La disposition du circuit imprimé du circuit radiofréquence (RF) doit être basée sur la compréhension des principes de base de la structure du circuit imprimé, du câblage d'alimentation et de la mise à la terre. Ce document aborde les principes de base pertinents et fournit des technologies pratiques et vérifiées de câblage d'alimentation, de dérivation de puissance et de mise à la terre, qui peuvent améliorer efficacement l'indice de performance de la conception RF. Considérant que le signal parasite PLL est très sensible au couplage de puissance, à la mise à la terre et à la position des éléments de filtre dans la conception pratique, cet article se concentre sur les méthodes de suppression des signaux parasites PLL. Afin d'illustrer le problème, cet article prend la disposition PCB de l'émetteur-récepteur max2827 802.11a/g comme conception de référence.

Lors de la conception de circuits RF, la conception du circuit de puissance et la disposition des cartes de circuits imprimés sont souvent laissées de côté une fois la conception du chemin du signal haute fréquence terminée. Pour la conception sans examen attentif, la tension d'alimentation autour du circuit est facile à produire une sortie et un bruit erronés, ce qui affectera davantage les performances du circuit RF. Allouer raisonnablement les couches de PCBFil VCC avec topologie en étoile (comme indiqué sur la figure 1), et l'ajout d'un condensateur de découplage approprié à la broche VCC contribuera à améliorer les performances du système et à obtenir le meilleur indice.

Figure 1 : Câblage VCC pour topologie en étoile

Principes de base du câblage électrique et du bypass

L'allocation intelligente des couches de PCB facilite la simplification du traitement de câblage ultérieur pour un PCB à quatre couches (WLAN

Dans la plupart des applications, la couche supérieure du circuit imprimé est utilisée pour placer les composants et les câbles RF, la deuxième couche est utilisée comme masse du système, la partie puissance est placée dans la troisième couche et toutes les lignes de signal peuvent être distribuées dans la quatrième. couche. La disposition continue du plan de masse de la deuxième couche est indispensable pour établir un chemin de signal RF à impédance contrôlée. Il est également pratique d'obtenir une boucle de masse aussi courte que possible, de fournir un degré élevé d'isolation électrique pour les première et troisième couches et de minimiser le couplage entre les deux couches. Bien entendu, d’autres définitions de couches de carte peuvent également être utilisées (en particulier lorsque la carte de circuit imprimé comporte différentes couches), mais la structure ci-dessus est un exemple de réussite éprouvé.

Une couche d'alimentation sur une grande surface peut faciliter le câblage VCC, mais cette structure entraîne souvent des problèmes systémiques.

Pour un fusible détérioré, connecter tous les câbles d'alimentation ensemble sur un grand plan n'évitera pas la transmission du bruit entre les broches. A l’inverse, si une topologie en étoile est utilisée, le couplage entre les différentes broches de puissance sera réduit. La figure 1 montre le schéma de câblage VCC de la connexion en étoile, extrait de la carte d'évaluation de l'émetteur-récepteur max2826 IEEE 802.11a/g. Sur la figure, un nœud VCC principal est établi, à partir duquel des lignes électriques de différentes branches sortent pour alimenter la broche d'alimentation du RF IC. Chaque broche d'alimentation utilise des fils indépendants pour fournir une isolation spatiale entre les broches, ce qui contribue à réduire le couplage entre elles. De plus, chaque cordon possède également une certaine inductance parasite, ce qui est exactement ce que nous recherchons. Il aide à filtrer le bruit haute fréquence sur la ligne électrique.

Lors de l'utilisation d'un fil VCC à topologie en étoile, il est également nécessaire de prendre un découplage de puissance approprié, et il y a un écart dans le condensateur de découplage.

Inductance parasite fixe.

En fait, la capacité est équivalente à un circuit RLC série. La capacité joue un rôle prépondérant dans la bande des basses fréquences, mais à la fréquence d'oscillation auto-excitée (SRF) :

Lorsque la fréquence est supérieure à FS, l'impédance du condensateur affichera une inductance. On peut voir que le condensateur a un effet de découplage uniquement lorsque la fréquence est proche ou inférieure à son SRF, et la capacité présente une faible résistance à ces points de fréquence. La figure 2 montre les paramètres typiques du S11 sous différentes valeurs de capacité. A partir de ces courbes, on distingue clairement le SRF. On peut également constater que plus la capacité est grande, meilleures sont les performances de découplage fournies aux basses fréquences (plus l'impédance présentée est faible).

Fig. 2 courbes d'impédance de différentes capacités

Il est préférable de placer un condensateur de grande capacité au niveau du nœud principal de la topologie en étoile VCC, tel que 2.2 & micro; F. Le condensateur a un faible SRF, ce qui est très efficace pour éliminer le bruit basse fréquence et établir une tension continue stable. Chaque broche d'alimentation du circuit intégré nécessite un condensateur de faible capacité (tel que 10 nf) pour filtrer le bruit haute fréquence pouvant être couplé à la ligne électrique. Pour les broches d'alimentation qui alimentent les circuits sensibles au bruit, deux condensateurs de dérivation peuvent être nécessaires. Par exemple, l'utilisation d'un condensateur 10PF en parallèle avec un condensateur 10nf pour fournir un contournement peut assurer un découplage dans une plage de fréquences plus large et éliminer autant que possible l'influence du bruit sur la tension d'alimentation. Chaque broche d'alimentation doit être soigneusement vérifiée pour déterminer la capacité de découplage requise et à quels points de fréquence le circuit réel est vulnérable aux interférences sonores.

Une bonne technologie de découplage de puissance combinée à une disposition rigoureuse des circuits imprimés et un câble VCC (topologie en étoile) peut constituer une base solide pour toute conception de système RF. Bien qu'il existe d'autres facteurs qui réduisent l'indice de performance du système dans la conception réelle, disposer d'une alimentation électrique « sans bruit » est l'élément de base pour optimiser les performances du système.

Figure 3 : modèle caractéristique électrique du via

Mise à la terre et conception via

La disposition et les conducteurs de la strate sont également la clé de la conception du circuit imprimé WLAN. Ils affecteront directement les paramètres parasites du circuit imprimé et présenteront le danger caché de réduire les performances du système. Il n'existe pas de schéma de mise à la terre unique dans la conception des circuits RF, et des indices de performances satisfaisants peuvent être obtenus de plusieurs manières. Le plan de masse ou le fil peut être divisé en masse de signal analogique et masse de signal numérique, et les circuits à forte consommation de courant ou d'énergie peuvent également être isolés. Selon l'expérience de conception précédente de la carte d'évaluation WLAN, de bons résultats peuvent être obtenus en utilisant une couche de mise à la terre séparée dans la carte à quatre couches. Avec ces méthodes empiriques, la partie RF est séparée des autres circuits par strate, et les interférences croisées entre les signaux peuvent être évitées. Comme décrit ci-dessus, la deuxième couche du circuit imprimé est généralement utilisée comme plan de masse et la première couche est utilisée pour placer les composants et les câbles RF.

Une fois la couche de mise à la terre déterminée, il est très important de connecter toutes les masses de signaux à la couche ayant le chemin le plus court. Habituellement, des vias sont utilisés pour connecter le fil de terre de la couche supérieure à la couche. Il convient de noter que les vias sont inductifs. La figure 3 montre le modèle précis des caractéristiques électriques du via, dans lequel Lvia est l'inductance du via et CVIA est la capacité parasite du via PCB pad. Si la technologie de disposition des fils de terre discutée ici est adoptée, la capacité parasite peut être ignorée. Un via de 1.6 mm de profondeur avec une ouverture de 0.2 mm a une inductance d'environ 0.75 nh et la réactance équivalente dans la bande WLAN 2.5 GHz/5.0 GHz est d'environ 12 Ω/24 Ω. Par conséquent, un via de mise à la terre ne peut pas fournir une véritable mise à la terre pour les signaux RF. Pour une conception de circuits imprimés de haute qualité, autant de vias de mise à la terre que possible doivent être fournis dans le circuit RF, en particulier pour les plages de mise à la terre exposées dans les emballages généraux des circuits intégrés. Une mauvaise mise à la terre produira également un rayonnement nocif au niveau du frontal de réception ou de l'amplificateur de puissance, réduisant ainsi l'indice de gain et de bruit. Il convient également de noter qu’une mauvaise soudure du plot de masse peut provoquer le même problème. De plus, la consommation électrique de l'amplificateur de puissance nécessite également plusieurs vias reliant la formation.

Figure 4 Disposition des éléments de filtre PLL en prenant comme exemple la carte de conception de référence max2827

Filtrez le bruit des autres étages et supprimez le bruit local, de manière à éliminer les interférences croisées entre les étages via la ligne électrique, ce qui constitue l'avantage du découplage VCC. Si le condensateur de découplage utilise le même via de mise à la terre, en raison de l'effet inductif entre le via et la terre, les vias à ces points de connexion transporteront toutes les interférences RF des deux alimentations, ce qui non seulement perdra la fonction du condensateur de découplage, mais mais fournit également une autre voie pour le couplage du bruit entre les étages du système.

Dans la suite de cet article, nous verrons que la mise en œuvre de PLL se heurte toujours à de grands défis en matière de conception de système. Afin d’obtenir des caractéristiques parasites satisfaisantes, nous devons disposer d’un bon agencement des fils de terre. À l'heure actuelle, toutes les PLL et VCO sont intégrées dans la puce dans la conception des circuits intégrés. La plupart des PLL utilisent la sortie d'une pompe de charge de courant numérique pour contrôler le VCO via un filtre en boucle. Généralement, il est nécessaire de filtrer le courant d'impulsion numérique de la pompe de charge avec un filtre à boucle RC du deuxième ou du troisième ordre pour obtenir la tension de commande analogique. Les deux condensateurs proches de la sortie de la pompe de charge doivent être directement connectés à la masse du circuit de la pompe de charge. De cette manière, le trajet du courant pulsé de la boucle de masse peut être isolé pour minimiser la fréquence parasite correspondante en lo. Le troisième condensateur (pour les filtres de troisième ordre) doit être directement connecté à la couche VCO pour éviter que la tension de commande ne flotte avec le courant numérique. Si ces principes ne sont pas respectés, cela entraînera une quantité considérable de composants parasites. La figure 4 montre un exemple de câblage de PCB. Il existe de nombreux vias de mise à la terre sur le plot de mise à la terre, permettant à chaque condensateur de découplage VCC d'avoir ses propres vias de mise à la terre indépendants. Le circuit dans le bloc est un filtre à boucle PLL, et le premier condensateur est directement connecté à GND_ CP est connecté, et le deuxième condensateur (connecté en série avec un R) tourne de 180 degrés pour revenir au même GND_ CP, le troisième condensateur est connecté à la connexion GND_VCO. Ce schéma de mise à la terre peut obtenir des performances système élevées.

La suppression des signaux parasites PLL par une alimentation électrique et une mise à la terre appropriées pour répondre aux exigences du modèle de spectre de transmission du système 802.11a/b/g est une difficulté dans le processus de conception. Il est nécessaire d'équilibrer l'indice de linéarité et la consommation d'énergie, et de laisser une certaine marge pour garantir la conformité avec les spécifications IEEE et FCC dans le but de maintenir une puissance de transmission suffisante. La puissance de sortie typique requise par le système IEEE 802.11g au antenne Le rapport de réjection de puissance (ACPR) des canaux adjacents dans la bande de fréquence est une fonction des caractéristiques linéaires de l'appareil, ce qui est correct pour une application spécifique dans certaines conditions. De nombreux travaux sur l'optimisation des caractéristiques ACPR dans le canal de transmission sont réalisés en ajustant la polarisation du circuit intégré TX et du PA en fonction de l'expérience, et en réglant le réseau d'adaptation de l'étage d'entrée, de l'étage de sortie et de l'étage intermédiaire du PA.

Cependant, tous les problèmes à l’origine de l’ACPR ne sont pas attribués aux caractéristiques linéaires du dispositif. Un bon exemple est qu'après une série d'ajustements et d'optimisation de l'amplificateur de puissance et du pilote PA (les deux facteurs qui jouent un rôle majeur dans l'ACPR), les caractéristiques des canaux adjacents de l'émetteur WLAN ne peuvent toujours pas répondre aux indicateurs attendus. À ce stade, il convient de noter que le signal parasite provenant de l'oscillateur local (LO) dans la PLL de l'émetteur dégradera également les performances de l'ACPR. Le signal parasite de Lo sera mélangé avec le signal en bande de base modulé, et les composants mélangés seront amplifiés le long du canal de signal attendu. Cet effet de mélange ne posera des problèmes que lorsque la composante parasite du PLL est supérieure à un certain seuil. Lorsqu’elle est inférieure à un certain seuil, l’ACPR sera principalement limitée par la non-linéarité de l’AP. Lorsque la puissance de sortie TX et les caractéristiques du modèle de spectre sont « linéaires limitées », nous devons équilibrer l'indice linéaire et la puissance de sortie ; Si la caractéristique lo parasite devient le principal facteur limitant les performances de l'ACPR, nous serons confrontés à la « limitation parasite ». Nous devons polariser le PA à un point de fonctionnement plus élevé sous la moue spécifiée pour affaiblir son impact sur l'ACPR, ce qui consommera plus de courant et limitera la flexibilité de conception.

La discussion ci-dessus soulève un autre problème, à savoir comment limiter efficacement la composante parasite de la PLL dans une certaine plage afin qu'elle n'affecte pas le spectre de transmission. Une fois la composante parasite trouvée, la première idée est de réduire la bande passante du filtre de boucle PLL afin d'atténuer l'amplitude du signal parasite. Cette méthode est efficace dans très peu de cas, mais elle présente certains problèmes potentiels.

Figure 5 : effet du filtre de boucle

La figure 5 montre un cas hypothétique. On suppose qu'un synthétiseur à division N avec une fréquence relative de 20 MHz est adopté dans la conception. Si le filtre de boucle est du deuxième ordre, la fréquence de coupure est de 200 kHz, le taux d'atténuation est généralement de 40 dB/décennie et une atténuation de 80 dB peut être obtenue à une fréquence de 20 MHz. Si la composante parasite de référence est de - 40 dbc (en supposant le niveau pouvant conduire à des composantes de modulation nuisibles), le mécanisme de génération parasite peut être au-delà de la plage d'action du filtre de boucle (s'il est généré avant le filtre, son amplitude peut être très grand). La bande passante du filtre à boucle compressée n'améliorera pas les caractéristiques parasites, mais améliorera le temps de verrouillage de phase PLL, ce qui a un impact négatif évident sur le système.

L'expérience a prouvé que le moyen le plus efficace de supprimer les parasites PLL devrait être une mise à la terre, une disposition de l'alimentation et une technologie de découplage raisonnables. Le principe de câblage discuté dans cet article est une bonne conception qui commence à réduire les composants parasites PLL. Compte tenu de la grande variation de courant dans la pompe de charge, il est nécessaire d'adopter une topologie en étoile. S'il n'y a pas suffisamment d'isolation, le bruit généré par l'impulsion de courant sera couplé à l'alimentation du VCO pour moduler la fréquence du VCO, communément appelée « traction du VCO ».

L'isolation peut être améliorée au moyen d'un espacement physique entre les lignes électriques, d'une capacité de découplage de chaque broche VCC, d'un placement raisonnable des vias de mise à la terre, de l'introduction d'un élément de ferrite en série (en dernier moyen), etc. Les mesures ci-dessus n'ont pas besoin d'être améliorées. pleinement utilisé dans chaque conception, et l'utilisation appropriée de chaque méthode réduira efficacement l'amplitude parasite.

Figure 6 : résultats déraisonnables des tests de découplage VCC_VCO

La figure 6 fournit un résultat dû au schéma déraisonnable de découplage de puissance du VCO. L'ondulation de puissance montre que c'est l'effet de commutation de la pompe de charge qui provoque de fortes interférences sur la ligne électrique. Heureusement, ces fortes interférences peuvent être efficacement supprimées en augmentant la capacité de dérivation. De plus, si le câblage d'alimentation est déraisonnable, par exemple, le fil d'alimentation du VCO est juste en dessous de l'alimentation de la pompe de charge, le même bruit peut être observé sur l'alimentation du VCO, et le signal parasite généré est suffisant pour affecter le Caractéristiques ACPR. Même si le découplage est renforcé, les résultats des tests ne seront pas améliorés. Dans ce cas, il est nécessaire d'étudier le câblage du PCB et de réorganiser le fil d'alimentation du VCO, ce qui améliorera efficacement les caractéristiques parasites et répondra aux indicateurs requis par la spécification.

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