El diseño de la placa de circuito del circuito de radiofrecuencia (RF) se basará en la comprensión de los principios básicos de la estructura de la placa de circuito, el cableado de alimentación y la conexión a tierra. Este documento analiza los principios básicos relevantes y proporciona algunas tecnologías prácticas y verificadas de cableado de energía, derivación de energía y conexión a tierra, que pueden mejorar efectivamente el índice de rendimiento del diseño de RF. Teniendo en cuenta que la señal espuria de PLL es muy sensible al acoplamiento de potencia, la conexión a tierra y la posición de los elementos filtrantes en el diseño práctico, este artículo se centra en los métodos de supresión de señales espurias de PLL. Para ilustrar el problema, este documento toma el diseño de PCB del transceptor max2827 802.11a/g como diseño de referencia.
Al diseñar un circuito de RF, el diseño del circuito de alimentación y la disposición de la placa de circuito a menudo se dejan después de completar el diseño de la ruta de la señal de alta frecuencia. Para el diseño sin una consideración cuidadosa, el voltaje de la fuente de alimentación alrededor del circuito es fácil de producir una salida incorrecta y ruido, lo que afectará aún más el rendimiento del circuito de RF. Asigne razonablemente capas de PCBCable VCC con topología en estrella (como se muestra en la Figura 1), y agregar un capacitor de desacoplamiento apropiado al pin VCC ayudará a mejorar el rendimiento del sistema y obtener el mejor índice.
Figura 1: Cableado VCC para topología en estrella
Principios básicos de cableado de potencia y bypass.
La asignación inteligente de capas de PCB facilita la simplificación del procesamiento de cableado posterior para una PCB de cuatro capas (WLAN
En la mayoría de las aplicaciones, la capa superior de la placa de circuito se usa para colocar componentes y cables de RF, la segunda capa se usa como tierra del sistema, la parte de energía se coloca en la tercera capa y cualquier línea de señal se puede distribuir en la cuarta. capa. El diseño continuo del plano de tierra de la segunda capa es muy necesario para establecer una ruta de señal de RF controlada por impedancia. También es conveniente obtener un bucle de tierra lo más corto posible, proporcionar un alto grado de aislamiento eléctrico para la primera y tercera capas y minimizar el acoplamiento entre las dos capas. Por supuesto, también se pueden usar otras definiciones de capas de placa (especialmente cuando la placa de circuito tiene diferentes capas), pero la estructura anterior es un ejemplo exitoso demostrado.
La capa de energía de área grande puede facilitar el cableado de VCC, pero esta estructura a menudo conduce a problemas sistémicos.
Para un fusible deteriorado, conectar todos los cables de alimentación juntos en un plano grande no evitará la transmisión de ruido entre pines. Por el contrario, si se utiliza una topología en estrella, se reducirá el acoplamiento entre diferentes pines de alimentación. La Figura 1 muestra el esquema de cableado VCC de la conexión en estrella, que se toma de la placa de evaluación del transceptor max2826 IEEE 802.11a/g. En la figura, se establece un nodo VCC principal, desde el cual salen líneas eléctricas de diferentes ramas para suministrar energía al pin de alimentación del RF IC. Cada pin de fuente de alimentación utiliza cables independientes para proporcionar aislamiento espacial entre los pines, lo que favorece la reducción del acoplamiento entre ellos. Además, cada cable también tiene una determinada inductancia parásita, que es exactamente lo que queremos. Ayuda a filtrar el ruido de alta frecuencia en la línea eléctrica.
Cuando se utiliza un cable VCC de topología en estrella, también es necesario realizar un desacoplamiento de energía adecuado y hay un espacio en el capacitor de desacoplamiento.
Inductancia parásita fija.
De hecho, la capacitancia es equivalente a un circuito RLC en serie. La capacitancia juega un papel protagonista en la banda de baja frecuencia, pero en la frecuencia de oscilación autoexcitada (SRF):
Cuando la frecuencia es mayor que FS, la impedancia del capacitor mostrará inductancia. Se puede ver que el capacitor tiene efecto de desacoplamiento solo cuando la frecuencia está cerca o es menor que su SRF, y la capacitancia muestra una baja resistencia en estos puntos de frecuencia. La Figura 2 muestra los parámetros típicos de S11 bajo diferentes valores de capacitancia. A partir de estas curvas podemos ver claramente el SRF. También se puede ver que cuanto mayor sea la capacitancia, mejor será el rendimiento de desacoplamiento proporcionado a frecuencias más bajas (cuanto menor sea la impedancia presentada).
Fig. 2 curvas de impedancia de diferentes capacitancias
Es mejor colocar un condensador de alta capacidad en el nodo principal de topología en estrella VCC, como 2.2 & micro; F. El condensador tiene un SRF bajo, lo que es muy eficaz para eliminar el ruido de baja frecuencia y establecer un voltaje de CC estable. Cada pin de alimentación del IC necesita un condensador de baja capacidad (como 10 nf) para filtrar el ruido de alta frecuencia que puede estar acoplado a la línea de alimentación. Para aquellos pines de alimentación que suministran energía a circuitos sensibles al ruido, es posible que se requieran dos condensadores de derivación. Por ejemplo, el uso de un condensador de 10 PF en paralelo con un condensador de 10 nf para proporcionar derivación puede proporcionar desacoplamiento en un rango de frecuencia más amplio y eliminar la influencia del ruido en el voltaje de la fuente de alimentación en la medida de lo posible. Cada pin de la fuente de alimentación debe revisarse cuidadosamente para determinar cuánta capacitancia de desacoplamiento se requiere y en qué puntos de frecuencia el circuito real es vulnerable a la interferencia de ruido.
Una buena tecnología de desacoplamiento de energía combinada con un diseño riguroso de PCB y un cable VCC (topología en estrella) puede sentar una base sólida para cualquier diseño de sistema de RF. Aunque existen otros factores que reducen el índice de rendimiento del sistema en el diseño actual, disponer de una fuente de alimentación "libre de ruido" es el elemento básico para optimizar el rendimiento del sistema.
Figura 3: modelo de características eléctricas de vía
Puesta a tierra y vía diseño.
El diseño y los cables del estrato también son la clave para el diseño de la placa de circuito WLAN. Afectarán directamente a los parámetros parásitos de la placa de circuito y tienen el peligro oculto de reducir el rendimiento del sistema. No existe un esquema de puesta a tierra único en el diseño de circuitos de RF y se pueden lograr índices de rendimiento satisfactorios de varias maneras. El plano de tierra o cable se puede dividir en tierra de señal analógica y tierra de señal digital, y también se pueden aislar circuitos con gran consumo de corriente o energía. Según la experiencia previa en diseño de la placa de evaluación WLAN, se pueden obtener buenos resultados utilizando una capa de conexión a tierra separada en la placa de cuatro capas. Con estos métodos empíricos, la parte de RF se separa de otros circuitos por estrato y se puede evitar la interferencia cruzada entre señales. Como se describió anteriormente, la segunda capa de la placa de circuito generalmente se usa como plano de tierra y la primera capa se usa para colocar componentes y cables de RF.
Una vez determinada la capa de conexión a tierra, es muy importante conectar todas las conexiones a tierra de la señal a la capa con el camino más corto. Por lo general, se utilizan vías para conectar el cable de tierra en la capa superior a la capa. Cabe señalar que las vías son inductivas. La Figura 3 muestra el modelo de característica eléctrica precisa de vía, en el que Lvia es la inductancia de vía y CVIA es la capacitancia parásita de la almohadilla de PCB de vía. Si se adopta la tecnología de disposición del cable a tierra que se analiza aquí, se puede ignorar la capacitancia parásita. Una vía de 1.6 mm de profundidad con una apertura de 0.2 mm tiene una inductancia de aproximadamente 0.75 nh, y la reactancia equivalente en la banda WLAN de 2.5 ghz/5.0 ghz es de aproximadamente 12 Ω / 24 Ω. Por lo tanto, una vía de conexión a tierra no puede proporcionar una conexión a tierra real para las señales de RF. Para un diseño de placa de circuito de alta calidad, se deben proporcionar tantas vías de conexión a tierra como sea posible en el circuito de RF, especialmente para las almohadillas de conexión a tierra expuestas en el embalaje general de circuitos integrados. Una conexión a tierra deficiente también producirá radiación dañina en el extremo frontal del receptor o en el amplificador de potencia, lo que reducirá la ganancia y el índice de figura de ruido. También cabe señalar que una mala soldadura de la plataforma de tierra puede causar el mismo problema. Además, el consumo de energía del amplificador de potencia también requiere múltiples vías que conecten la formación.
Figura 4 Diseño del elemento de filtro PLL tomando como ejemplo la placa de diseño de referencia max2827
Filtre el ruido de otras etapas y suprima el ruido local, para eliminar la interferencia cruzada entre etapas a través de la línea eléctrica, lo cual es el beneficio del desacoplamiento VCC. Si el capacitor de desacoplamiento usa la misma vía de puesta a tierra, debido al efecto inductivo entre la vía y tierra, las vías en estos puntos de conexión transportarán toda la interferencia de RF de las dos fuentes de alimentación, lo que no solo pierde la función del capacitor de desacoplamiento, pero también proporciona otra vía para el acoplamiento de ruido entre etapas en el sistema.
En la última parte de este artículo, veremos que la implementación de PLL siempre enfrenta grandes desafíos en el diseño de sistemas. Para obtener características espurias satisfactorias, debemos tener una buena disposición del cable de tierra. En la actualidad, todos los PLL y VCO están integrados en el chip en el diseño de IC. La mayoría de los PLL utilizan la salida de la bomba de carga de corriente digital para controlar el VCO a través de un filtro de bucle. Generalmente, es necesario filtrar la corriente de pulso digital de la bomba de carga con un filtro de bucle RC de segundo o tercer orden para obtener el voltaje de control analógico. Los dos condensadores cercanos a la salida de la bomba de carga deben estar conectados directamente a tierra del circuito de la bomba de carga. De esta manera, la ruta de la corriente de pulso del bucle de tierra se puede aislar para minimizar la frecuencia parásita correspondiente en lo. El tercer condensador (para filtros de tercer orden) debe conectarse directamente a la capa VCO para evitar que el voltaje de control flote con la corriente digital. Si se violan estos principios, se producirán considerables componentes extraviados. La Figura 4 muestra un ejemplo de cableado de PCB. Hay muchas vías de conexión a tierra en la plataforma de conexión a tierra, lo que permite que cada condensador de desacoplamiento VCC tenga sus propias vías de conexión a tierra independientes. El circuito en el bloque es un filtro de bucle PLL, y el primer capacitor está conectado directamente a GND_ CP, y el segundo capacitor (conectado en serie con una R) gira 180 grados para regresar al mismo GND_ CP, el tercer capacitor está conectado con la conexión GND_VCO. Este esquema de puesta a tierra puede obtener un alto rendimiento del sistema.
La supresión de señales espurias de PLL mediante una fuente de alimentación y una conexión a tierra adecuadas para cumplir con los requisitos de la plantilla de espectro de transmisión del sistema 802.11a/b/g es una dificultad en el proceso de diseño. Es necesario equilibrar el índice de linealidad y el consumo de energía, y dejar un cierto margen para garantizar el cumplimiento de las especificaciones IEEE y FCC con la premisa de mantener una potencia de transmisión suficiente. La potencia de salida típica requerida por el sistema IEEE 802.11g en el antena El extremo es de 15 dBm y -28 dBm cuando la desviación de frecuencia es de 20 MHz. La relación de rechazo de potencia (ACPR) de los canales adyacentes en la banda de frecuencia es una función de las características lineales del dispositivo, que es correcta para una aplicación específica en una determinada premisa. Gran parte del trabajo para optimizar las características de ACPR en el canal de transmisión se realiza ajustando la polarización del IC TX y el PA en función de la experiencia, y sintonizando la red de adaptación de la etapa de entrada, la etapa de salida y la etapa intermedia del PA.
Sin embargo, no todos los problemas que causan ACPR se atribuyen a las características lineales del dispositivo. Un buen ejemplo es que después de una serie de ajustes y optimización del amplificador de potencia y del controlador PA (los dos factores que juegan un papel importante en ACPR), las características del canal adyacente del transmisor WLAN aún no pueden cumplir con los indicadores esperados. En este momento, cabe señalar que la señal parásita del oscilador local (LO) en el PLL del transmisor también degradará el rendimiento del ACPR. La señal espuria de Lo se mezclará con la señal de banda base modulada y los componentes mezclados se amplificarán a lo largo del canal de señal esperado. Este efecto de mezcla causará problemas sólo cuando el componente perdido de PLL sea superior a un cierto umbral. Cuando es inferior a un cierto umbral, la ACPR estará restringida principalmente por la no linealidad de la PA. Cuando la potencia de salida de TX y las características de la plantilla de espectro son "lineales limitadas", debemos equilibrar el índice lineal y la potencia de salida; Si la característica espuria se convierte en el principal factor que restringe el desempeño del ACPR, nos enfrentaremos a la "limitación espuria". Necesitamos sesgar el PA en un punto operativo más alto bajo el puchero especificado para debilitar su impacto en ACPR, que consumirá más corriente y limitará la flexibilidad del diseño.
La discusión anterior plantea otro problema, es decir, cómo limitar efectivamente el componente espurio de PLL dentro de un cierto rango para que no afecte el espectro de transmisión. Una vez que se encuentra el componente espurio, la primera idea es reducir el ancho de banda del filtro de bucle PLL para atenuar la amplitud de la señal espuria. Este método es eficaz en muy pocos casos, pero tiene algunos problemas potenciales.
Figura 5: efecto del filtro de bucle
La figura 5 muestra un caso hipotético. Se supone que en el diseño se adopta un sintetizador de n divisiones con una frecuencia relativa de 20 MHz. Si el filtro de bucle es de segundo orden, la frecuencia de corte es de 200 kHz, la tasa de caída suele ser de 40 dB/década y se puede obtener una atenuación de 80 dB a una frecuencia de 20 MHz. Si el componente espurio de referencia es - 40 dBC (asumiendo el nivel que puede conducir a componentes de modulación dañinos), el mecanismo de generación espuria puede estar más allá del rango de acción del filtro de bucle (si se genera antes que el filtro, su amplitud puede ser muy grande). El ancho de banda del filtro de bucle comprimido no mejorará las características espurias, pero sí mejorará el tiempo de bloqueo de fase del PLL, lo que tiene un impacto negativo evidente en el sistema.
La experiencia ha demostrado que la forma más efectiva de suprimir la pérdida de PLL debe ser una conexión a tierra, un diseño de energía y una tecnología de desacoplamiento razonables. El principio de cableado analizado en este artículo es un buen diseño que comienza a reducir el componente parásito del PLL. Considerando la gran variación de corriente en la bomba de carga, es necesario adoptar una topología en estrella. Si no hay suficiente aislamiento, el ruido generado por el pulso de corriente se acoplará a la fuente de alimentación del VCO para modular la frecuencia del VCO, lo que comúnmente se denomina "tracción VCO".
El aislamiento se puede mejorar mediante espaciamiento físico entre líneas eléctricas, capacitancia de desacoplamiento de cada pin VCC, colocación razonable de vías de tierra, introducción de un elemento de ferrita en serie (como último medio), etc. Las medidas anteriores no necesitan ser utilizado completamente en cada diseño, y el uso apropiado de cada método reducirá efectivamente la amplitud parásita.
Figura 6: resultados irrazonables de la prueba de desacoplamiento VCC_VCO
La Figura 6 proporciona un resultado debido al irrazonable esquema de desacoplamiento de potencia del VCO. La onda de energía muestra que es el efecto de conmutación de la bomba de carga el que causa la fuerte interferencia en la línea eléctrica. Afortunadamente, esta fuerte interferencia se puede suprimir eficazmente aumentando la capacitancia de derivación. Además, si el cableado de alimentación no es razonable, por ejemplo, el cable de alimentación del VCO está justo debajo de la fuente de alimentación de la bomba de carga, se puede observar el mismo ruido en la fuente de alimentación del VCO y la señal parásita generada es suficiente para afectar la Características de la ACPR. Incluso si se refuerza el desacoplamiento, los resultados de las pruebas no mejorarán. En este caso, es necesario investigar el cableado de la PCB y reorganizar el cable de alimentación del VCO, lo que mejorará efectivamente las características parásitas y cumplirá con los indicadores requeridos por la especificación.
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