Yüksek hızlı Dijital ve Rf Devrelerini Tek Bir Beton Kurulunda Uygulaymak için Teknikler

Giriş: Karma-Signal PCB Tasarımlarının Meydanlaştırılması

Modern elektronik sistemler genellikle yüksek hızlı dijital mantık ve radyo-freze (RF) analog devreleri tek bir baskılı devre kurulunda birleştirir. Bu entegrasyon, daha küçük form faktörleri için talep tarafından yönlendirilir ve daha düşük maliyet ve kablosuz iletişim modüllerinden radar sistemlerine ve yüksek hızlı test ekipmanlarına kadar uzanan uygulamalarla ilgili daha hızlı veriler üretir. ancak, bu iki alanı tek bir sinyal-te bir sinyal-enformasyon ve elektromanyetik-kompatlanabilirlik (EMC) problemlerine yol açmaz.

Başarılı bir şekilde yüksek hızlı dijital ve RF devreleri, PCB tasarımının tüm katmanlarını ele alan sistematik bir yaklaşım gerektirir - malzeme seçimi ve çöp toplama, zeminleme ve kalkanlama.Bu makale, bu tür karışık tasarımlarda sağlam performans elde etmek için en etkili teknikleri keşfedin.

Karma-Signal Interferences

Belirli tekniklere girmeden önce, dijital ve RF devrelerinin birbirine müdahale ettiği birincil mekanizmaları anlamak önemlidir.Üç baskın darbe yolları, Mevcut döngülerden manyetik alanlarla , yüksek hızlı enerji ve zemin uçaklarla, geçiş noktalarında, güç dağıtım ağlarında yolculuk yapan geniş bantlı sinyaller oluşturabilir.

PCB Stack-Up ve Malzeme Seçme

Uygun bir Laminat seçmek

PCB'nin dielektrik materyali hem dijital sinyal bütünlüğü ve RF performansı üzerinde derin bir etkiye sahiptir. Standart FR-4, ekonomik olarak, yüksek dielektrik kaybı ve sınırsız izin verme faktöründen muzdariptir (Dk) ve düşük basınç faktörü (Df), sinyalin yüksek çözünürlükte çalışmasını ve artış süreleri boyunca yüksek çözünürlükte olan RF devreleri korumak için de kritiktir.

Stack-Up Organizasyon

İyi tasarlanmış bir tabaka yığınını dijital ve RF alanlarını fiziksel ve elektriksel olarak ayırarak ayırabilirsiniz. Tipik sekiz katmanlı bir yığın RF bileşenleri ve zemin referansları için, orta tabakalar yüksek hızlı dijital routing ve güçle dikilir ve alt tabakalar ek bir dijital sinyalleri veya ikinci bir zemin uçağı olarak tam bir zemin düzlemde yer alan RF devreleri, iki katmanın yanı sıra, dijital bölümler için, birçok zeminde dikilir.

Gelişmiş Zemin Teknikleri

Split Ground Planes ve Stitching Vias

Tek bir noktada bağlantılı ayrı zemin bölgeleri kullanarak bahsedilen orijinal makale. Uygulamada, uygulama frekans aralığına bağlıdır. Birkaç yüz megahertz altında çalışan karışık bir zemin uçağı tek bir köprü veya ferrite ile bağlantı etkili olabilir. ancak, daha yüksek hızlar ve RF frekanslar için, sağlam, lekesiz zemin uçağı genellikle üstündür.Yeraltınlıklı bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenebilir.

RF Bileşenlerinin Temellenmesi

RF devreleri - LNAs, güç yükselteçleri ve karıştırıcılar gibi - düşük girişli bir zemin bağlantısı gerektirir. Doğrudan zemine giriş için zeminleri kullanarak zeminleri kullanın.For the source as LNAs, powerifiers, and mixers - require a low-inductance ground connection. Use multiple vias directly under the component ground peds to minimize the ground inductance. For the next floor-mounted through other steps.

Via Placement for Ground Return

Her yüksek hızlı dijital iz, yakın bir zemin geri dönüş yolunda olmalıdır. İdeal olarak, katmanlar arasındaki geçişler aracılığıyla her sinyalin 1 mm'si yer almalıdır.Bu, mevcut akışların doğrudan sinyal izlerinin altında geri dönmesini sağlar, minimiz döngü alanı ve radyasyon için.

Kontrollü Impedance Design

Mikrostrip vs. Stripline

Kontrollü dürtü RF izlerini zorunlu kılar ve aynı zamanda yüksek hızlı dijital otobüsler (örneğin, Krishna, LVDS, USB 3.x) İki yaygın iletim hattı yapısı mikrostrip (aşağıdaki bir zeminle dış katmanında) ve şeritli (üçüncü katlı dijital otobüsler arasında gömülüdür) ve daha düşük bir süre boyunca, ancak dış EMI ve radyasyona daha duyarlıdır.

Trace Genişlik ve Clearance

Verilen bir engel için, gerekli iz genişliğine sahip ölçekler. Wider izlerinin genellikle daha az kaybı ve üretim yapmak daha kolay.Ancak, tahta alanı tüketiyorlar ve diğer izlerinin her iki tarafına da eklenerek darbe sorunları yaratabilirler.Bu yapı basit bir mikrostrip'lerden daha iyi bir izolasyon sağlayabilir.

Dijital Hatların Impedance of Digital Lines

Dijital otobüsler için, 50 ULL'nin tek uçlu hatlar için karakteristik bir engel için ve tüm izlerinin zaman bütçesinde uzun zamandır eşleşmesi için tasarlanmış standart değerlerdir.

Bitirme ve Fiziksel Katılımcı

Bölgeye Dayalı Layoutoutoutout

PCB'yi farklı fiziksel bölgelere böl: RF bölgesi, yüksek hızlı bir dijital bölge, düşük hızlı bir dijital bölge ve bir güç bölgesi. kenar bağlantı veya anten portı yakınında RF bölgesine en aza indirmek için yerleştirin.Eğer geçiş mümkün olduğunca yüksek hızlı bir şekilde RF bölgesinden olmalıdır, ideal olarak, uçağın tersi tarafında.

Boundary

Analog-to-dijik dönüştürücüler (ADCs) ve dijital-analog dönüştürücüler (DAC) dijital ve RF alanlar arasındaki arayüzde oturtulur. Bu dönüştürücüler iki bölgenin sınırı üzerinde, her bir pin ile karşı karşıya olan analog ve dijital pins kullanarak, gerilimi azaltabilecek en küçük ayak izi kullanın.

Keepouts aracılığıyla izolasyon

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.

Power Dağıtım Ağı (PDN) Karma İşaretler için Tasarım

Ayrı Güç Planları

Dijital geçiş gürültüsü, iki alanla fiziksel olarak ayrı ayrı ayrı bir şekilde seyahat edebilir.Köpektif ve RF bölümler için ayrı güç uçaklarını atamak en iyisidir.Eğer bu mümkün değilse, yüksek akımlarda kaybın ve onları dar bir iz veya ferrite ile bağlantıya sokabilir.

Decoupling ve Bypassing

Her aktif IC, her güç pimi için kapasitörler için devaplamamalıdır. Dijital cihazlar için, düşük kapasiteli speratör (100 μF) ve küçük çok katmanlı seramik kapasitörler (0.1 μF ve 0.0 μF) ile aynı katmana kadar, doğrudan doğruya doğru monte edilir.For RF ICs için, düşük ücretli şarj cihazı kullanın.

PDN Hedef Hedef

Güç dağıtım ağı, tüm frekans aralıkları boyunca düşük bir faize sahip olmalıdır. Dijital devreler için, hedef, DC'den geçiş frekansına kadar 0.1 ULLAH'tan daha azdır. RF devreleri için, dürtüler işletim frekansında birkaç ohms altında kalmalıdır. PDN'i modellemek veya PDN'i tanımlamak için simülasyon araçları kullanın.

Karma-Signal Bus için Stratejileri Söyleyin

Dijital Bus Routing

Yüksek hızlı dijital otobüsler (örneğin, Prat4, PCIe, Gigabit Ethernet) kontrol edilen dürtü ve uzun eşleştirme ile yollanmalıdır.Geçmiş ve yansımaları en aza indirmek için aynı katmanız üzerinde durmanız gerekir.Geçmiş 90 derece köşelerden uzak durun; bunun yerine 45 derece chamfer veya eğri izlerini kullanarak kontrol etmek için 45 derece eğimli izler kullanın.

RF Trace Routing

RF izlerinin mümkün olduğu kadar kısa ve doğrudan olması gerekir. Her bir viraj, bir dürtüsel bir sonsuzluk yaratır; sürekli bir elektrik uzunluğu sağlamak için tazminatla lekelenmiş bir şekilde bükülmelidir.Olay RF sinyallerinde, bu değişikliklerle ilgili olarak, karakteristik dürtü ve yansımalar ortaya çıkar.Eğer bir RF izi, iki kat daha fazla zemini katın sürekli bir geri dönüş yolunu sağlamak için geçişe kadar.

Saat ve Hassas İşaret Routing

Saat sinyalleri özellikle sorunludur çünkü onlar bir zemin uçağı tarafından ayrılmış olan farklı katmanlar üzerinde periyodik ve zengindir.Onlar, kenar oranını ve harmonik içeriği azaltmak için aynı katmanda direnir.

Shielding ve Isolation Techniques

Metal Cans ve Ground Tels

Yerinden gelenin yeterli izolasyon elde edemeyeceği zaman, daha düşük maliyetli bir alternatif için, RF alanı etrafında dikdörtgen bir desene yerleştirerek, daha sonra ince bir bakır kaset veya metal klipler ile PCB'de satılmalıdır.Bu, koruyucunun işletim frekansı bandında resonances olmasını sağlar.

Buried Capacitance ve Absorber Malzemeler

Bazı yüksek hızlı dijital ve RF tasarımları gömülü kapasitans katmanlarından faydalanıyor - güç ve zemin uçaklar arasında yüksek frekanslı boşluklar elde etmek için çok ince dielektrik. Ek olarak, EMI emiciler (örneğin, ferrite çarşaflar veya karbon yüklenmiş köpük) dijital bölgelere yayılabilir.

I/O Hatlarının Filtrelenmesi

RF bölgesine giden tüm sinyalleri filtrelenmelidir. RF bandının altındaki düşük frekanslı RC filtreleri kullanın veya sinyal hattı ile serideki ferrite beads kullanın.In digital control hatları (e.g., SPI veya GPIO), bir dizi direnç alanı 10-100 {{ ve küçük bir kapasitör kullanın (10-100 pF) yüksek frekanslı gürültüyü bastırabilir.Bu filtreleri kaynakla yerleştirin (dijik yan)

Simülasyon ve Doğrulama

Pre-Layout Simülasyonu

Plan yapmadan önce, PDN'in önceden belirlenmiş simülasyonlarını ve kritik sinyal yollarını çalıştırmadan önce. Keysight ADS, Ansys HFSS veya OpenEMS gibi açık kaynak eşdeğerleri, eksiyon kaybı ve geri dönüş kaybı tahmin edebilir.Bu adım uygun çöp parametreleri ve bileşen değerlerini seçmeye yardımcı olur.

Post-Layout Simülasyon

Rödülden sonra, RF izlerini kullanarak S-parametreleri çıkarın ve Eye diagramlarını yüksek hızlı dijital otobüsler için değerlendirin. Tüm engelsiz hedeflerin karşılandığını ve hiçbir iznin aşırı uzun bir yanlış eşleşmesi olmadığını unutmayın. Ayrıca, aggressor ve kurban ağlarının sahadaki boşlukları kullanarak.

Prototip ve ölçüm

Kapsamlı simülasyonla bile, ölçüm önemlidir. Bir vektör ağı analiz cihazı kullanın (VNA) RF izlerini karakterize etmek ve geri dönüş kaybını ölçmek için. Zaman alan yansımaları (TDR) dijital hatların profillerini doğrulayabilir.Sıcak noktaları tanımlamak için bir spektrum analizörü kullanın.

Pratik Tasarım Checklist

• 1 GHz'in üzerindeki frekanslar için düşük bir Dk laminat seçin.
• RF ve dijital alan için özel zemin uçaklarla 6 ila 12 katmanlı bir yığın kullanın.
• Kurul RF, yüksek hızlı dijital ve düşük hızlı dijital bölgeleri açık sınırlarla birleştirin.
• Katı, bozulmamış bir zemin uçağı uygulayın. Eğer bölünmeler kullanılırsa, tek bir nokta ile bağlanır ve bol miktarda dikme ile bağlanır.
• Kontrollü dürtü için tüm RF ve kritik dijital izler tasarlayın (50 GU tek uç, 100 GU diferansiyel).
• En az döngü alanı ile IC güç pins'e mümkün olduğunca yakın olan kapasitörler yerleştirin.
• Hassas RF blokları etrafında kafesleri veya zemin çitleri ekleyin.
• Tüm I/O hatları dijital ve RF alanlar arasında geçer.
• Simulate PDN, baskı, sinyal bütünlüğü ve EMI üretimden önce.
• VNA, TDR ve spektrum analizörü ile prototip ve test.

Bu teknikleri sistematik olarak uygulayarak mühendisler her kararın birleştirilmiş bir sistem elde edebilir - her kararın yerine getirilmesi için malzeme seçimine katkıda bulunurlar - dikkatli planlama ve titiz simülasyon ile, entegrasyon verimlerini daha küçük, daha hızlı ve daha güvenilir ürünlerle tedavi etmek.

Daha fazla okuma için, danışma:0)Mikro dalga Gazetesi'nin karışık imzalı PCB tasarımı üzerine rehberi) ve [[ENFLT:2).TI uygulama notu üst düzey sistemler için zemin ve düzen).