Thông tin PCB - Mẹo bảng PCB để giảm khớp nối tín hiệu trong thiết kế RF

Thiết kế bảng mạch PCB tần số vô tuyến (RF) thường được mô tả là "ma thuật đen" vì sự không chắc chắn về mặt lý thuyết của nó, nhưng ý tưởng này chỉ đúng một phần và có rất nhiều hướng dẫn về thiết kế bảng RF có thể và không nên được theo dõi và bỏ qua. Tuy nhiên, khi nói đến thiết kế thực tế, mẹo thực sự là làm thế nào để thỏa hiệp khi các hướng dẫn và luật này không thể được thực hiện chính xác do các ràng buộc thiết kế khác nhau. Tất nhiên, có rất nhiều chủ đề thiết kế RF quan trọng để thảo luận, bao gồm kết hợp trở kháng và trở kháng, vật liệu cách nhiệt và laminate, bước sóng và sóng đứng, nhưng bài viết này sẽ tập trung vào các vấn đề khác nhau liên quan đến thiết kế phân vùng RF. Thiết kế điện thoại ngày nay tích hợp mọi thứ theo nhiều cách khác nhau, điều này không tốt cho thiết kế bảng tần số vô tuyến. Ngành công nghiệp này hiện đang rất cạnh tranh và mọi người đang tìm cách tích hợp nhiều tính năng với quy mô và chi phí. Các mạch analog, kỹ thuật số và RF đều được đóng gói chặt chẽ với nhau, chỉ có rất ít không gian để tách các khu vực có vấn đề tương ứng và thường có ít lớp hơn do cân nhắc chi phí. Đáng ngạc nhiên, một con chip đa năng có thể tích hợp nhiều chức năng trên một con chip rất nhỏ, với các chân kết nối với thế giới bên ngoài được sắp xếp chặt chẽ đến mức các tín hiệu RF, IF, analog và kỹ thuật số rất gần nhau, nhưng chúng thường không liên quan đến điện. Phân phối điện có thể là một cơn ác mộng đối với các nhà thiết kế, với các phần khác nhau của mạch chia sẻ thời gian khi cần thiết và kéo dài tuổi thọ pin bằng công tắc điều khiển phần mềm. Điều này có nghĩa là điện thoại của bạn có thể cần 5 hoặc 6 nguồn điện hoạt động.

Khái niệm bố trí RF

Khi thiết kế bố cục RF, một số nguyên tắc chung phải được ưu tiên: Bộ khuếch đại tần số vô tuyến công suất cao (HPA) được tách ra khỏi Bộ khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA) càng nhiều càng tốt, nói tóm lại, giữ mạch phát RF công suất cao khỏi mạch thu RF công suất thấp. Bạn có thể làm điều này một cách dễ dàng nếu bạn có rất nhiều không gian vật lý trên PCB, nhưng nói chung, điều này thường không thể vì có rất nhiều thành phần và ít không gian hơn trên PCB. Thay vì làm việc cùng một lúc, bạn có thể đặt chúng ở hai bên của bảng PCB hoặc để chúng hoạt động xen kẽ. Các mạch công suất cao đôi khi cũng có thể bao gồm bộ đệm RF và bộ dao động điều khiển áp suất (VCO). Đảm bảo rằng có ít nhất một mặt đất đầy đủ trong khu vực công suất cao trên PCB mà không có lỗ thông qua. Đương nhiên, càng nhiều đồng càng tốt. Sau đó, chúng ta sẽ nói về cách phá vỡ nguyên tắc thiết kế này khi cần thiết và làm thế nào để tránh các vấn đề phát sinh từ nó. Chip và tách nguồn cũng rất quan trọng và một số cách để thực hiện nguyên tắc này sẽ được thảo luận sau. Đầu ra RF thường cần phải tránh xa đầu vào RF, mà chúng ta sẽ thảo luận chi tiết sau. Các tín hiệu analog nhạy cảm nên được giữ càng xa các tín hiệu kỹ thuật số và tần số vô tuyến tốc độ cao càng tốt.

Làm thế nào để phân vùng?

Phân vùng thiết kế có thể được chia thành phân vùng vật lý và phân vùng điện. Phân vùng vật lý chủ yếu liên quan đến các vấn đề như vị trí lắp ráp, định hướng và che chắn; Phân vùng điện có thể tiếp tục được chia thành phân phối điện, dấu vết tần số vô tuyến, mạch và tín hiệu nhạy cảm và phân vùng nối đất. Đầu tiên, chúng ta sẽ nói về vấn đề phân vùng vật lý. Vị trí phần tử là chìa khóa để đạt được thiết kế RF. Một kỹ thuật hiệu quả là bắt đầu bằng cách cố định các thành phần nằm trên đường dẫn RF và điều chỉnh hướng của chúng để giảm thiểu chiều dài của đường dẫn RF, giữ đầu vào cách xa đầu ra và tách các thành phần càng xa càng tốt. Mạch nguồn và mạch công suất thấp. Một phương pháp xếp chồng bảng hiệu quả là sắp xếp mặt phẳng mặt đất chính (mặt đất chính) trên lớp thứ hai bên dưới lớp bề mặt và đặt các đường RF trên lớp bề mặt bất cứ khi nào có thể. Giảm kích thước lỗ thông qua đường dẫn RF không chỉ làm giảm độ tự cảm của đường dẫn mà còn làm giảm các mối hàn bóng ma trên mặt đất chính và giảm cơ hội rò rỉ năng lượng RF sang các khu vực khác trong ngăn xếp. Trong không gian vật lý, các mạch tuyến tính như bộ khuếch đại đa giai đoạn thường đủ để cô lập nhiều vùng RF với nhau, nhưng bộ song công, bộ trộn và bộ khuếch đại/bộ trộn IF luôn có nhiều RF/IF. Các tín hiệu giao thoa với nhau, vì vậy phải cẩn thận để giảm thiểu hiệu ứng này. Các dấu vết tần số vô tuyến và tần số trung bình nên được cắt ngang càng nhiều càng tốt, với không gian nối đất giữa chúng càng tốt. Định tuyến RF chính xác là rất quan trọng đối với hiệu suất của toàn bộ PCB, đó là lý do tại sao vị trí linh kiện thường chiếm phần lớn thời gian trong thiết kế PCB của điện thoại di động. Trên PCB điện thoại di động, thường có thể đặt mạch LNA ở một bên của PCB, bộ khuếch đại công suất cao ở phía bên kia và cuối cùng kết nối chúng với xử lý băng cơ sở ở phía RF và cùng một vị trí thông qua bộ song công trên ăng-ten của thiết bị. Một số thủ thuật là cần thiết để đảm bảo rằng các lỗ thông qua thẳng không truyền năng lượng RF từ một bên của tấm sang bên kia, một kỹ thuật phổ biến là sử dụng các lỗ mù ở cả hai bên. Các tác động bất lợi của việc đi qua lỗ thông qua có thể được giảm thiểu bằng cách sắp xếp các lỗ thông qua thẳng ở các khu vực không bị nhiễu RF ở cả hai bên của PCB.

Đôi khi không thể đảm bảo đủ sự cô lập giữa nhiều khối mạch, trong trường hợp này, lá chắn kim loại phải được xem xét để che chắn năng lượng RF trong khu vực RF, nhưng lá chắn kim loại cũng có vấn đề, chẳng hạn như chi phí riêng của nó và chi phí lắp ráp rất đắt; Lá chắn kim loại có hình dạng bất thường khó đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình sản xuất, và lá chắn kim loại hình chữ nhật hoặc hình vuông hạn chế bố cục của các thành phần; Lá chắn kim loại không có lợi cho việc thay thế linh kiện và định vị thất bại; Vì lá chắn kim loại phải được hàn vào mặt đất và phải ở một khoảng cách thích hợp từ các thành phần, chiếm không gian bảng PCB có giá trị. Điều quan trọng là phải đảm bảo tính toàn vẹn của lá chắn bất cứ khi nào có thể. Các đường tín hiệu kỹ thuật số đi vào lá chắn kim loại phải càng sâu càng tốt vào lớp bên trong và bảng mạch PCB bên dưới lớp dây là lớp nối đất. Các đường tín hiệu RF có thể được dẫn ra từ các khoảng trống nhỏ ở dưới cùng của lá chắn kim loại và các lớp dây tại các khoảng trống mặt đất, nhưng chúng nên được phân phối xung quanh các khoảng trống càng nhiều càng tốt, và mặt đất của các lớp khác nhau có thể được kết nối với nhau thông qua nhiều lỗ. Mặc dù các vấn đề trên, lá chắn kim loại rất hiệu quả và thường là giải pháp để cô lập các mạch quan trọng. Ngoài ra, việc tách nguồn điện chip hiệu quả và phù hợp cũng rất quan trọng. Nhiều chip RF có dây tuyến tính tích hợp rất nhạy cảm với tiếng ồn nguồn, thường mỗi chip cần tới bốn tụ điện và một cuộn cảm cách ly để đảm bảo tất cả tiếng ồn nguồn được lọc ra).

Giá trị của tụ điện thường được xác định bởi tần số tự cộng hưởng của nó và cảm ứng chì thấp, và giá trị của C4 được chọn phù hợp. Các giá trị của C3 và C2 tương đối lớn do cảm ứng pin của riêng chúng, vì vậy hiệu ứng tách nối RF ít hơn, nhưng chúng phù hợp hơn để lọc các tín hiệu tiếng ồn tần số thấp hơn. Bộ cảm ứng L1 ngăn chặn các tín hiệu RF nối vào chip từ các dây điện. Hãy nhớ: tất cả các dấu vết là một ăng-ten tiềm năng có thể both nhận và truyền tín hiệu RF, và nó cũng là cần thiết để cô lập các tín hiệu RF gây ra từ dây chuyền quan trọng. Vị trí vật lý của các thành phần tách nối này cũng thường là quan trọng. Các nguyên tắc bố trí cho các thành phần quan trọng này là: C4 nên càng gần càng tốt với chân IC và đặt đất, C3 phải gần C4, C2 phải gần C3 và chân IC phải gần C4. Các dấu vết kết nối nên ngắn nhất có thể, và các đầu cuối mặt đất của các thành phần này (đặc biệt là C4) thường nên được kết nối với các chân mặt đất của chip thông qua phẳng mặt đất tiếp theo. Các vias kết nối các thành phần với lớp mặt đất nên càng gần càng tốt với các miếng đệm thành phần trên PCB. Các lỗ mù trên miếng đệm được sử dụng để giảm điện cảm của đường kết nối, và điện cảm nên gần C1. Một mạch tích hợp hoặc bộ khuếch đại thường có đầu ra thoát nước mở, vì vậy một cảm ứng kéo được yêu cầu để cung cấp tải RF trở kháng cao và nguồn DC trở kháng thấp. Nguyên tắc tương tự áp dụng cho việc tách kết nối nguồn cung cấp trên phía cảm ứng này. Một số chip yêu cầu nhiều nguồn cung cấp điện để hoạt động, vì vậy bạn có thể cần hai hoặc ba bộ tụ điện và cảm ứng để tách chúng ra riêng biệt, điều này có thể gây ra một số rắc rối nếu không có đủ không gian xung quanh chip. Hãy nhớ rằng các bộ cảm hiếm khi gần nhau song song, vì điều này sẽ tạo thành một biến áp lõi không khí và gây ra các tín hiệu can thiệp, vì vậy chúng phải ít nhất cách xa một trong những thiết bị cao, hoặc ở góc thẳng để giảm khả năng cảm ứng lẫn nhau của chúng đến.

Các nguyên tắc của phân vùng điện thường giống như phân vùng vật lý, nhưng có một số yếu tố khác liên quan. Một số bộ phận của điện thoại di động hiện đại hoạt động ở các điện áp khác nhau và được điều khiển bởi phần mềm để kéo dài tuổi thọ pin. Điều này có nghĩa là điện thoại cần chạy nhiều nguồn điện, tạo ra nhiều vấn đề về cách ly hơn. Nguồn điện thường được giới thiệu từ đầu nối và được tách ra ngay lập tức trước khi phân phối thông qua một bộ công tắc hoặc bộ điều chỉnh điện áp để lọc bất kỳ tiếng ồn nào bên ngoài bảng mạch. Hầu hết các mạch trong điện thoại di động có dòng điện DC khá nhỏ, vì vậy chiều rộng dấu vết thường không phải là vấn đề, tuy nhiên, các dấu vết dòng điện lớn riêng lẻ phải được chạy rộng nhất có thể cho nguồn điện của bộ khuếch đại công suất cao để giảm thiểu điện áp truyền tải. Để tránh mất quá nhiều dòng điện, cần có nhiều lỗ để truyền dòng điện từ lớp này sang lớp khác. Ngoài ra, nếu bộ khuếch đại công suất cao không được tách rời hoàn toàn tại chân nguồn của nó, tiếng ồn công suất cao sẽ tỏa ra khắp bảng và gây ra nhiều vấn đề khác nhau. Việc nối đất cho các bộ khuếch đại công suất cao là rất quan trọng và thường cần được che chắn bằng kim loại. Trong hầu hết các trường hợp, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng đầu ra RF ở xa đầu vào RF. Điều này cũng áp dụng cho bộ khuếch đại, bộ đệm và bộ lọc. Trong trường hợp xấu nhất, bộ khuếch đại và bộ đệm có nguy cơ dao động tự kích thích nếu đầu ra của chúng được đưa trở lại đầu vào ở pha và biên độ thích hợp. Chúng hoạt động ổn định trong mọi điều kiện nhiệt độ và điện áp. Trên thực tế, chúng có thể trở nên không ổn định và thêm nhiễu và tín hiệu điều chế lẫn nhau vào tín hiệu RF.

Nếu đường tín hiệu RF phải quay trở lại đầu ra từ đầu vào của bộ lọc, điều này có thể làm suy yếu đáng kể các đặc tính băng thông của bộ lọc. Để có được sự cách ly tốt giữa đầu vào và đầu ra, đầu tiên, một mặt đất phải được đặt xung quanh bộ lọc và thứ hai, mặt đất phải được đặt ở khu vực thấp hơn của bộ lọc và được kết nối với mặt đất chính xung quanh bộ lọc. Nó cũng là một ý tưởng tốt để di chuyển các đường tín hiệu cần phải đi qua bộ lọc càng xa chân bộ lọc càng tốt. Ngoài ra, hãy rất cẩn thận với việc nối đất bất cứ nơi nào trên bảng, nếu không bạn có thể vô tình giới thiệu một kênh ghép nối mà bạn không muốn xảy ra. Hình 3 mô tả chi tiết phương pháp tiếp đất này. Đôi khi có thể chọn các đường tín hiệu RF đơn hoặc cân bằng, và các nguyên tắc tương tự về nhiễu chéo và EMC/EMI cũng áp dụng cho điều này. Các đường tín hiệu RF cân bằng có thể làm giảm tiếng ồn và nhiễu chéo nếu được định tuyến chính xác, nhưng chúng thường có trở kháng cao và nên duy trì độ rộng đường hợp lý để có được trở kháng phù hợp với nguồn, dấu vết và tải. Thực tế có thể gặp khó khăn trong việc nối dây. Bộ đệm có thể được sử dụng để tăng độ cô lập vì nó có thể chia tín hiệu giống nhau thành hai phần và sử dụng nó để điều khiển các mạch khác nhau, đặc biệt nếu LO có thể cần bộ đệm để điều khiển nhiều bộ trộn. Khi bộ trộn đạt đến cách ly chế độ chung ở tần số RF, nó sẽ không hoạt động đúng. Bộ đệm rất tốt trong việc cô lập các thay đổi trở kháng ở các tần số khác nhau để các mạch không can thiệp vào nhau. Bộ đệm đi một chặng đường dài trong thiết kế, chúng có thể được đặt trực tiếp sau mạch cần được điều khiển để các dấu vết đầu ra công suất cao ngắn và vì bộ đệm có mức tín hiệu đầu vào tương đối thấp, chúng không dễ bị ảnh hưởng bởi các mạch khác trên bảng. Mạch điện gây nhiễu. Ngoài ra còn có nhiều tín hiệu và đường điều khiển rất nhạy cảm cần được chú ý đặc biệt, nhưng chúng nằm ngoài phạm vi của bài viết này, vì vậy chúng chỉ được thảo luận ngắn gọn ở đây và sẽ không được mô tả chi tiết.

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) chuyển đổi điện áp thay đổi thành tần số thay đổi, một tính năng được sử dụng để chuyển đổi kênh tốc độ cao, nhưng chúng cũng chuyển đổi một lượng nhỏ tiếng ồn trên điện áp điều khiển thành những thay đổi tần số nhỏ, cho phép tín hiệu RF tăng tiếng ồn. Nói chung, sau thời gian này, bạn sẽ không còn có thể loại bỏ tiếng ồn từ tín hiệu đầu ra RF. Vậy khó khăn ở đâu? Đầu tiên, phạm vi băng thông mong muốn của đường điều khiển có thể dao động từ DC đến 2MHz, và việc lọc trong một băng tần rộng như vậy để loại bỏ tiếng ồn là gần như không thể; Thứ hai, đường dây điều khiển VCO thường là một phần của vòng lặp phản hồi để điều khiển tần số và trong nhiều trường hợp, tiếng ồn có thể ở khắp mọi nơi, vì vậy đường dây điều khiển VCO phải được xử lý rất cẩn thận. Đảm bảo rằng mặt đất bên dưới dấu vết RF là chắc chắn và tất cả các thành phần được gắn chắc chắn vào mặt đất chính và được cách ly khỏi các dấu vết khác có thể gây ra tiếng ồn. Ngoài ra, đảm bảo nguồn điện của VCO được tách hoàn toàn vì đầu ra RF của VCO có xu hướng ở mức tương đối cao và tín hiệu đầu ra của VCO có thể dễ dàng can thiệp vào các mạch khác, do đó phải đặc biệt chú ý đến VCO. Trên thực tế, VCO thường được đặt ở cuối khu vực RF và đôi khi cần được che chắn bằng kim loại.

Mạch cộng hưởng (một cho máy phát và một cho máy thu) có liên quan đến VCO, nhưng cũng có những đặc điểm riêng của nó. Nói một cách đơn giản, mạch cộng hưởng là một mạch cộng hưởng song song với điốt điện dung giúp thiết lập tần số hoạt động của VCO và điều chỉnh giọng nói hoặc dữ liệu lên tín hiệu RF. Tất cả các nguyên tắc thiết kế VCO đều áp dụng như nhau cho các mạch cộng hưởng. Các mạch cộng hưởng thường rất nhạy cảm với tiếng ồn vì chúng có khá nhiều thành phần, phân bố rộng rãi trên bảng và thường hoạt động ở tần số RF rất cao. Các tín hiệu thường được sắp xếp trên các chân liền kề của chip, nhưng các chân tín hiệu này cần phải hoạt động với các cuộn cảm và tụ điện tương đối lớn, do đó đòi hỏi các cuộn cảm và tụ điện này phải ở gần nhau và được kết nối trở lại vòng điều khiển nhạy cảm với tiếng ồn. Sẽ không dễ dàng gì đâu. Bộ khuếch đại điều khiển tăng tự động (AGC) cũng là một nơi dễ xảy ra sự cố và sẽ có một bộ khuếch đại AGC trong cả mạch phát và nhận. Bộ khuếch đại AGC thường lọc tiếng ồn một cách hiệu quả, nhưng khả năng của điện thoại di động để xử lý sự thay đổi nhanh chóng về cường độ tín hiệu truyền và nhận đòi hỏi một băng thông khá rộng cho mạch AGC, cho phép bộ khuếch đại AGC trên một số mạch quan trọng dễ dàng giới thiệu tiếng ồn. Kỹ thuật thiết kế mạch analog tốt phải được tuân theo khi thiết kế đường AGC, liên quan đến các chân đầu vào của bộ khuếch đại hoạt động rất ngắn và đường dẫn phản hồi rất ngắn, cả hai đều phải tránh xa các dấu vết tín hiệu kỹ thuật số RF, IF hoặc tốc độ cao. Ngoài ra, việc nối đất tốt là rất quan trọng và nguồn điện của chip phải được tách rời tốt. Nếu bạn phải kết nối một dây dài ở đầu vào hoặc đầu ra, đó là ở đầu ra, trở kháng ở đầu ra thường thấp hơn nhiều và ít gây ra tiếng ồn cảm ứng điện hơn. Thông thường mức tín hiệu càng cao, tiếng ồn càng dễ dàng được đưa vào các mạch khác. Trong tất cả các thiết kế PCB, đó là một nguyên tắc phổ biến để giữ mạch kỹ thuật số càng xa mạch analog càng tốt, và điều này cũng áp dụng cho thiết kế PCB RF. Nền tảng mô phỏng phổ biến thường quan trọng như nền tảng được sử dụng để che chắn và phân tách các đường tín hiệu, và vấn đề là bạn đang làm rất ít trong lĩnh vực này mỗi lần mà không có tầm nhìn xa và lập kế hoạch cẩn thận. Do đó, điều quan trọng là phải lập kế hoạch cẩn thận, đặt các thành phần chu đáo và đánh giá vị trí kỹ lưỡng trong giai đoạn đầu của thiết kế, vì những thay đổi thiết kế không chủ ý có thể dẫn đến việc phải xây dựng lại thiết kế gần hoàn thành. Dù bằng cách nào, hậu quả nghiêm trọng của sự cẩu thả này không phải là một điều tốt cho sự phát triển nghề nghiệp cá nhân của bạn. Ngoài ra, hãy chắc chắn rằng các đường RF được đặt cách xa các đường analog và một số tín hiệu kỹ thuật số rất quan trọng. Tất cả các dấu vết RF, pad và cụm phải được lấp đầy bằng đồng mặt đất càng nhiều càng tốt và được gắn vào dây mặt đất chính càng tốt. Các bảng xây dựng vi lỗ như bảng bánh mì rất hữu ích trong giai đoạn phát triển mạch RF và nếu bạn chọn bảng xây dựng, bạn có thể sử dụng bao nhiêu lỗ thông qua miễn phí, nếu không khoan trên PCB thông thường sẽ làm tăng chi phí phát triển, làm tăng chi phí khi sản xuất hàng loạt.

Nếu dấu vết RF phải đi qua đường tín hiệu, hãy thử định tuyến một lớp dấu vết RF giữa chúng để nối với đường mặt đất chính. Nếu điều đó là không thể, hãy đảm bảo chúng vượt qua để giảm thiểu khớp nối điện dung và nối đất càng nhiều càng tốt xung quanh mỗi dấu vết RF trước khi kết nối chúng với mặt đất chính. Ngoài ra, giảm khoảng cách giữa các dấu vết RF song song có thể làm giảm khớp nối cảm ứng. Các mặt phẳng mặt đất nguyên khối rắn được đặt trực tiếp dưới lớp bề mặt, cách ly hiệu ứng, mặc dù thiết kế cẩn thận hơn một chút, các thực hành khác cũng hoạt động. Tôi đã cố gắng tách mặt phẳng mặt đất thành nhiều mảnh để cô lập các đường analog, kỹ thuật số và RF, nhưng tôi không bao giờ hài lòng với kết quả vì sẽ luôn có một số đường tín hiệu tốc độ cao đi qua các mặt đất riêng biệt này và điều đó không tốt. Trên mỗi lớp của bảng mạch PCB, đặt càng nhiều dây sàn càng tốt và kết nối chúng với dây sàn chính. Đặt các dấu vết càng gần nhau càng tốt để tăng số lượng pad trên các tín hiệu bên trong và lớp phân phối điện, và điều chỉnh các dấu vết để nối đất qua lỗ được định tuyến đến pad cách ly trên bề mặt. Nên tránh tiếp đất tự do ở tất cả các lớp của bảng mạch PCB vì chúng sẽ nhận hoặc tiêm tiếng ồn giống như ăng-ten nhỏ.