Thông tin PCB - Cách đặt mạch RF và mạch kỹ thuật số trên bảng PCB

Chúng có thể được tích hợp trên một bảng PCB nhỏ và được sử dụng trong âm thanh kỹ thuật số không dây, hệ thống truyền dữ liệu video kỹ thuật số, hệ thống điều khiển từ xa không dây và hệ thống đo từ xa, hệ thống thu thập dữ liệu không dây, mạng không dây và hệ thống an ninh không dây và nhiều lĩnh vực khác. Thiết bị tần số vô tuyến một chip tạo điều kiện cho việc

1. Mâu thuẫn tiềm năng giữa các mạch kỹ thuật số và mạch tương tự Nếu mạch tương tự (RF) và mạch kỹ thuật số (bộ vi điều khiển) hoạt động riêng biệt, chúng có thể hoạt động tốt, nhưng một khi chúng được đặt trên cùng một bảng và chạy từ cùng một nguồn cung cấp điện, toàn bộ hệ thống có khả năng không ổn định. Điều này chủ yếu là do tín hiệu kỹ thuật số thường dao động giữa mặt đất và nguồn cung cấp điện tích cực (kích thước 3 V), và thời gian rất ngắn, thường ở mức ns. Do biên độ lớn hơn và thời gian chuyển đổi nhỏ hơn, các tín hiệu kỹ thuật số này chứa một số lượng lớn các thành phần tần số cao độc lập với tần số chuyển đổi. Trong phần tương tự, tín hiệu truyền từ vòng điều chỉnh ăng-ten đến phần nhận của thiết bị không dây thường ít hơn 1μV. Vì vậy, sự khác biệt giữa tín hiệu kỹ thuật số và tín hiệu RF sẽ là 10-6 (120 dB). Rõ ràng, nếu tín hiệu kỹ thuật số không được tách biệt tốt với tín hiệu tần số vô tuyến, tín hiệu tần số vô tuyến yếu có thể bị hư hại, do đó hiệu suất làm việc của thiết bị không dây sẽ suy giảm, hoặc thậm chí hoàn toàn không thể làm việc.

2. Các vấn đề phổ biến với các mạch RF và các mạch kỹ thuật số trên cùng một PCB. Cách nhiệt không đủ các đường tín hiệu nhạy cảm và ồn ào là một vấn đề phổ biến. Như đã đề cập ở trên, tín hiệu kỹ thuật số có dao động cao và chứa rất nhiều hài hòa tần số cao. Nếu định tuyến tín hiệu kỹ thuật số trên một PCB liền kề với các tín hiệu tương tự nhạy cảm, hài hòa tần số cao có thể kết nối qua. Các nút nhạy cảm của các thiết bị RF thường là mạch lọc vòng khóa pha (PLL), cảm ứng dao động điều khiển điện áp bên ngoài (VCO), tín hiệu tham chiếu tinh thể và đầu cuối ăng ten, và các bộ phận này của mạch nên được xử lý với sự cẩn thận đặc biệt. (1) Tiếng ồn cung cấp điện Vì các tín hiệu đầu vào / đầu ra có dao động vài volt, các mạch kỹ thuật số thường được chấp nhận cho tiếng ồn cung cấp điện (dưới 50 mV). Mặt khác, các mạch tương tự khá nhạy cảm với tiếng ồn cung cấp điện, đặc biệt là điện áp lỗi và các hài hòa tần số cao khác. Do đó, việc định tuyến đường dây điện trên PCB chứa các mạch RF (hoặc tương tự khác) phải được thực hiện cẩn thận hơn so với các bảng kỹ thuật số thông thường và nên tránh định tuyến tự động. Cần lưu ý rằng một bộ vi điều khiển (hoặc mạch kỹ thuật số khác) sẽ đột nhiên thu hút hầu hết dòng điện trong một thời gian ngắn trong mỗi chu kỳ đồng hồ nội bộ, vì các bộ vi điều khiển hiện đại được thiết kế trên quy trình CMOS. Do đó, giả sử một bộ vi điều khiển chạy ở tần số đồng hồ nội bộ 1 MHz, nó sẽ rút dòng điện (xung) từ nguồn cung cấp điện ở tần số này, điều này chắc chắn sẽ gây ra lỗi điện áp trên dây chuyền cung cấp điện nếu không tách kết nguồn điện thích hợp. Nếu các lỗi điện áp này đến các chân điện của phần RF của mạch, nó có thể dẫn đến sự thất bại nghiêm trọng của công việc, vì vậy phải đảm bảo rằng các dây điện tương tự được tách khỏi khu vực mạch kỹ thuật số. (2) Dây mặt đất không hợp lý Các bảng mạch RF nên luôn có một phẳng mặt đất kết nối với mặt tiêu cực của nguồn cung cấp điện, có thể gây ra một số hành vi kỳ lạ nếu không được xử lý đúng cách. Điều này có thể khó để một nhà thiết kế mạch kỹ thuật số hiểu bởi vì hầu hết các mạch kỹ thuật số hoạt động tốt ngay cả khi không có một phẳng mặt đất. Trong băng tần số RF, ngay cả một dây rất ngắn có thể hoạt động như một điện cảm. Tính toán xấp xỉ, điện cảm trên mỗi mm chiều dài là khoảng 1 nH, và điện cảm của một dòng PCB 10 mm ở 434 MHz là khoảng 27 Ω. Nếu không có một máy bay mặt đất, hầu hết các đường dẫn mặt đất sẽ dài và mạch sẽ không thể đảm bảo các đặc điểm thiết kế. (3) Bức xạ từ ăng-ten đến các bộ phận tương tự khác Trong các mạch chứa RF và các bộ phận khác, điều này thường bị bỏ qua. Bên cạnh phần RF, thường có các mạch tương tự khác trên bảng. Ví dụ, nhiều bộ vi điều khiển có bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC) tích hợp để đo các đầu vào analog cũng như điện áp pin hoặc các thông số khác. Nếu ăng ten của máy phát RF nằm gần (hoặc trên) PCB này, tín hiệu tần số cao phát ra có thể đạt đến đầu vào tương tự của ADC. Đừng quên rằng bất kỳ dây mạch nào có thể gửi hoặc nhận tín hiệu RF như ăng ten. Nếu đầu vào ADC không được xử lý đúng cách, tín hiệu RF có thể tự kích thích trong diode ESD của đầu vào ADC, khiến ADC trôi.3. Giải pháp A với mạch RF và mạch kỹ thuật số trên cùng một PCB Một số chiến lược thiết kế và định tuyến chung trong hầu hết các ứng dụng RF được đưa ra dưới đây. Tuy nhiên, điều quan trọng hơn là tuân theo các khuyến nghị định tuyến cho các thiết bị RF trong các ứng dụng thế giới thực. (1) Một máy bay mặt đất đáng tin cậyKhi thiết kế một PCB với các thành phần RF, một máy bay mặt đất đáng tin cậy nên luôn được sử dụng. Mục đích của nó là thiết lập một điểm tiềm năng 0 V hiệu quả trong mạch, cho phép dễ dàng tách ghép tất cả các thiết bị. Cơ sở đầu cuối 0 V của nguồn cung cấp điện nên được kết nối trực tiếp với phẳng mặt đất này. Do trở kháng thấp của phẳng mặt đất, sẽ không có kết nối tín hiệu giữa hai nút đã được tách. Điều này rất quan trọng vì biên độ của nhiều tín hiệu trên bảng có thể khác nhau 120dB. Trên một PCB gắn trên bề mặt, tất cả các định tuyến tín hiệu nằm ở cùng một bên của bề mặt gắn thành phần, và phẳng mặt đất nằm ở phía đối diện. Phẳng mặt đất lý tưởng nên bao phủ toàn bộ PCB (ngoại trừ dưới PCB ăng ten). Nếu sử dụng nhiều hơn hai lớp PCB, lớp mặt đất nên được đặt trên lớp liền kề với lớp tín hiệu (chẳng hạn như lớp tiếp theo ở phía thành phần). Một cách tiếp cận tốt khác là lấp đầy các phần trống của các lớp định tuyến tín hiệu bằng các phẳng mặt đất, phải được kết nối với phẳng mặt đất chính thông qua nhiều đường dẫn. Cần lưu ý rằng vì sự tồn tại của điểm nền sẽ gây ra sự thay đổi của đặc điểm cảm ứng bên cạnh nó, việc lựa chọn giá trị cảm ứng và sự sắp xếp của cảm ứng phải được xem xét cẩn thận. (2) Giảm khoảng cách kết nối với lớp mặt đất Tất cả các kết nối với các phẳng mặt đất phải được giữ ngắn nhất có thể, và các đường dẫn mặt đất nên được đặt ở (hoặc rất gần) các miếng đệm thành phần. Không bao giờ cho phép hai tín hiệu mặt đất chia sẻ một mặt đất qua, vì điều này có thể gây ra crosstalk giữa hai miếng đệm do trở kháng kết nối qua. (3) RF tách nối Tụ tụ tách nối nên được đặt càng gần các chân càng tốt, và tách nối tụ tụ nên được sử dụng tại mỗi chân cần tách nối. Sử dụng tụ gốm chất lượng cao, loại điện môi là "NPO", "X7R" cũng sẽ hoạt động tốt trong hầu hết các ứng dụng. Giá trị tụ tụ lý tưởng nên được chọn để cộng hưởng loạt của nó bằng tần số tín hiệu. Ví dụ, ở 434 MHz, một tụ điện 100 pF được gắn SMD sẽ hoạt động tốt. Tại tần số này, phản ứng điện dung của tụ điện là khoảng 4 Ω, và phản ứng cảm ứng của đường dẫn nằm trong cùng một phạm vi. Các tụ điện và vias trong loạt hình thành một bộ lọc notch cho tần số tín hiệu, cho phép tách nối hiệu quả. Ở 868 MHz, tụ 33 pF là một lựa chọn lý tưởng. Ngoài tụ giá trị nhỏ để tách nối RF, một tụ giá trị lớn cũng nên được đặt trên đường dây điện để tách nối tần số thấp. Chọn tụ gốm 2,2 μF hoặc tụ tantal 10 μF. (4) Dây điện Star của nguồn cung cấp điện Dây điện Star là một thủ thuật nổi tiếng trong thiết kế mạch tương tự. Star Wiring - Mỗi mô-đun trên bảng có dây điện riêng của nó từ một điểm cung cấp điện chung. Trong trường hợp này, định tuyến sao có nghĩa là các bộ phận kỹ thuật số và RF của mạch nên có các dây chuyền cung cấp điện riêng của họ nên được tách biệt gần IC. Đây là một khoảng cách từ một số cách tiếp cận một phần và hiệu quả cho tiếng ồn cung cấp điện từ phần RF. Nếu một mô-đun có tiếng ồn nặng được đặt trên cùng một bảng mạch, một bộ cảm ứng (hạt từ) hoặc một điện trở giá trị nhỏ (10 Ω) có thể được kết nối hàng loạt giữa dây điện và mô-đun, và một tụ tantal ít nhất 10 Î ¼F phải được sử dụng cho chúng. Ngắt nối nguồn cung cấp điện cho mô-đun. Các mô-đun như vậy là trình điều khiển RS 232 hoặc bộ điều chỉnh công suất chuyển đổi. (5) Sắp xếp hợp lý của bố trí bảng PCBĐể giảm sự can thiệp từ mô-đun tiếng ồn và các bộ phận tương tự xung quanh, bố trí của mỗi mô-đun mạch trên bảng là quan trọng. Các mô-đun nhạy cảm (phần RF và ăng-ten) nên luôn được giữ xa các mô-đun ồn ào (bộ vi điều khiển và trình điều khiển RS 232) để tránh can thiệp. (6) Bảo vệ ảnh hưởng của tín hiệu RF trên các bộ phận tương tự khác Như đã đề cập ở trên, tín hiệu RF có thể can thiệp vào các khối mạch tương tự nhạy cảm khác như ADC khi truyền. Hầu hết các vấn đề xảy ra ở các băng tần số hoạt động thấp hơn (ví dụ 27 MHz) và mức đầu ra công suất cao. Đó là một thực tiễn thiết kế tốt để tách ghép các điểm nhạy cảm với tụ nối RF (100p F) kết nối với mặt đất. (7) Những cân nhắc đặc biệt cho ăng ten vòng tròn trên máy bay An ten có thể được thực hiện trên toàn bộ PCB. So với ăng ten đánh whip truyền thống, nó không chỉ tiết kiệm không gian và chi phí sản xuất, mà còn ổn định và đáng tin cậy hơn về cơ chế. Thông thường, thiết kế ăng ten vòng được sử dụng cho băng thông tương đối hẹp, giúp ức chế các tín hiệu mạnh không mong muốn gây can thiệp với máy thu. Cần lưu ý rằng ăng-ten vòng (giống như tất cả các ăng-ten khác) có thể nhận tiếng ồn được ghép điện dung từ các đường tín hiệu ồn ào gần đó. Nó can thiệp vào bộ thu và cũng có thể ảnh hưởng đến sự điều chỉnh của bộ phát. Do đó, các dây tín hiệu kỹ thuật số không được định tuyến gần ăng ten, và được khuyên nên giữ không gian trống xung quanh ăng ten. Bất cứ điều gì gần ăng ten sẽ tạo thành một phần của mạng điều chỉnh, khiến ăng ten điều chỉnh xa tần số dự định, giảm phạm vi truyền và nhận bức xạ (khoảng cách). Sự thật này phải được lưu ý đối với tất cả các loại ăng ten, vỏ (bao bì ngoại vi) của bảng mạch cũng có thể ảnh hưởng đến điều chỉnh ăng ten. Đồng thời, cần chú ý đến việc loại bỏ phẳng mặt đất ở khu vực ăng ten, nếu không ăng ten sẽ không hoạt động hiệu quả.4 Kết luận Các mạch tích hợp tần số vô tuyến phát triển nhanh chóng cung cấp khả năng cho các kỹ sư và kỹ thuật viên tham gia thiết kế hệ thống truyền dữ liệu âm thanh và video kỹ thuật số không dây, điều khiển từ xa không dây, hệ thống đo từ xa, hệ thống thu thập dữ liệu không dây, mạng không dây và hệ thống an ninh không dây để giải quyết cổ bottleneck của các ứng dụng không dây. . Đồng thời, thiết kế các mạch RF đòi hỏi các nhà thiết kế phải có kinh nghiệm thực tế nhất định và khả năng thiết kế bảng PCB kỹ thuật.