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Entwurfsmethode für die Stromversorgung und Erdung von HF-Schaltungen

Erscheinungsdatum: 2021Quelle des Autors: KinghelmAufrufe: 945

Das Leiterplattenlayout einer Hochfrequenzschaltung (RF) muss auf dem Verständnis der Grundprinzipien der Leiterplattenstruktur, der Stromverkabelung und der Erdung basieren. In diesem Dokument werden die relevanten Grundprinzipien erörtert und einige praktische und verifizierte Stromverkabelungs-, Strombypass- und Erdungstechnologien vorgestellt, mit denen sich der Leistungsindex des HF-Designs effektiv verbessern lässt. In Anbetracht der Tatsache, dass PLL-Störsignale im praktischen Design sehr empfindlich auf Stromkopplung, Erdung und die Position von Filterelementen reagieren, konzentriert sich dieser Artikel auf die Methoden zur Unterdrückung von PLL-Störsignalen. Um das Problem zu veranschaulichen, wird in diesem Artikel das PCB-Layout des max2827 802.11a/g-Transceivers als Referenzdesign verwendet.



Beim Entwurf von HF-Schaltkreisen bleibt der Entwurf des Leistungsschaltkreises und des Leiterplattenlayouts oft erst dann übrig, wenn der Entwurf des Hochfrequenzsignalpfads abgeschlossen ist. Bei einem Design ohne sorgfältige Überlegung kann die Versorgungsspannung rund um die Schaltung leicht einen falschen Ausgang und Rauschen erzeugen, was die Leistung der HF-Schaltung weiter beeinträchtigt. PCB-Lagen sinnvoll zuweisenVCC-Leitung mit Sterntopologie (wie in Abbildung 1 dargestellt), und das Hinzufügen eines geeigneten Entkopplungskondensators zum VCC-Pin trägt dazu bei, die Leistung des Systems zu verbessern und den besten Index zu erhalten.


Abbildung 1: VCC-Verkabelung für Sterntopologie


Grundprinzipien der Stromverkabelung und des Bypasses

Eine intelligente PCB-Lagenzuordnung erleichtert die Vereinfachung der nachfolgenden Verkabelungsverarbeitung für eine vierlagige Leiterplatte (WLAN).

In den meisten Anwendungen wird die oberste Schicht der Leiterplatte zur Platzierung von Komponenten und HF-Leitungen verwendet, die zweite Schicht dient als Systemerde, der Leistungsteil wird in der dritten Schicht platziert und alle Signalleitungen können in der vierten Schicht verteilt werden Schicht. Das durchgehende Grundflächenlayout der zweiten Schicht ist unbedingt erforderlich, um einen impedanzkontrollierten HF-Signalpfad einzurichten. Außerdem ist es praktisch, eine möglichst kurze Erdungsschleife zu erhalten, ein hohes Maß an elektrischer Isolierung für die erste und dritte Schicht bereitzustellen und die Kopplung zwischen den beiden Schichten zu minimieren. Natürlich können auch andere Platinenlagendefinitionen verwendet werden (insbesondere, wenn die Leiterplatte unterschiedliche Lagen hat), aber die obige Struktur ist ein nachweislich gelungenes Beispiel.


Eine großflächige Leistungsschicht kann die VCC-Verdrahtung erleichtern, diese Struktur führt jedoch häufig zu systemischen Problemen

Bei einer sich verschlechternden Sicherung lässt sich die Übertragung von Geräuschen zwischen den Stiften nicht vermeiden, wenn alle Stromkabel auf einer großen Fläche miteinander verbunden werden. Wenn umgekehrt eine Sterntopologie verwendet wird, wird die Kopplung zwischen verschiedenen Leistungspins verringert. Abbildung 1 zeigt das VCC-Verdrahtungsschema der Sternverbindung, das von der Evaluierungsplatine des max2826 IEEE 802.11a/g-Transceivers übernommen wurde. In der Abbildung ist ein Haupt-VCC-Knoten eingerichtet, von dem aus Stromleitungen verschiedener Zweige herausgeführt werden, um den Stromanschluss des HF-IC mit Strom zu versorgen. Jeder Stromversorgungsstift verwendet unabhängige Leitungen, um eine räumliche Isolierung zwischen den Stiften zu gewährleisten, was dazu beiträgt, die Kopplung zwischen ihnen zu verringern. Darüber hinaus weist jede Leitung auch eine gewisse parasitäre Induktivität auf, was genau das ist, was wir wollen. Es hilft, das hochfrequente Rauschen auf der Stromleitung herauszufiltern.

Bei der Verwendung von VCC-Leitungen in Sterntopologie ist außerdem eine entsprechende Leistungsentkopplung erforderlich, und es gibt eine Lücke im Entkopplungskondensator

Feste parasitäre Induktivität.



Tatsächlich entspricht die Kapazität einer RLC-Reihenschaltung. Die Kapazität spielt im Niederfrequenzband eine führende Rolle, jedoch bei der selbsterregten Schwingungsfrequenz (SRF):



Wenn die Frequenz größer als FS ist, zeigt die Impedanz des Kondensators Induktivität an. Es ist ersichtlich, dass der Kondensator nur dann eine Entkopplungswirkung hat, wenn die Frequenz nahe bei oder unter seinem SRF liegt, und dass die Kapazität an diesen Frequenzpunkten einen niedrigen Widerstand aufweist. Abbildung 2 zeigt die typischen S11-Parameter bei verschiedenen Kapazitätswerten. Aus diesen Kurven können wir den SRF deutlich erkennen. Es ist auch ersichtlich, dass die Entkopplungsleistung bei niedrigeren Frequenzen umso besser ist, je größer die Kapazität ist (je niedriger die dargestellte Impedanz).


Abb. 2 Impedanzkurven verschiedener Kapazitäten


Es ist besser, einen Kondensator mit hoher Kapazität am Hauptknoten der VCC-Sterntopologie zu platzieren, z. B. 2.2 & Mikro; F. Der Kondensator hat einen niedrigen SRF, was sehr effektiv ist, um niederfrequentes Rauschen zu eliminieren und eine stabile Gleichspannung herzustellen. Jeder Stromanschluss des IC benötigt einen Kondensator mit geringer Kapazität (z. B. 10 nf), um das hochfrequente Rauschen herauszufiltern, das möglicherweise in die Stromleitung eingekoppelt wird. Für die Stromanschlüsse, die rauschempfindliche Schaltkreise mit Strom versorgen, sind möglicherweise zwei Bypass-Kondensatoren erforderlich. Beispielsweise kann die Verwendung eines 10PF-Kondensators parallel zu einem 10nf-Kondensator zur Bereitstellung eines Bypasses eine Entkopplung in einem größeren Frequenzbereich ermöglichen und den Einfluss von Rauschen auf die Versorgungsspannung weitestgehend eliminieren. Jeder Stromversorgungspin muss sorgfältig überprüft werden, um festzustellen, wie viel Entkopplungskapazität erforderlich ist und bei welchen Frequenzpunkten der eigentliche Stromkreis anfällig für Rauschstörungen ist.


Eine gute Energieentkopplungstechnologie in Kombination mit einem strengen PCB-Layout und VCC-Leitung (Sterntopologie) kann eine solide Grundlage für jedes HF-Systemdesign bilden. Obwohl es andere Faktoren gibt, die den Systemleistungsindex im tatsächlichen Design verringern, ist eine „rauschfreie“ Stromversorgung das Grundelement zur Optimierung der Systemleistung.


Abbildung 3: elektrisches Charakteristikmodell der Durchkontaktierung


Erdung und Via-Design

Das Layout und die Anschlüsse des Stratums sind auch der Schlüssel zum Design einer WLAN-Leiterplatte. Sie wirken sich direkt auf die parasitären Parameter der Leiterplatte aus und bergen die versteckte Gefahr einer Verringerung der Systemleistung. Beim Entwurf von HF-Schaltungen gibt es kein einheitliches Erdungsschema, und zufriedenstellende Leistungsindizes können auf verschiedene Weise erreicht werden. Die Erdungsebene oder -leitung kann in analoge Signalerde und digitale Signalerde unterteilt werden, und Schaltkreise mit hohem Strom- oder Stromverbrauch können ebenfalls isoliert werden. Den bisherigen Designerfahrungen von WLAN-Evaluierungsplatinen zufolge können gute Ergebnisse durch die Verwendung einer separaten Erdungsschicht in der vierschichtigen Platine erzielt werden. Mit diesen empirischen Methoden wird der HF-Teil durch Schichten von anderen Schaltkreisen getrennt und Querinterferenzen zwischen Signalen können vermieden werden. Wie oben beschrieben, wird die zweite Schicht der Leiterplatte normalerweise als Masseebene verwendet und die erste Schicht wird zur Platzierung von Komponenten und HF-Leitungen verwendet.


Nachdem die Erdungsschicht bestimmt wurde, ist es sehr wichtig, alle Signalerdungen mit der Schicht mit dem kürzesten Weg zu verbinden. Normalerweise werden Durchkontaktierungen verwendet, um das Erdungskabel an der obersten Schicht mit der Schicht zu verbinden. Es ist zu beachten, dass Vias induktiv sind. Abbildung 3 zeigt das genaue Modell der elektrischen Eigenschaften einer Durchkontaktierung, wobei Lvia die Induktivität der Durchkontaktierung und CVIA die parasitäre Kapazität des PCB-Pads der Durchkontaktierung ist. Wenn die hier besprochene Erdungskabel-Layout-Technologie übernommen wird, kann die parasitäre Kapazität ignoriert werden. Eine 1.6 mm tiefe Durchkontaktierung mit einer Apertur von 0.2 mm hat eine Induktivität von etwa 0.75 nh, und die entsprechende Reaktanz im 2.5 GHz/5.0 GHz WLAN-Band beträgt etwa 12 Ω/24 Ω. Daher kann ein Erdungsloch keine echte Erdung für HF-Signale bieten. Für ein qualitativ hochwertiges Leiterplattendesign sollten möglichst viele Erdungsdurchkontaktierungen im HF-Schaltkreis vorhanden sein, insbesondere für die freiliegenden Erdungspads in allgemeinen IC-Gehäusen. Eine schlechte Erdung führt auch zu schädlicher Strahlung am empfangenden Frontend oder Leistungsverstärker, wodurch sich die Verstärkung und der Rauschzahlindex verringern. Es sollte auch beachtet werden, dass eine schlechte Verschweißung des Erdungspads das gleiche Problem verursachen kann. Darüber hinaus erfordert der Stromverbrauch des Leistungsverstärkers auch mehrere Durchkontaktierungen, die die Formation verbinden.


Abbildung 4: PLL-Filterelement-Layout am Beispiel der Referenzdesignplatine max2827


Filtern Sie das Rauschen anderer Stufen heraus und unterdrücken Sie das lokale Rauschen, um Querinterferenzen zwischen Stufen über die Stromleitung zu eliminieren, was der Vorteil der VCC-Entkopplung ist. Wenn der Entkopplungskondensator aufgrund des induktiven Effekts zwischen der Durchkontaktierung und der Erde dieselbe Erdungsdurchführung verwendet, übertragen die Durchkontaktierungen an diesen Verbindungspunkten alle HF-Störungen von den beiden Netzteilen, wodurch nicht nur die Funktion des Entkopplungskondensators verloren geht, sondern auch sondern bietet auch einen anderen Weg für die Rauschkopplung zwischen den Stufen im System.


Im späteren Teil dieses Artikels werden wir sehen, dass die Implementierung von PLL beim Systemdesign immer mit großen Herausforderungen konfrontiert ist. Um zufriedenstellende Störeigenschaften zu erzielen, müssen wir über eine gute Erdungskabelanordnung verfügen. Derzeit sind beim IC-Design alle PLLs und VCOs in den Chip integriert. Die meisten PLLs nutzen den Ausgang einer digitalen Stromladungspumpe, um den VCO über einen Schleifenfilter zu steuern. Im Allgemeinen ist es erforderlich, den digitalen Impulsstrom der Ladungspumpe mit einem RC-Schleifenfilter zweiter oder dritter Ordnung zu filtern, um die analoge Steuerspannung zu erhalten. Die beiden Kondensatoren in der Nähe des Ladungspumpenausgangs müssen direkt mit der Masse des Ladungspumpenkreises verbunden sein. Auf diese Weise kann der Impulsstrompfad der Erdschleife isoliert werden, um die entsprechende Streufrequenz in lo zu minimieren. Der dritte Kondensator (für Filter dritter Ordnung) sollte direkt mit der VCO-Schicht verbunden sein, um zu vermeiden, dass die Steuerspannung mit dem digitalen Strom schwebt. Werden diese Grundsätze verletzt, kommt es zu erheblichen Streukomponenten. Abbildung 4 zeigt ein Beispiel für die Leiterplattenverkabelung. Auf dem Erdungspad befinden sich viele Erdungsdurchkontaktierungen, sodass jeder VCC-Entkopplungskondensator über seine eigenen unabhängigen Erdungsdurchführungen verfügt. Die Schaltung im Block ist ein PLL-Schleifenfilter, und der erste Kondensator ist direkt mit GND_CP verbunden, und der zweite Kondensator (in Reihe mit einem R geschaltet) dreht sich um 180 Grad, um zum gleichen GND_CP, dem dritten Kondensator, zurückzukehren ist mit der GND_VCO-Verbindung verbunden. Mit diesem Erdungsschema kann eine hohe Systemleistung erzielt werden.


Die Unterdrückung von PLL-Störsignalen durch geeignete Stromversorgung und Erdung, um die Anforderungen der 802.11a/b/g-Systemübertragungsspektrumvorlage zu erfüllen, stellt eine Schwierigkeit im Designprozess dar. Es ist notwendig, den Linearitätsindex und den Stromverbrauch auszugleichen und einen gewissen Spielraum zu lassen, um die Einhaltung der IEEE- und FCC-Spezifikationen unter der Voraussetzung sicherzustellen, dass eine ausreichende Übertragungsleistung aufrechterhalten wird. Die typische Ausgangsleistung, die das IEEE 802.11g-System am Antennenende benötigt, beträgt 15 dBm und -28 dBr, wenn die Frequenzabweichung 20 MHz beträgt. Das Leistungsunterdrückungsverhältnis (ACPR) benachbarter Kanäle im Frequenzband ist eine Funktion der linearen Eigenschaften des Geräts, die für eine bestimmte Anwendung unter bestimmten Voraussetzungen korrekt ist. Ein Großteil der Arbeit zur Optimierung der ACPR-Eigenschaften im Übertragungskanal wird durch die Anpassung der Vorspannung von TX-IC und PA auf der Grundlage von Erfahrungen und die Abstimmung des passenden Netzwerks aus Eingangsstufe, Ausgangsstufe und Zwischenstufe der PA realisiert.



Allerdings sind nicht alle Probleme, die ACPR verursachen, auf die linearen Eigenschaften des Geräts zurückzuführen. Ein gutes Beispiel ist, dass nach einer Reihe von Anpassungen und Optimierungen des Leistungsverstärkers und des PA-Treibers (die beiden Faktoren, die bei ACPR eine große Rolle spielen) die Nachbarkanaleigenschaften des WLAN-Senders immer noch nicht den erwarteten Indikatoren entsprechen können. Zu diesem Zeitpunkt ist zu beachten, dass das Streusignal vom lokalen Oszillator (LO) in der Sender-PLL auch die ACPR-Leistung beeinträchtigt. Das Störsignal von Lo wird mit dem modulierten Basisbandsignal gemischt und die gemischten Komponenten werden entlang des erwarteten Signalkanals verstärkt. Dieser Mischeffekt verursacht nur dann Probleme, wenn die Streukomponente der PLL höher als ein bestimmter Schwellenwert ist. Wenn er unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, wird ACPR hauptsächlich durch die PA-Nichtlinearität eingeschränkt. Wenn die Eigenschaften der TX-Ausgangsleistung und der Spektrumsvorlage „linear begrenzt“ sind, müssen wir den linearen Index und die Ausgangsleistung ausgleichen; Wenn die lo-Störungseigenschaft zum Hauptfaktor wird, der die ACPR-Leistung einschränkt, werden wir mit der „Störungsbeschränkung“ konfrontiert. Wir müssen den PA auf einen höheren Betriebspunkt unter dem angegebenen Pout vorspannen, um seinen Einfluss auf ACPR abzuschwächen, der mehr Strom verbraucht und die Flexibilität des Designs einschränkt.


Die obige Diskussion wirft ein weiteres Problem auf, nämlich die Frage, wie die Störkomponente der PLL effektiv auf einen bestimmten Bereich begrenzt werden kann, sodass sie das Übertragungsspektrum nicht beeinträchtigt. Sobald die Störkomponente gefunden ist, besteht die erste Idee darin, die Bandbreite des PLL-Schleifenfilters zu verringern, um die Amplitude des Störsignals zu dämpfen. Diese Methode ist in sehr wenigen Fällen effektiv, birgt jedoch einige potenzielle Probleme.


Abbildung 5: Wirkung des Schleifenfilters


Abb. 5 zeigt einen hypothetischen Fall. Es wird davon ausgegangen, dass im Design ein n-Division-Synthesizer mit einer relativen Frequenz von 20 MHz verwendet wird. Wenn der Schleifenfilter zweiter Ordnung ist, beträgt die Grenzfrequenz 200 kHz, die Roll-Off-Rate beträgt normalerweise 40 dB/Dekade und bei einer Frequenz von 80 MHz kann eine Dämpfung von 20 dB erreicht werden. Wenn die Referenz-Störkomponente -40 dBc beträgt (unter Annahme des Pegels, der zu schädlichen Modulationskomponenten führen kann), liegt der Mechanismus der Störerzeugung möglicherweise außerhalb des Wirkungsbereichs des Schleifenfilters (wenn sie vor dem Filter erzeugt wird, kann ihre Amplitude sehr groß sein). groß). Die Bandbreite des komprimierten Schleifenfilters verbessert nicht die Störeigenschaften, sondern verbessert die Phasenverriegelungszeit der PLL, was offensichtlich negative Auswirkungen auf das System hat.


Die Erfahrung hat gezeigt, dass der effektivste Weg zur Unterdrückung von PLL-Streun eine vernünftige Erdung, Leistungsauslegung und Entkopplungstechnologie sein sollte. Das in diesem Artikel besprochene Verdrahtungsprinzip ist ein guter Entwurf, der die PLL-Streukomponente reduziert. Angesichts der großen Stromschwankung in der Ladungspumpe ist die Verwendung einer Sterntopologie erforderlich. Wenn keine ausreichende Isolierung vorhanden ist, wird das durch den Stromimpuls erzeugte Rauschen an die VCO-Stromversorgung gekoppelt, um die VCO-Frequenz zu modulieren, was allgemein als „VCO-Traktion“ bezeichnet wird.

Die Isolierung kann durch physische Abstände zwischen den Stromleitungen, Entkopplungskapazität jedes VCC-Pins, sinnvolle Platzierung von Erdungsdurchgängen, Einführung eines seriellen Ferritelements (als letztes Mittel) usw. verbessert werden. Die oben genannten Maßnahmen müssen nicht sein Wird in jedem Design vollständig genutzt, und durch den richtigen Einsatz jeder Methode wird die Streuamplitude effektiv reduziert.


Abbildung 6: Unzumutbare VCC_VCO-Entkopplungstestergebnisse


Abbildung 6 zeigt ein Ergebnis aufgrund des unzumutbaren VCO-Entkopplungsschemas. Die Leistungswelligkeit zeigt, dass es der Schalteffekt der Ladungspumpe ist, der die starken Störungen auf der Stromleitung verursacht. Glücklicherweise kann diese starke Störung durch eine Erhöhung der Bypass-Kapazität wirksam unterdrückt werden. Wenn außerdem die Stromverkabelung unangemessen ist, beispielsweise wenn sich die Stromleitung des VCO knapp unter der Ladungspumpen-Stromversorgung befindet, kann das gleiche Rauschen an der VCO-Stromversorgung beobachtet werden, und das erzeugte Streusignal reicht aus, um das zu beeinflussen ACPR-Eigenschaften. Selbst wenn die Entkopplung verstärkt wird, werden die Testergebnisse nicht verbessert. In diesem Fall ist es notwendig, die Leiterplattenverkabelung zu untersuchen und die Stromleitung des VCO neu anzuordnen, um die Streueigenschaften effektiv zu verbessern und die von der Spezifikation geforderten Indikatoren zu erfüllen.


Die Marke „Kinghelm“ wurde ursprünglich von der Golden Beacon Company registriert. Golden Beacon ist ein Direktvertriebshersteller von GPS-Antennen und Beidou-Antennen. Es erfreut sich in der GPS-Navigations- und Positionierungsbranche von Beidou einer sehr hohen Beliebtheit und Reputation. Die F&E- und Produktionsprodukte werden häufig in der BDS-Satellitennavigation und -ortung, der drahtlosen Kommunikation und anderen Bereichen eingesetzt. Zu den Hauptprodukten gehören: RJ45-RJ45-Netzwerk, Netzwerkschnittstellenstecker, HF-Steckeradapter, KoaxialkabelsteckerTyp-C-SteckerHDMI-Schnittstelle, Typ-C-Schnittstelle, Pin- und BusanordnungSMA, FPC, FFC-Antennenanschluss, wasserdichter Antennensignalübertragungsanschluss, HDMI-Schnittstelle, USB Steckverbinder, Klemmenleitung, Klemmenbrett-Klemmenblock, Verdrahtungsklemmenblock, RF-RFID-Tag, Positionierungs- und Navigationsantenne, Kommunikationsantennen-Antennenverbindungsleitung, Gummistabantenne Saugantenne, 433 Antennenlinie, 4G-Antenne, GPS-Modulantenne, RG113, RG178, RG316, FPC-Flexkabel ist abgestimmt auf FPC-Anschluss, Netzwerkkabelschnittstelle usw. Es wird häufig in der Luft- und Raumfahrt, Kommunikation, Militärindustrie, Instrumentierung, Sicherheit, Medizin und anderen Branchen eingesetzt.


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