چگونه مدار RF و مدار دیجیتال را روی برد PCB قرار دهیم؟

اگر مدار آنالوگ (RF) و مدار دیجیتال (میکروکنترلر) به طور جداگانه به خوبی کار کنند، اما زمانی که این دو را روی یک برد مدار قرار دهید و از منبع تغذیه یکسان برای کار با هم استفاده کنید، احتمالاً کل سیستم ناپایدار خواهد بود. این عمدتاً به این دلیل است که سیگنال دیجیتال غالباً بین زمین و منبع تغذیه مثبت (اندازه 3 ولت) نوسان می کند و دوره به ویژه کوتاه است و اغلب در سطح ns است. با توجه به دامنه زیاد و زمان سوئیچینگ کوچک، این سیگنال های دیجیتال حاوی تعداد زیادی مولفه فرکانس بالا هستند که مستقل از فرکانس سوئیچینگ هستند. در بخش آنالوگ، سیگنال از حلقه تنظیم آنتن به بخش دریافت کننده دستگاه بی سیم معمولا کمتر از 1μV است.

جداسازی ناکافی خطوط حساس و خطوط سیگنال پر سر و صدا یک مشکل رایج است. همانطور که در بالا ذکر شد، سیگنال های دیجیتال دارای نوسان بالایی هستند و دارای تعداد زیادی هارمونیک فرکانس بالا هستند. اگر سیم‌کشی سیگنال دیجیتال روی PCB در مجاورت سیگنال‌های آنالوگ حساس باشد، هارمونیک‌های فرکانس بالا ممکن است گذشته باشند. گره‌های حساس دستگاه‌های RF معمولاً مدار فیلتر حلقه حلقه قفل فاز (PLL)، القاگر نوسان‌گر کنترل‌شده ولتاژ خارجی (VCO)، سیگنال مرجع کریستال و ترمینال آنتن هستند و این قسمت‌های مدار باید درمان شوند. با مراقبت ویژه

از آنجایی که سیگنال ورودی/خروجی دارای نوسان چند ولتی است، مدارهای دیجیتال به طور کلی برای نویز منبع تغذیه (کمتر از 50 میلی ولت) قابل قبول هستند. مدارهای آنالوگ به نویز منبع تغذیه، به ویژه به ولتاژهای سوراخ و سایر هارمونیک های فرکانس بالا حساس هستند. بنابراین، مسیریابی خط برق روی برد PCB حاوی مدارهای RF (یا سایر مدارهای آنالوگ) باید بیشتر از سیم‌کشی روی برد مدار دیجیتال معمولی باشد و از مسیریابی خودکار اجتناب شود. همچنین لازم به ذکر است که یک میکروکنترلر (یا مدار دیجیتالی دیگر) به دلیل طراحی فرآیند CMOS میکروکنترلرهای مدرن، در طول هر سیکل ساعت داخلی، به طور ناگهانی برای مدت کوتاهی بیشتر جریان را مکش می کند.

برد مدار RF همیشه باید یک لایه خط زمین متصل به الکترود منفی منبع تغذیه داشته باشد که در صورت عدم استفاده صحیح ممکن است پدیده های عجیبی ایجاد کند. درک این موضوع برای یک طراح مدار دیجیتال ممکن است دشوار باشد، زیرا اکثر مدارهای دیجیتال حتی بدون لایه زمین به خوبی عمل می کنند. در باند RF، حتی یک سیم کوتاه مانند یک سلف عمل می کند. به طور تقریبی محاسبه شده، اندوکتانس در هر میلی متر طول حدود 1 nH و راکتانس القایی یک خط PCB 10 میلی متری در 434 مگاهرتز حدود 27 Ω است. اگر از لایه خط زمین استفاده نشود، بیشتر خطوط زمین طولانی تر خواهند بود و مدار ویژگی های طراحی را تضمین نمی کند.

این اغلب در مدارهایی که دارای فرکانس رادیویی و سایر قطعات هستند نادیده گرفته می شود. علاوه بر بخش RF، معمولا مدارهای آنالوگ دیگری نیز روی برد وجود دارد. به عنوان مثال، بسیاری از میکروکنترلرها دارای مبدل های آنالوگ به دیجیتال (ADC) داخلی برای اندازه گیری ورودی های آنالوگ و همچنین ولتاژ باتری یا سایر پارامترها هستند. اگر آنتن فرستنده RF در نزدیکی (یا روی) این PCB قرار گیرد، سیگنال فرکانس بالا منتشر شده ممکن است به ورودی آنالوگ ADC برسد. فراموش نکنید که هر خط مدار می تواند سیگنال های RF را مانند آنتن ارسال یا دریافت کند. اگر ورودی ADC به درستی پردازش نشود، سیگنال RF ممکن است در ورودی دیود ESD به ADC خود تحریک شود و باعث انحراف ADC شود.

图片 1

تمام اتصالات به لایه زمین باید تا حد امکان کوتاه باشد و سوراخ عبوری زمین باید (یا خیلی نزدیک به) لنت قطعه قرار گیرد. هرگز اجازه ندهید که دو سیگنال زمین به طور مشترک از یک سوراخ عبوری زمین استفاده کنند، که می تواند به دلیل امپدانس اتصال از طریق سوراخ، باعث ایجاد تداخل بین دو پد شود. خازن جداکننده باید تا حد امکان نزدیک به پین ​​قرار گیرد و در هر پایه ای که باید جدا شود باید از جداسازی خازن استفاده شود. با استفاده از خازن های سرامیکی با کیفیت بالا، نوع دی الکتریک "NPO" است، "X7R" نیز در اکثر کاربردها به خوبی کار می کند. مقدار ایده آل ظرفیت خازنی انتخاب شده باید به گونه ای باشد که رزونانس سری آن برابر فرکانس سیگنال باشد.

به عنوان مثال، در 434 مگاهرتز، خازن 100 pF نصب شده بر روی SMD به خوبی کار می کند، در این فرکانس، راکتانس خازنی خازن حدود 4 Ω است و راکتانس القایی سوراخ در همان محدوده است. خازن و سوراخ سری یک فیلتر شکافی برای فرکانس سیگنال تشکیل می دهند که به آن اجازه می دهد به طور موثر جدا شود. در فرکانس 868 مگاهرتز، خازن های 33 p F یک انتخاب ایده آل هستند. علاوه بر خازن با ارزش کوچک جدا شده از RF، یک خازن با ارزش بزرگ نیز باید روی خط برق قرار داده شود تا فرکانس پایین را جدا کند، می توانید یک خازن سرامیکی 2.2 μF یا خازن تانتالیوم 10 μF را انتخاب کنید.

سیم کشی ستاره یک تکنیک شناخته شده در طراحی مدارهای آنالوگ است. سیم کشی ستاره - هر ماژول روی برد دارای خط برق مخصوص به خود از نقطه برق منبع تغذیه مشترک است. در این حالت سیم کشی ستاره به این معنی است که قسمت های دیجیتال و RF مدار باید خطوط برق مخصوص به خود را داشته باشند و این خطوط برق باید جداگانه در نزدیکی آی سی جدا شوند. این جدایی از اعداد است

روشی موثر برای نویز جزئی و منبع تغذیه از قسمت RF. اگر ماژول های با نویز شدید روی یک برد قرار داده شوند، می توان سلف (مهره مغناطیسی) یا مقاومت مقاومت کوچک (10 Ω) را به صورت سری بین خط برق و ماژول و خازن تانتالیوم حداقل 10 μF متصل کرد. باید به عنوان منبع تغذیه این ماژول ها استفاده شود. چنین ماژول هایی درایورهای RS 232 یا تنظیم کننده های منبع تغذیه سوئیچینگ هستند.

به منظور کاهش تداخل ماژول نویز و قسمت آنالوگ اطراف آن، چیدمان هر ماژول مدار روی برد مهم است. ماژول های حساس (قطعات و آنتن های RF) باید همیشه از ماژول های پر سر و صدا (میکروکنترلرها و درایورهای RS 232) دور نگه داشته شوند تا از تداخل جلوگیری شود. همانطور که در بالا ذکر شد، سیگنال‌های RF هنگام ارسال می‌توانند باعث تداخل سایر ماژول‌های مدار آنالوگ حساس مانند ADC شوند. بیشتر مشکلات در باندهای عملیاتی پایین تر (مانند 27 مگاهرتز) و همچنین سطوح توان خروجی بالا رخ می دهد. جدا کردن نقاط حساس با یک خازن جداکننده RF (100p فارنهایت) متصل به زمین، یک تمرین طراحی خوب است.

اگر از کابل برای اتصال برد RF به یک مدار دیجیتال خارجی استفاده می کنید، از کابل های جفت تابیده استفاده کنید. هر کابل سیگنال باید با کابل GND (DIN/GND، DOUT/GND، CS/GND، PWR _ UP/GND) دوقلو شود. به یاد داشته باشید که برد مدار RF و برد مدار کاربردی دیجیتال را با کابل GND کابل جفت تابیده وصل کنید و طول کابل باید تا حد امکان کوتاه باشد. سیم کشی که برد RF را تغذیه می کند نیز باید با GND (VDD/GND) پیچ خورده باشد.

图片 2