Inleiding: De uitdaging van het ontwerp van gemengde PCB's

Moderne elektronische systemen vereisen vaak de coëxistentie van digitale logica en radiofrequentie-analoge circuits met hoge snelheid op één enkel printplaat. Deze integratie wordt aangedreven door de vraag naar kleinere vormfactoren, lagere kosten en snellere gegevensdoorvoer in toepassingen variërend van draadloze communicatiemodules tot radarsystemen en high-speed testapparatuur. Echter, het combineren van deze twee afzonderlijke domeinen op één board introduceert een heleboel signaal-integriteit en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) problemen. Hoge snelheid digitale signalen produceren scherpe randen rijk aan harmonischen die kunnen koppelen aan gevoelige RF paden, terwijl RF signalen kunnen worden vervormd door digitale schakelen lawaai. Zonder doelbewuste ontwerptechnieken, wordt het resultaat gedegradeerd geluidcijfer, verhoogde bit-error rates, en zelfs complete systeemuitval.

Het succesvol samenvoegen van high-speed digitale en RF-circuits vereist een systematische aanpak die alle lagen van het PCB-ontwerp aanpakt . Van materiaalselectie en stapel-up planning tot component plaatsing, routing, aarding en afscherming. Dit artikel onderzoekt de meest effectieve technieken voor het bereiken van robuuste prestaties in dergelijke gemengde-signaalontwerpen.

Fundamentele elementen van gemengde en ondertekende interferentie

Voordat je in specifieke technieken gaat duiken, is het essentieel om de primaire mechanismen te begrijpen waardoor digitale en RF circuits elkaar beïnvloeden. De drie dominante koppelpaden zijn geleidingskoppeling door gedeelde kracht- en grondvlakken, capacitieve koppeling[] tussen aangrenzende sporen, en inductieve koppeling[] via magnetische velden uit stroomlussen. In hoge snelheid digitale systemen genereren wisselstromen breedbandruis die door het stroomdistributienetwerk (PDN) reist. RF circuits, met name die in het gigahertz-bereik, zijn uiterst gevoelig voor elke ongewenste signalen die binnen hun passband vallen. Bovendien veroorzaken impedantieverschillen langs signaalpaden reflecties die staande golven en reflecterende emissies kunnen creëren. Een grondige greep van deze koppelmechanismen is de eerste stap in het verminderen van deze signalen.

Kiezen voor een geschikte laminaat

Het diëlektrische materiaal van de PCB heeft een grote impact op zowel digitale signaalintegriteit als RF-prestaties. Standaard FR-4, hoewel economisch, lijdt aan een hoog diëlektrische verlies en inconsistente litterantie bij frequenties boven een paar honderd megahertz. Voor ontwerpen die RF circuits omvatten die boven 1 GHz werken, low-loss materialen zoals Rogers 4000-serie, Isola IS410, of PTFE-gebaseerde laminaats worden de voorkeur gegeven. Deze materialen bieden een stabiele diëlektrische constante (Dk) en lage disipatiefactor (Df), verminderen signaaldemping en behoud van de stijgingstijd. Het is ook van cruciaal belang om het glazen weefeffect te overwegen, wat Dk variatie veroorzaakt over de board; gebruik van spread-glas of geweven glas met strakkere constructie minimaliseert dit. Wanneer kostenbeperkingen het gebruik van FR-4 dwingen, moeten ontwerpers RF frequenties beperken tot minder dan 2 GHz en extra aandacht besteden aan spoorlengte en afscherming.

Stack-Up-organisatie

Een goed ontworpen laag stapel-up scheidt de digitale en RF domeinen fysiek en elektrisch. Een typische acht-laag stapel kan de bovenste twee lagen aan RF componenten en hun grond referentie, de middelste lagen aan hoge snelheid digitale routing en macht, en de onderste lagen aan extra digitale signalen of een tweede grondvlak. De sleutel is om RF circuits op lagen naast een continu grondvlak zonder onderbrekingen te plaatsen. Voor digitale secties, meerdere grond vlakken gestikt met vias helpen verminderen lus gebieden en lagere grond impedantie. Waar mogelijk, toewijzen een volledige laag als een speciale analoge (RF) grondvlak en een andere als een digitale grondvlak, verbinden ze op een enkel punt . . vaak in de buurt van de ADC of DAC die de twee domeinen overbrugt.

Geavanceerde grondtechnieken

Splits grondvliegtuigen en steekwegen

Het oorspronkelijke artikel dat wordt genoemd met behulp van afzonderlijke grondgebieden die op één punt zijn verbonden. In de praktijk is de implementatie afhankelijk van het frequentiebereik. Voor gemengde borden die onder een paar honderd megahertz werken, kan een splitgrondvlak met één enkele brug of ferrietkralenverbinding effectief zijn. Echter, voor hogere snelheden en RF frequenties boven 500 MHz, is een vast, ongebroken grondvlak vaak superieur. Het splitsen van het grondvlak kan een onbedoelde gleufantenne creëren die geluid uitstraalt. In plaats van te splitsen, gebruiken veel ontwerpers nu één enkel grondvlak en zorgvuldig partitiecomponenten en routing. Indien split is noodzakelijk, houd de kloof smal (minder dan 1 mm) en zorgen voor veel stiksels langs de grens om een laag-impedantie retourpad te behouden. Voor meer details, verwijzen naar Analoge Apparaten guide op gronding gemengde-signalsystemen[[]]].

Gronding van RF-componenten

RF circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Via Plaatsing voor Grondretour

Elk digitaal spoor met hoge snelheid moet een vlak terreinretourpad hebben. Idealiter moet een grond via binnen 1 mm van elk signaal via die overgangen tussen lagen worden geplaatst. Dit zorgt ervoor dat stroomstroom direct onder het signaalspoor doorstroomt, het lusgebied en straling tot een minimum beperkt. Voor differentiaalparen plaatst u een grond via symmetrisch tussen de twee signaal via.

Gecontroleerde impedantieontwerp

Microstrip vs. Stripline

De RF-sporen moeten worden gecontroleerd en zijn ook voordelig voor digitale hoge snelheidsbussen (bv. DDR, LVDS, USB 3.x). De twee gemeenschappelijke transmissielijnen zijn microstrip (trace op een buitenste laag met een grondvlak hieronder) en striplijn (trace embedded betwee grondvlakken). Microstrip biedt gemakkelijker toegang voor componenten en minder verlies, maar is gevoeliger voor externe EMI en straling. Striplijn biedt een betere isolatie en strakkere impedantiecontrole, maar verhoogt de fabricagecomplexiteit en boarddikte. Voor gevoelige RF-paden waar isolatie cruciaal is, wordt de voorkeur gegeven aan striplijn. De impedantie wordt bepaald door spoorbreedte, koperdikte, diëlektrische hoogte (h) en diëlektrische constante (dk). Gebruik een betrouwbare impedantiecalculator tijdens de layout, en zorg ervoor dat de PCB-stofafwerking binnen ±10% overeenkomt met de doelimpedantie.

Trace breedte en klaring

Voor een bepaalde impedantie, de vereiste spoorbreedte weegschalen met diëlektrische hoogte. Grotere sporen zijn over het algemeen minder verlies en gemakkelijker te produceren. Echter, ze verbruiken board ruimte en kunnen koppeling problemen te maken als geplaatst te dicht bij andere sporen. Houd ten minste drie keer de spoorbreedte (3W) vrije ruimte aan aangrenzende signalen om crosstalk onder aanvaardbare niveaus te houden. Voor kritische RF netten, gebruik co-planar waveguide met grond (CPWG) door toevoeging van grond gietingen aan beide zijden van het spoor op een specifieke afstand van de opening. Deze structuur kan zorgen voor een betere isolatie dan een eenvoudige microstrip.

Impedantie van digitale lijnen

Voor digitale bussen, streven naar een karakteristieke impedantie van 50 Ω voor enkelwandige lijnen en 100 Ω voor differentiaalparen. Dit zijn standaardwaarden die veel IC's zijn ontworpen om te rijden. Gebruik serie-terminatieweerstanden die dicht bij de bestuurder zijn geplaatst om de bronimpedantie te matchen en reflecties te absorberen. Voor DDR geheugen interfaces, houden aan de fly-by topologie en zorgen ervoor dat alle sporen zijn lengte-matched binnen het timing budget.

Componenten plaatsen en fysieke partitioneren

Opmaak op basis van zone

Verdeel de PCB in verschillende fysieke zones: een RF-zone, een hoge snelheids digitale zone, een lage snelheid digitale zone en een power zone. Plaats de RF zone bij de randconnector of antennepoort om de lengte van de RF-spoorlijnen te minimaliseren. De hoge snelheid digitale zone moet zo ver mogelijk van de RF zone zijn, ideaal aan de overkant van het bord. Houd analoge en digitale secties gescheiden met een duidelijke grens. Vermijd het uitvoeren van digitale klok of hoge snelheid signaal sporen door de RF zone. Als kruising is onvermijdelijk, routeer ze op verschillende lagen met tussenliggende grondvlakken.

Componenten in de grens

Analoge-naar-digitale converters (ADC's) en digitaal-naar-analoge converters (DAC's) bevinden zich op de interface tussen digitale en RF-domeinen. Plaats deze converters op de grens van de twee zones, met hun analoge pinnen gericht op de RF-zijde en digitale pinnen gericht op de digitale kant. Gebruik een gronduitsparing onder de converter indien aanbevolen door het datablad om de grondverbinding tussen analoge en digitale grondpennen te verbreken. Zorg voor speciale ontkoppelingscondensatoren zo dicht mogelijk bij elke voedingspin, met behulp van de kleinste voetafdruk die de spanning kan verdragen.

Isolatie door middel van uitval

Create ground keepout areas (no copper) under sensitive RF components such as inductors and VCOs to reduce parasitic capacitance to the ground plane. Similarly, keep high-speed digital traces at least 10 mm away from any RF component that is not shielded. If board space is tight, use a ground fence (rows of vias connected to ground) around the RF section to create a Faraday cage effect.

Ontwerp van het stroomdistributienetwerk (PDN) voor gemengde signalen

Afzonderlijke vermogensvliegtuigen

Digitale schakelen lawaai kan gemakkelijk reizen door gedeelde power vlakken in RF-toevoerlijnen. Het is het beste om afzonderlijke power vlakken voor de digitale en RF secties toewijzen. Als dat niet mogelijk is, gebruik een stroomuitschakeling om fysiek scheiden van de twee domeinen en ze te verbinden door middel van een smalle spoor of een ferriet kraal. De ferriet kraal biedt hoge impedantie bij RF frequenties tijdens het passeren van DC. Echter, wees je ervan bewust dat ferriet kan worden verlies bij hoge stromen en kan verzadigd; kies een met de juiste huidige rating en impedantie profiel.

Ontkoppeling en omgang

Voor elke energiepin moet elk actief IC-apparaat voorzien zijn van ontkoppelingscondensatoren. Voor digitale apparaten moet een combinatie van bulk-elektrolytische condensatoren (10 .100 μF) en kleine meerlaagse keramische condensatoren (0,1 μF en 0,01 μF) zo dicht mogelijk bij de pin worden geplaatst. Voor RF-Instituuts moet gebruik worden gemaakt van lage inductie-condensatoren (bijv. 100 pF en 10 pF) met minimale parasitaire inductie. Plaats ze op dezelfde laag als het IC en verbind ze met korte, brede sporen rechtstreeks naar de via die naar het elektriciteitsvlak gaat. Vermijd ontkoppeling via meerdere condensatoren.

PDN Impedantiedoel

Het stroomdistributienetwerk moet een lage impedantie hebben over het gehele frequentiebereik van belang. Voor digitale circuits is de impedantie van het doel vaak minder dan 0,1 Ω van DC tot de schakelfrequentie. Voor RF-circuits moet de impedantie onder een paar ohm blijven bij de werkfrequentie. Gebruik simulatietools zoals SIwave of PowerSI om de PDN te modelleren en hersonantiepieken te identificeren die eventueel moeten worden gedempt met extra ontkoppeling of een verlies aan ferriet.

Routingstrategieën voor gemengde signale bussen

Digitale busrouting

Digitale hoge snelheidsbussen (bv. DDR4, PCIe, Gigabit Ethernet) moeten worden omgeleid met een gecontroleerde impedantie en lengte matching. Houd sporenlengtes zo kort mogelijk om vertraging en reflecties te minimaliseren. Vermijd scherpe hoeken van 90 graden; gebruik 45 graden chamfers of gebogen sporen in plaats daarvan. Groepsgerelateerde signalen (bv. DQS, DQ) samen en route op dezelfde laag om schuine plekken te minimaliseren. Gebruik bewakerssporen met grond via beide zijden van de bus om isolatie te bieden van aangrenzende analoge signalen.

RF Trace Routing

RF sporen moeten zo kort en direct mogelijk zijn. Elke bocht zorgt voor een impedantie dirigatie; gebruik verstek bochten met compensatie om een constante elektrische lengte te behouden. Vermijd het lopen van RF sporen over gaten in het grondvlak, aangezien dit verandert de karakteristieke impedantie en veroorzaakt reflecties. Als een RF sporen lagen moeten veranderen, plaats twee of meer grond via de via transitie om een continue terugkeer pad te bieden. Voor differentiaal RF signalen (bijvoorbeeld in I/Q modulatoren of evenwichtige mixers), ervoor zorgen dat de paar lengte is strak afgestemd en dat de sporen symmetrisch zijn.

Klok- en gevoelige signaaluitval

Kloksignalen zijn bijzonder problematisch omdat ze periodiek en rijk aan harmonischen zijn. Houd alle kloksporen zo kort mogelijk en breng ze op dezelfde laag met een helder grondvlak eronder. Routeer geen klok parallel aan een RF spoor; als ze moeten kruisen, gebruik orthogonale routing op verschillende lagen gescheiden door een grondvlak. Gebruik serie weerstanden of ferriet kralen op klok uitgangen om de randsnelheid en harmonische inhoud te verminderen.

Afscherm- en isolatietechnieken

Metaalblikken en grondafweer

Wanneer de afstand aan boord niet voldoende isolatie kan bereiken, voeg dan metalen afschermingsblikjes toe over RF-secties. De kan worden gesoldeerd aan een vaste grondring op de PCB met veel grond via de omtrek. Zorg ervoor dat het schild geen resonanties heeft binnen de werkfrequentieband. Voor een goedkoper alternatief, maak een grondomheining door een rij vias in een rechthoekig patroon rond de RF-zone te plaatsen, dan solderen met een dunne koperen band of een metalen clip bovenop. Dit zorgt voor een bescheiden isolatie (20.3 dB) en is nuttig voor prototypes.

Begraven capaciteit en absorptiematerialen

Sommige high-speed digitale en RF ontwerpen profiteren van ingebedde capaciteit lagen . . zeer dunne ondoordringbaar tussen macht en grond vlakken om hoge frequentie ontkoppeling te bieden. Daarnaast kunnen EMI-dempers (bijvoorbeeld ferrietplaten of koolstof-geladen schuim) worden geplaatst over luidruchtige digitale regio's om uitgestraalde emissies te dempen. Deze materialen zijn verliesloos en moeten alleen worden gebruikt wanneer andere technieken ontoereikend zijn.

Filtering van I/O-lijnen

Alle signalen die van de digitale zone naar de RF zone gaan moeten worden gefilterd. Gebruik low-pass RC filters met afkapfrequenties onder de RF band, of gebruik ferriet kralen in serie met de signaallijn. Voor digitale regellijnen (bijv. SPI of GPIO), een serie weerstand van 10

Simulatie en verificatie

Simulatie vooraf

Voordat u zich aan lay-out commiteert, kunt u vooraf simulaties uitvoeren van de PDN impedantie en kritische signaalpaden. Tools zoals Keysight ADS, Ansys HFSS, of open-source equivalenten zoals OpenEMS kunnen crosstalk, invoegverlies en retourverlies voorspellen. Deze stap helpt bij het kiezen van geschikte stack-upparameters en componentwaarden.

Simulatie na uitval

Na het routeren, haal S-parameters voor de RF sporen en evalueren Eye diagrammen voor hoge snelheid digitale bussen. Controleer of alle impedantie doelen zijn bereikt en dat geen sporen overmatige lengte mismatch. Ook, simuleer de koppeling tussen agressor en slachtoffer netten met behulp van veldoplossers. Als voorspelde isolatie is onder 40 dB, overwegen het toevoegen van extra grond via of afstand.

Prototype en meting

Zelfs met grondige simulatie is meting essentieel. Gebruik een vectornetwerkanalyser (VNA) om RF-sporen te karakteriseren en retourverlies te meten. Een tijd-domeinreflectometer (TDR) kan impedantieprofielen van digitale lijnen verifiëren. Gebruik een spectrumanalysator en bijna-veldsondes om ruishotspots te identificeren. Iteraeer op lay-outwijzigingen totdat het ontwerp voldoet aan de specificaties.

Praktische ontwerpchecklist

  • Selecteer een laagverlies, stabiel Dk-laminaat voor frequenties boven 1 GHz.
  • Gebruik een stapel van 6 tot 12 lagen met speciale grondvliegtuigen voor RF en digitale domeinen.
  • Deel het bord in RF, high-speed digitale, en lage snelheid digitale zones met duidelijke grenzen.
  • Implementeer een solide, ongebroken grondvlak. Als er splits worden gebruikt, sluit u aan op één punt en veel stiksels via.
  • Ontwerp alle RF en kritieke digitale sporen voor gecontroleerde impedantie (50 Ω enkelwandig, 100 Ω differentiaal).
  • Plaats ontkoppelingscondensatoren zo dicht mogelijk bij IC-vermogenspennen met een minimaal lusoppervlak.
  • Voeg afscherming kooien of grond hekken rond gevoelige RF blokken.
  • Filter alle I/O lijnen die oversteken tussen digitale en RF domeinen.
  • Simuleer PDN impedantie, signaalintegriteit en EMI voor de fabricage.
  • Prototype en test met VNA, TDR en spectrum analyser.

Door deze technieken systematisch toe te passen, kunnen ingenieurs een gemengd printplaat bereiken dat voldoet aan zowel hoge snelheid digitale als RF prestaties eisen. De sleutel is om het board niet te behandelen als twee afzonderlijke ontwerpen naast elkaar op een substraat, maar als een verenigd systeem waar elke beslissing ..van materiaalkeuze tot via plaatsing .. draagt bij aan de algehele integriteit. Met zorgvuldige planning en rigoureuze simulatie, de integratie levert kleinere, snellere en betrouwbaarder producten.

Voor meer informatie, raadpleeg Microwave Journal.Handleiding over het ontwerp van gemengde PCB's en de TI-toepassingsnota over aarding en lay-out voor systemen met een gemengd bord met hoge snelheid .