Retrocesos y soluciones en el diseño de PCB RF

Hay muchas incertidumbres disponibles en el diseño de PCB (placa de circuito impreso) de RF (radiofrecuencia) que, por lo tanto, se describe como "arte negro". En términos generales, cuando se trata de circuitos a una frecuencia por debajo de las microondas (incluidos los circuitos digitales de baja frecuencia y baja frecuencia), el diseño cuidadoso es la garantía del éxito inicial en el diseño de circuitos con todos los principios de diseño dominados. Sin embargo, cuando se trata de frecuencia por encima de microondas y circuitos digitales de nivel de PC de alta frecuencia, dos o tres versiones de PCB son capaces de garantizar la calidad del circuito. Sin embargo, en lo que respecta a los circuitos de RF a una frecuencia superior a las microondas, se necesitan más versiones del diseño de PCB para una mejora constante. Por lo tanto, es seguro que se encontrarán muchas dificultades durante el diseño del circuito de RF.

Los problemas más comunes en el diseño de circuitos de RF

• Interferencia entre el módulo de circuito digital y el módulo de circuito analógico

Cuando el circuito analógico (circuito RF) y el circuito digital funcionan de forma independiente, lo más probable es que puedan funcionar perfectamente. Pero tan pronto como se mezclen en la misma placa de circuito con la misma fuente de alimentación, es posible que todo el sistema se vuelva inestable porque las señales digitales con frecuencia oscilan entre tierra y fuente de alimentación positiva (> 3 V) y el período será muy corto en una escala de nanosegundos. Debido a la mayor amplitud y al menor tiempo de conmutación, todas las señales digitales contendrán elementos de alta frecuencia que son independientes de la frecuencia de conmutación. En las secciones analógicas, el voltaje suele ser inferior a 1 μV desde el bucle de sintonización de radio hasta el receptor del equipo de radio. Por lo tanto, la diferencia entre el bucle de sintonización de radio y las señales de RF puede alcanzar los 120 dB. Evidentemente, si las señales digitales y las señales de RF no se separan claramente, las señales de RF débiles posiblemente sufrirán daños. Como resultado, la funcionalidad del equipo de radio se deteriorará o ni siquiera podrá funcionar.

• Interferencia de ruido de la fuente de alimentación

El circuito de RF es bastante sensible al ruido, lo que es especialmente cierto para el voltaje de falla y otras ondas armónicas de alta frecuencia. El microcontrolador absorberá repentinamente la mayor parte de la corriente dentro de cada período de reloj interno, lo que se debe a que todos los microcontroladores modernos se fabrican con la aplicación de la técnica CMOS. Por lo tanto, suponga que un microcontrolador funciona a una frecuencia de reloj interno de 1 MHz y luego extraerá corriente de la fuente de alimentación a dicha frecuencia. Si no se aplica un desacoplamiento de energía adecuado, se generará una falla de voltaje en las líneas eléctricas. Cuando las fallas de voltaje llegan a los pines de alimentación del circuito de RF, es posible que se produzca una falla grave.

• TIERRA irrazonable

Si GND se configura de manera irrazonable para el circuito de RF, se podrían generar algunos resultados extraños. Cuando se trata de diseño de circuitos digitales, incluso si GND no está disponible, la mayoría de las funciones de circuitos digitales se pueden implementar de manera excelente. Sin embargo, en lo que respecta a RF, incluso una línea de tierra corta desempeñará un papel equivalente como inductor. Se sabe que la inductancia con 1nH es compatible con una longitud de 1 mm, por lo que se puede calcular aproximadamente que la reactancia inductiva de una placa de circuito impreso con una longitud de 10 mm debe ser de aproximadamente 27 Ω. Si no se aplica GND, la mayoría de las líneas de tierra serán tan largas que el circuito no presentará características basadas en el diseño.

• Interferencia radiada por antena en otros circuitos analógicos

En el diseño de diseño de PCB, otros circuitos analógicos también están disponibles en la placa. Por ejemplo, muchos circuitos contienen un convertidor analógico-digital (ADC) o un convertidor digital-analógico (DAC). Las señales de alta frecuencia transmitidas por el transmisor de RF quizás lleguen a la terminal de entrada analógica del ADC porque cualquier línea de circuito transmitirá o recibirá señales de RF como lo hace la antena. Si el terminal de entrada del ADC se procesa de manera inapropiada, es posible que las señales de RF se autoexciten dentro del diodo ESD de la entrada del ADC, lo que provoca una desviación del ADC.

Principios y esquema de diseño de circuitos de RF

• Definición de diseño de RF

A medida que se diseña el diseño de RF, primero se deben cumplir los siguientes principios generales:
① Los amplificadores de alta potencia (HPA) y los amplificadores de bajo ruido (LNA) deben estar separados tanto como sea posible. En pocas palabras, los circuitos de transmisión de RF de alta frecuencia se colocan lejos de los circuitos de recepción de RF de baja frecuencia.
② Al menos debe haber disponible una conexión a tierra completa en el área de alta frecuencia de la placa de circuito impreso y es mejor que no queden orificios pasantes. lugar en eso. Cuanto más grande sea el área de lámina de cobre, mejor.
③ Es equivalentemente significativo para los circuitos y la potencia pasar por el desacoplamiento.
④ La salida de RF debe estar lejos de la entrada de RF.
⑤ Señales analógicas sensibles debe estar lo más lejos posible de señales digitales de alta velocidad y señales de RF.

• Principios de diseño de particiones físicas y particiones eléctricas

Las particiones se pueden clasificar en particiones físicas y particiones eléctricas. El primero se ocupa principalmente de la disposición de los componentes, las orientaciones y el blindaje, mientras que el segundo se puede clasificar en distribución de energía, enrutamiento de RF, circuito sensible, señales y partición de tierra.

una. Principio de división física

Principio de disposición de los componentes. El diseño de componentes juega un papel esencial para contribuir a un diseño de RF bien realizado. La tecnología más efectiva consiste en arreglar primero los componentes que se colocan a lo largo de la ruta de RF y modificar sus orientaciones para que la ruta de RF pueda minimizarse con la entrada lejos de la salida y los circuitos de alta potencia y los circuitos de baja potencia separados tanto como sea posible.

Principio de diseño de laminación de PCB. El método de laminación de circuitos más eficaz consiste en disponer el plano de tierra principal en la segunda capa por debajo del primer plano y disponer las trazas de RF en el primer plano. El tamaño de los orificios pasantes en la ruta de RF debe reducirse al mínimo, lo que puede reducir la inductancia de la ruta y disminuir la cantidad de uniones de soldadura en frío en la conexión a tierra principal. Además, se filtrará menos energía de radiofrecuencia a otras áreas dentro de la laminación.

Componentes de RF y principio de rastreo de RF. Dentro del espacio físico, los circuitos lineales como los amplificadores de etapas múltiples son capaces de separar todas las áreas de RF, pero el dúplex, el mezclador y el amplificador/mezclador de frecuencia media a menudo provocan interferencias mutuas entre múltiples señales de RF/FI. Por lo tanto, este tipo de influencia debe minimizarse cuidadosamente. Las trazas de RF/IF deben cruzarse y debe dejarse un terreno entre ellas. La ruta de RF correcta es muy importante para el rendimiento de la placa de circuito impreso, razón por la cual el diseño de los componentes representa la mayor parte del tiempo en el diseño de placa de circuito impreso de teléfonos móviles.

b. Principio de división eléctrica

Principio de transmisión de potencia. La CC en la mayoría de los circuitos de los teléfonos celulares suele ser bastante baja, por lo que no es necesario considerar cuidadosamente el ancho de la traza. Sin embargo, una traza con gran corriente cuyo ancho sea lo más amplio posible debe diseñarse de forma independiente para la fuente de alimentación de amplificadores de alta potencia para reducir al mínimo el voltaje transmitido. Para evitar demasiada pérdida de corriente, se deben aplicar múltiples orificios pasantes para transmitir corriente de un plano a otro.

Desacoplamiento de potencia de dispositivos de alta potencia. Si no se logra el acoplamiento completo en los pines de alimentación del amplificador de alta potencia, el ruido de alta potencia se irradiará a toda la placa y se generarán muchos problemas. La conexión a tierra del amplificador de alta potencia es muy esencial y, por lo general, se necesita una cubierta protectora de metal para su diseño.

Principio de segregación de entrada/salida de RF. Para la mayoría de las situaciones, es igualmente esencial garantizar que la salida de RF esté lejos de la entrada de RF, que también funciona para el amplificador, el parachoques y el filtro. En las peores situaciones, si la entrada del amplificador y el parachoques se devuelve a su terminal de entrada en una fase y amplitud aceptables, se puede producir una vibración autoexcitada. En las mejores situaciones, podrán trabajar de manera estable a cualquier temperatura y voltaje. De hecho, pueden volverse inestables y agregar ruido y señales de intermodulación a las señales de RF.

Con todo, el circuito de RF presenta efecto de piel y efecto de acoplamiento debido a su circuito de parámetros distribuidos, lo que lo hace diferente del circuito de baja frecuencia y CC. Como resultado, los problemas discutidos anteriormente deben enfatizarse especialmente durante el diseño de la PCB del circuito de RF para que el diseño del circuito pueda ser efectivo y preciso.

Recursos útiles
• Directrices para el diseño de PCB de RF y microondas
• Diseño de PCB para circuitos de radiofrecuencia y compatibilidad electromagnética
• PCBCart ofrece servicio de fabricación de PCB de radiofrecuencia