設定し、RF信号に音声またはデータを変調するのに役立つ容量ダイオードを有する並列共振回路である. すべてのVCO設計原理は共振回路に等しく適用される. 共振回路は、部品のかなりの数のためにしばしばノイズに非常に敏感である, ボード上の広い分布, そして、通常、非常に高いRF周波数で動作する. シグナルは、チップの隣接するピンに、通常配置される, しかし、これらの信号ピンは、比較的大きなインダクタおよびコンデンサ, 順番にこれらのインダクタおよびコンデンサが近くに位置し、ノイズに敏感な制御ループに接続される必要がある. これをするのは簡単ではない. The automatic gain control (AGC) amplifier is also a problem-prone place, そして、送受信回路の両方にAGC増幅器がある. AGC増幅器は通常、ノイズを除去するのに有効である, しかし、携帯電話の能力のために送信され、受信信号強度の急速な変化を処理するためて, AGC回路は、かなり広い帯域幅を有することを要求される, これは、いくつかの臨界回路雑音でAGC増幅器を導入することを容易にする. AGCラインを設計するとき、良いアナログ回路設計技術は従わなければなりません, そして、これは非常に短いオペアンプオペアンプ入力ピンと非常に短いフィードバック経路と関係があります, どちらもRFから遠ざけなければならない, IF, または高速デジタル信号トレース.
Also, 良い接地が不可欠です, そして、チップへの電源は、よく分離されなければならない. あなたが入力または出力で長いワイヤーを走らなければならないならば, それは出力にある, 通常は、より低いインピーダンスを持ち、誘導ノイズに弱い. 通常、信号レベルが高いほど, 簡単に他の回路にノイズを導入することです. すべてのPCB設計において, アナログ回路からできるだけデジタル回路を遠ざけるのは一般的な原理である, また、RF PCB設計にも適用される. 共通のアナロググラウンドは、信号線を遮蔽して分離するのに用いられるグラウンドとしばしば重要である, とても慎重な計画, 思慮深いコンポーネント配置, and thorough placement* estimation are all important in the early stages of design. 同様に, RFは、ラインとアナログラインといくつかの非常に重要なデジタル信号から遠ざかる必要があります. すべてのRFトレース, パッドとコンポーネントは、できるだけ銅を埋めてください, そして、可能な限りメイングラウンドに接続. RFトレースが信号線を通過しなければならない, それらの間のRFトレースに沿ってメイングラウンドに接続されたグラウンドの層をルートにしてください. できないなら, それらが容量結合を最小化するために交差するCRISSであることを確認してください, そして、各々のRFトレースのまわりで可能な限り多くの地面として, そして、それらをメイングラウンドに接続します. Also, 並列RFトレース間の距離の減少は誘導結合を減少させる. 表面層直下に配置された固体モノリシックグラウンドプレーン, 隔離効果, 少し慎重なデザイン他のプラクティスも. の各層に PCBボード, できるだけ多くの根拠として敷設し、メイングラウンドに接続します. トレースを内部信号と電力分配層上のパッドの数を増加させるためにできるだけ近接させる, そして、あなたが表面の孤立したパッドに地面接続ビアを送ることができるように、跡を調節してください. PCBの様々な層の自由な敷地は、小さなアンテナのようにノイズを拾い上げたり、注入することができるので避けるべきである. ほとんどの場合, 場合は、メイングラウンドに接続することはできません, その後、それらを削除する.

3. 携帯電話のデザインで PCBボード, should pay attention to several aspects
3.1 Handling of 電源 and ground wire
Even if the wiring in the entire PCBボード 完成, 電源と接地線の思慮深い考慮の欠如に起因する干渉は、製品の性能を低下させる, そして時々、製品の成功率に影響を与えます. したがって, 電力線と接地線の配線は真剣に取らなければならない, そして、電源および接地線によって生成されるノイズ干渉は、製品の品質を保証するために最小化されるべきである. 電子製品の設計に携わっているすべての技術者のために, 接地線と電力線の間のノイズの理由は理解される, and now only the reduced noise suppression is expressed:
(1) It is well known that a decoupling capacitor is added between the power supply and the ground wire.
(2) Try to widen the width of the power supply and ground wire as much as possible. 接地線は電源線よりも広い. 0.05秒2厘0.07 mm, 電源コードは1です.2つの避難1 / 2.5 mm. のために PCBボード デジタル回路の, 広い接地線を用いてループを形成することができる, それで, a ground net can be used (the ground of the analog circuit cannot be used in this way)
(3) Use a large-area copper layer as a ground wire, そして、印刷されたボード上の未使用の場所を接地線としてグランドに接続する. または多層基板を作る, power supply, 接地線はそれぞれ1層を占める.

3.2 Common ground processing of digital circuits and analog circuits
Now there are many PCBボードs that are no longer a single function circuit (digital or analog circuit), しかし、デジタルとアナログ回路の混合で構成されます. したがって, 配線時の相互干渉を考慮する必要がある, 特に接地線のノイズ干渉. デジタル回路の周波数は高い, アナログ回路の感度が強い. 信号線用, 高周波信号線は、できるだけ敏感なアナログ回路装置から遠ざかるべきである. 地上線用, 全体 PCBボード 外側の世界に1つのノードしか持たない. したがって, デジタルとアナログの共通グラウンドの問題は PCBボード, デジタルグラウンドとアナロググランドは、ボードの中で実際に分離されますが, そして、彼らはお互いにつながっていません, とのインターフェースでのみ PCBボード and the outside world (such as plugs). Wait). デジタルグラウンドはアナロググランドに少し短絡されます, つの接続点だけがあることに注意してください. また、その上に別の根拠があります PCBボード, システム設計によって決定される.

3.3 Signal lines are routed on the electrical (ground) layer
In the wiring of multi-layer printed boards, 信号線層には多くの行が残っていないので, より多くの層を追加すると、無駄を引き起こし、生産負荷を増加させる, そして、それに応じてコストが増加します. この矛盾を解決する, we can consider wiring on the electrical (ground) layer. パワープレーンは最初に考慮すべきである, 地面に続いて. 形成の完全性が保たれるので.

3.4 Handling of connecting legs in large area conductors
In a large area of grounding (electricity), 一般的に使用されるコンポーネントの脚部は, また、接続脚の取り扱いを総合的に考慮する必要がある. 部品の溶接と組立にはいくつかの隠れた危険がある, 例えば: 1. 溶接は高出力ヒータを必要とする. 2. 仮想はんだ接合の原因は容易である. したがって, 電気的性能とプロセスニーズを考慮に入れる, 十字形のパッドを作る, ヒートシールドという, 通称サーマルパッド. セックスは大いに減少する. The electrical (ground) leg of a multilayer board is treated the same way.

3.5 The role of network system in wiring
In many CAD systems, 配線はネットワークシステムによって決定される. グリッドが濃くならば, チャンネル数が増加するが, 段が狭い, そして、イメージフィールドのデータ量が大きすぎる, 機器の収納スペースには高い要求が必要である, また、コンピュータの電子製品のコンピューティング速度に影響を与える. 大きな影響. そして、いくつかのビアが無効です, 部品のパッドのパッドによって占められる、または取付穴と固定穴によって占められるそれらのような. あまりにも粗いグリッドとあまりにも少ないチャネルは、配信レートに大きな影響を与える. したがって, 配線をサポートするために合理的な密度を有するグリッドシステムがなければならない. 標準コンポーネントの足の間の距離は0です.1インチ (2.54mm), グリッドシステムの基礎は通常0に設定される.1 inches (2.54 mm) or less than an integral multiple of 0.1 inches, 例えば：0.05インチ, 0.025インチ, 0.02インチその他.

4. 高周波 PCBボード design skills and methods
4.1 Use a 45° angle for the corners of the transmission line to reduce return loss

4.絶縁絶縁物の値が厳密にレベルによって制御される高性能絶縁回路基板を採用する. このアプローチは、絶縁材料と隣接配線との間の電磁場の効率的な管理を容易にする.

4.3改善する必要がある PCBボード 高精度エッチングのための設計仕様. のエラーを指定する+/- 0.0007インチ幅, 配線形状のアンダーカットと断面の管理, 配線側壁めっき条件の指定. Overall management of wiring (conductor) geometry and coating surface is important to address skin effect issues associated with microwave frequencies and to achieve these specifications.

4.4突き出ているリード線にタップインダクタンスがある, リードするコンポーネントを使用するのを避ける. 高周波環境, 表面実装部品.

4.5信号ビア用, avoid using the via processing (pth) process on sensitive boards, このプロセスがVIAでリードインダクタンスをもたらすので.

4.6豊かなグランドプレーンを提供する. 成形ビアは、ボード上の3 D電磁場の影響を防ぐために、これらの接地面を接続するために使用される.

4.7無電解ニッケルめっきまたは浸漬金めっきプロセスを選択する, 電気めっきのためにHASL法を使用しない. This plated surface provides better skin effect for high frequency currents (Figure 2). 加えて, この非常にはんだ付け可能なコーティングは、より少ないリードを必要とする, 環境汚染低減の支援.

4.8はんだマスクははんだペーストの流れを防ぐ. しかし, はんだマスク材料によって基板表面全体を覆うことは、厚さの不確実性及び未知の絶縁特性に起因するマイクロストリップ設計における電磁エネルギーの大きな変化をもたらす. ソルダーマスクとして一般に用いられる. 電磁界. この場合は, マイクロストリップと同軸の間の遷移を管理する. 同軸ケーブルで, 地面の平面は、輪に織り込まれ、等間隔になっている. マイクロストリップで, 接地面はアクティブラインの下にある. これは、理解される必要がある特定のエッジ効果を紹介します, 設計時に予測および考慮される. もちろん, このミスマッチもリターンロスをもたらす, 雑音と信号干渉を避けるために.

5. Electromagnetic Compatibility Design
Electromagnetic compatibility refers to the ability of electronic equipment to work harmoniously and effectively in various electromagnetic environments. 電磁両立性設計の目的は、電子機器が様々な外部干渉を抑制できるようにすることである, 電子機器が特定の電磁環境で正常に動作できるように, それと同時に、電子機器自体の電磁妨害を他の電子機器に還元する.

5.1 Choose a reasonable wire width
Since the impulse interference produced by the transient current on the printed wires is mainly caused by the inductive components of the printed wires, プリント配線のインダクタンスを最小化しなければならない. プリント配線のインダクタンスは長さに比例し、その幅に反比例する, したがって、短くて正確な線は干渉を抑制するのに有益です. クロックトレース, 行ドライバまたはバスドライバの信号線は、しばしば大きな過渡電流を運び、トレースは可能な限り短く保たれるべきである. 離散成分回路, プリント配線の幅が約1.5 mm, それは完全に要件を満たすことができます集積回路, 印刷ワイヤの幅は0の間で選択することができる.2と1.0 mm.

5.2 Adopt the correct wiring strategy
The use of equal wiring can reduce the wire inductance, しかし、ワイヤ間の相互インダクタンスおよび分布容量は増加する. レイアウトが許すならば, 格子状メッシュ配線構造を使用する. 特定の方法は、プリント基板の一方の側に水平方向に、他方の側で垂直にルートすることである. クロスホールはメタライズされた穴によって接続される.

5.3プリント基板の導体間のクロストークを抑制するために, 配線を設計するとき、長距離および等しい配線はできるだけ避けるべきである, そして、線の間の距離は、できるだけ広く保たれるべきです, と信号線, 接地線と電力線はできるだけ交差してはならない. . 干渉に非常に敏感ないくつかの信号線間の接地トレースを設定すると、クロストークを効果的に抑制することができる.

5.高周波信号がプリント線を通過するとき発生する電磁波を避けるために, the following points should also be paid attention to when wiring the printed circuit board:
(1) Minimize the discontinuity of the printed conductors, 例えば, 導体の幅は急に変化してはならない, 導体の角は90度よりも大きくなければならない, リング状のルーティングを禁止.
(2) The lead of the clock signal is prone to electromagnetic radiation interference. 配線はグランドループに近くなければならない, そして、ドライバはコネクタに近くなければなりません.
(3) The bus driver should be close to the bus it wants to drive. プリント回路基板を残すそれらのリードのために, ドライバはコネクタのすぐ隣にあるはずです.
(4) The wiring of the data bus should sandwich a signal ground wire between every two signal wires. グランドリターンは、重要なアドレスリードのすぐ隣に配置されます, 後者はしばしば高周波電流を運ぶので.
(5) When arranging high-speed, プリント基板上の中速・低速論理回路.

5.5 Suppress reflection interference
In order to suppress the reflection interference that appears at the end of the printed line, 特別なニーズを除いて, 印刷ラインの長さをできるだけ短くして、遅い回路を使用すべきである. 必要なら, 端末のマッチングを追加することができます, それで, 同じ抵抗値を有する整合抵抗器が送電線の端部に接地され、電源供給端に加えられる. 経験によれば, 一般的に高速なTTL回路, プリントラインが10 cmより長いときには、端子整合策を採用すべきである. 整合抵抗の抵抗値は、集積回路の出力駆動電流およびシンク電流値に従って決定されるべきである.

6. Use the differential signal line routing strategy in the circuit board design process
微分 signal pairs that are routed very close to each other are also tightly coupled to each other. この相互結合はEMI放出を減少させる. Usually (with some exceptions) differential signals are also high-speed signals, したがって、通常、高速設計規則は適用される. これは差動信号の配線に特に当てはまる, 特に送電線のために信号線を設計するとき. これは、信号線の特性インピーダンスが信号線を通して連続的かつ一定であることを保証するために、非常に慎重に信号線のルーティングを設計しなければならないことを意味する. 差動ペアのレイアウトとルーティングプロセス中, 私たちは PCBボード 差動対の線は全く同じである. これは, 実際に, 差動対におけるPCBトレースが全く同じインピーダンスを有し、トレースが同じ長さであることを保証するためにあらゆる努力がなされるべきである. Differential PCBボード 通常、トレースは常にペアでルーティングされます, そして、それらの間の距離は、ペアの方向に沿ってどこでも一定のままです.