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PCBブログ
RF設計中、信号結合を低減するPCBボードチップについて
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RF設計中、信号結合を低減するPCBボードチップについて

RF設計中、信号結合を低減するPCBボードチップについて

2022-07-18
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Author:ipcb

Radio frequency (略称RF) PCBボード 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、なぜそう呼ばれますか。RF回路基板設計のため、多くのガイドラインがあり、それに続いて、無視されるべきではありません。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があります。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、絶縁材料及び積層材料、波長と定在波は重要です。RFボードのパーティション設計に関連した様々な問題に焦点を当てます。今日の携帯電話のデザインは様々な方法ですべてを統合します。RFボード設計に注目をそそぎ、業界は今とても競争力があります。そして、誰もがサイズとコストで複数の機能を統合する方法を探しています。アナログ、 デジタル及びRF回路は、それらのそれぞれの問題領域を切り離すために非常に小さいスペースと共に堅く詰まっています。それに、レイヤーの数は、しばしばコスト考慮のために減らされます。多機能チップが非常に小さなダイ上で複数の機能を統合できることは驚くべきことです。そして、外の電子部品に接続するピンは、RF、 IF、アナログ及びデジタル信号とは非常に接近しています。しかし、彼らは通常電気的に無関係です。電力分配はデザイナーの悪夢で、必要に応じて回路を共有します。バッテリ寿命を維持するため、ソフトウェア制御スイッチングも重要です。これは、携帯電話の5または6の作業電源を必要とすることができることを意味します。


PCBボード


RFレイアウト概念


RFレイアウトを設計するときには、優先順位付けされなければならないのは一般的な原理があります。すなわち、高電力RF増幅器(HPA)を低雑音増幅器(LNA)からできるだけ離隔させることとのことです。PCB上で物理的なスペースをたくさん持っているならば、簡単にこれを行うことができますが、通常、PCB上の多くのコンポーネントとより少ないスペースで、これは通常不可能です。PCBボードの両側にそれらを置くか、またはそれらを同時に代わりに交互に動作させることができます。高電力回路はまた、時々、RFバッファおよび電圧制御発振器(VCOS)を含むことができます。ビアのない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、より良いです。後に、必要に応じてこの設計原理を破る方法と、それから起こる問題を避ける方法について議論します。チップおよび電源のデカップリングも非常に重要であり、この原理を実施するいくつかの方法については後述します。RF出力は通常RF入力から遠ざかる必要があります。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す。


パーティションは?


デザインパーティションは物理的および電気的パーティションに分割できます。物理的パーティションは、主にコンポーネント配置、配向、および遮蔽のような問題を含むことを指します。電気的分配は、配電、RFトレース、敏感な回路および信号、および接地のためのパーティションに分解され続けることができます。まず、物理的パーティション問題を論じました。コンポーネント配置は、RF設計を実施するための鍵です。効果的な技術は、RF経路上に配置された構成要素を最初に固定し、RF経路の長さを最小にするためにその方向を調整し、出力から入力を遠ざけ、可能な限り成分を分離することです。電力回路と低電力回路効果的な基板スタッキング法とは、主接地面(主グラウンド)を第2層上に表面層の下に配置し、RF層をできるだけ表面層に流すことです。RF経路上のビアサイズを小さくすることは、経路インダクタンスを減少させるだけでなく、主グラウンド上のゴースト半田接合を減少させ、スタック内の他の領域に漏洩するRFエネルギーの機会を低減します。物理空間において、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が、デュプレクサ、ミキサ、およびIF増幅器/ミキサは、常に複数のRF/IFSを有し、信号が互いに干渉するので、この効果を最小にするために注意を払わなければなりません。RFとIFのトレースは、できるだけ多くの間、それらの間の接地スペースを可能な限り交差する必要があります。適切なRFルーティングは、PCB全体の性能にとって非常に重要であり、これは、コンポーネント配置が、しばしば携帯電話PCB設計において大部分の時間を占める理由です。携帯電話PCB上では、LNA回路をPCBの一方側と他方側の高出力増幅器に配置することが可能であり、最終的には、デバイスのアンテナ上のデュプレクサを介して、同じ位置にRF側およびベースバンド処理を接続します。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へRFエネルギーを移さないことを確実とするのを要求されます、そして、一般のテクニックは両側のスルーホールビアを使います。ストレートのビアの有害効果は、PCBの両側がRF干渉から自由である領域に、スルーホールビアを配置することによって、最小にされることができます。


時々、それは複数の回路ブロック間の十分な絶縁を確実にすることができません。その場合、金属シールドはRF領域のRFエネルギーを遮蔽するために考慮されなければならなりません。しかし、金属遮蔽はまた、それ自身のコストおよびアセンブリコストのような問題を有します。不規則な形の金属シールドは、製造の間、高精度を確実にするのが難しいです。そして、長方形または正方形の金属シールドは構成要素のレイアウトを制限します。金属シールドは、コンポーネント交換および故障場所に助成されません。金属シールドのために地面にはんだ付けされなければならなくて、コンポーネントから適切な距離に保たれなければなりません。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す。金属遮蔽カバーに入るデジタル信号線は、なるべく内側の層に行き、配線層の下のPCBボードは接地層です。RF信号線は、金属シールドの底部とグランドギャップの配線層の小さなギャップから出ることができるが、できるだけ多くのグラウンドをギャップの周囲に分散させ、異なる層のグランドを複数のビアを介して接続することができます。上記の問題にもかかわらず、金属シールドは非常に効果的であり、しばしば臨界回路を分離するための解決策です。また、チップ電源の適切かつ効果的なデカップリングも非常に重要です。集積された線形線を有する多くのRFチップは、電源ノイズに対して非常に敏感であり、典型的には、最大4つのキャパシタおよび1チップあたりの絶縁インダクタを必要とし、全ての電源ノイズがフィルタリングされることを保証します。


コンデンサの値は、通常、自己共振周波数と低いリードインダクタンスによって決定され、それに応じてC4の値が選択されます。C3とC2の値は、それら自身のpinインダクタンスによって比較的大きいので、RFデカップリング効果は少ないが、より低い周波数ノイズ信号をフィルタリングするのにより適しています。インダクタL 1は、RF信号を電力線からチップに結合するのを防止します。注意:すべてのトレースは、RF信号を受信して送信することができる可能性のあるアンテナであり、また、誘導されたRF信号を臨界配線から分離する必要があります。これらの減結合成分の物理的位置もしばしば重要です。これらの重要な構成要素のためのレイアウト原則は、C 4がICピンに可能な限り近いもので、接地されるべきです。C3はC4に近くなければなりません、C2はC3に近くなければなりません。そして、ICピンはC4に近くなければなりません。そして、これらのコンポーネント(特にC 4)の接地端子は、通常、次のグランドプレーンを通じてチップの接地ピンに接続されるべきです。コンポーネントを接地層に接続するビアは、PCB上の構成パッドに可能な限り近くなければなりません。集積回路または増幅器は、オープンドレイン出力を有するので、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源を提供するために必要とされます。同様の原理は、このインダクタ側の供給を分離することにも当てはまります。いくつかのチップは動作するために複数の電源を必要とするので、2つまたは3セットのコンデンサとインダクタを別々に切り離す必要があるかもしれません。これは、空気コア変圧器を形成し、干渉信号を誘導するので、インダクタは並列にほとんど近接していないことを覚えておいてください。したがって、それらは、デバイスの1つが高いか、またはそれらの相互インダクタンスを減少させるために直角に少なくとも遠く離れていなければなりません。


電気的分割の原理は一般に物理的分割と同じであるが、いくつかの他の要因が含まれます。現代の携帯電話の特定の部分は、異なる電圧で動作し、バッテリ寿命を延長するソフトウェアによって制御されます。これは、携帯電話が複数の電源を実行する必要があることを意味します。通常、電源はコネクタに入って、すぐに回路の外側からどんな雑音でも除外するために切り離されます。携帯電話のほとんどの回路は、かなり小さなDC電流を有しているので、トレース幅は通常問題ではないが、送信電圧降下を最小にするために可能な限り広い電流トレースを高出力増幅器の電源に対して実行しなければなりません。あまりに多くの現在の損失を避けるために、複数のビアは、1つの層からもう一つまで電流を通過するために必要です。その上、高出力増幅器がその電源ピンで十分に切り離されない場合、高電力ノイズはボード全体に放射して、さまざま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します。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す。これは増幅器、バッファおよびフィルタにも当てはまります。最悪の場合では、増幅器およびバッファは、その出力が適切な位相及び振幅を有する入力にフィードバックされると自己発振する可能性を有します。いずれの場合も、任意の温度及び電圧条件下で安定に動作します。実際、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追加することができます。


RF信号線がフィルタの入力から出力に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傷することができます。入力と出力との間の良好な分離を得るためには、まず、グランドをフィルタの周囲に配置し、次に、グランドをフィルタの下部領域に配置し、フィルタの周りの主グラウンドに接続する必要があります。また、可能な限りフィルタの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良いアイデアです。また、ボード上のどこにでも接地については非常に注意してください。またはあなたが偶然に発生したくない結合チャンネルを導入することができます。時には、シングルエンドまたはバランスのとれたRF信号線を選択することができ、交差する干渉とEMC / EMIに関する同じ原理がここで適用されます。バランスのとれたRF信号線は、それ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です。そして、源、痕跡と荷にマッチ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りません。実際の配線は難しいでしょう。それが2つの部分に同じシグナルを分割することができて、特にLOが複数のミキサを駆動するためにバッファを必要とするかもしれないならば、バッファを分離を改善するのに用いられることができます。ミキサがRF周波数でコモンモード分離に達すると、それは適切に機能しません。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です。バッファは設計における大きな助けがあります。そして、それらがバッファリングの入力信号レベルが比較的低いので、高出力トレースが非常に短いために、駆動される必要がある回路の直後に配置されることができます。干渉を引き起こす回路に対しては、敏感な信号と制御線に特に注意します。そうしないと、規定された範囲を超える傾向があります。


電圧制御発振器(VCO)は、変化する電圧を変化する周波数に変換します。高速チャネルスイッチングに使用される特徴であるが、それらはまた、制御電圧上の少量のノイズを小さな周波数変化に変換し、それによりRF信号にノイズを加えます。一般に、これの後、エンジニアはもはやRF出力信号から雑音を除去することができません。それで、困難はどこですか。第1に、制御ラインの所望の帯域幅は、DCから2 MHzに及ぶことができ、そのような広い帯域のノイズを除去するフィルタリングは、ほとんど不可能です。第2に、VCO制御ラインは通常、周波数を制御するフィードバックループの一部であり、多くのノイズの中に至る所で導入され得るので、VCO制御線は、慎重に処理され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て、すべてのコンポーネントが主な地面にしっかりと接続されて、ノイズを導入することができる他のトレースから切り離されることを確認してください。それに、VCOのRF出力が比較的高いレベルである傾向があるので、VCOの電源が適切に分離されていることを確認して、VCO出力信号は他の回路と容易に干渉することができるので、特別な注意をVCOに支払わなければなりません。実際には、VCOはしばしばRF領域の端部に配置され、時には金属シールドを必要とします。


共振回路(送信機および受信機のための1つ)は、VCOに関連するが、また、それ自身の特性を有します。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す。すべてのVCO設計原理は、共振回路に等しく適用されます。共振回路は、部品のかなりの数、基板上の広い分布、および非常に高いRF周波数で典型的に動作するため、しばしばノイズに非常に敏感です。信号は、通常、チップの隣接するピン上に配置されるが、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で動作する必要があり、それによって、これらのインダクタおよびコンデンサは、近接して配置され、ノイズに敏感な制御ループに接続される必要があります。これをするのは簡単ではありません。自動利得制御(agc)増幅器はまた問題のある場所であり,送信回路と受信回路の両方でagc増幅器が存在する。AGC増幅器は一般にノイズをフィルタリングするのに有効であるが、送信されて受信された信号強度の急激な変化を処理するための携帯電話の能力は、AGC回路がかなり広い帯域幅を有することを必要とし、それはいくつかの重要な回路上のAGC増幅器をノイズを導入しやすくなります。AGC線を設計するとき、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入力ピンと非常に短いフィードバック経路でしなければなりません。また、良好な接地は必須であり、チップへの電力供給はよく分離されなければなりません。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、それは出力にあります。通常、信号レベルが高いほど、他の回路にノイズを導入することは容易です。すべてのPCB設計では、デジタル回路をできるだけアナログ回路から遠ざけておくことが一般的な原理であり、RF PCB設計にも適用されます。一般的なアナロググラウンドは通常、信号線を遮蔽して分離するために使用されるグランドと同じくらい重要です。問題は慎重な計画なしで間違いやすいです。したがって、注意深い計画、思慮深いコンポーネント配置、および徹底的な配置評価は、設計の初期段階では非常に重要です。怠慢のこの深刻な結果は、とにかく個人的なキャリア開発に対して良いものではありません。また、RFラインをアナログラインおよびいくつかの非常に重大なデジタル信号から遠ざけておきます。すべてのRFトレース、パッド、およびコンポーネントは、可能な限りグランド銅で満たされ、可能な限り主グラウンドに接続されるべきです。ブレッドボードのようなマイクロボードを構築するボードは、RF回路開発段階では、ビルドボードを選択する場合は、任意の費用をかけずに望むように多くのビアとして使用することができます。それ以外の場合は、通常のPCBの穴を掘る穴を開発することができます。それに、コストも増加します。


RFトレースが信号線を通過しなければなりません。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。できなければ、それらが容量結合を最小化するために予め確認するほうがいいです。そして、各々のRFトレースのまわりで、それらをメイングラウンドに接続します。それに、並列RFトレース間の距離の減少は誘導結合を減少させます。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、デザインや他のプラクティスも考えます。アナログを分離するために、地面に分割を試みましたデジタル、RFラインは重視しなければなりません。しかし、これらの別々の敷地を通って行くいくつかの高速信号線が常にあるので、結果に決して満足しませんでした。それは良いものではありません。PCBボードの各層に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ます。そして、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。様々な層の自由な敷地のため、彼らがピックアップすることができるか、小さなアンテナのような雑音を注入するので、避けるべきです。


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