จะวางทั้งวงจร RF และวงจรดิจิตอลบนบอร์ด PCB ได้อย่างไร?

หากวงจรแอนะล็อก (RF) และวงจรดิจิทัล (ไมโครคอนโทรลเลอร์) ทำงานได้ดีแยกกัน แต่เมื่อคุณวางทั้งสองวงจรไว้บนแผงวงจรเดียวกัน และใช้แหล่งจ่ายไฟเดียวกันเพื่อทำงานร่วมกัน ระบบทั้งหมดก็มีแนวโน้มที่จะไม่เสถียร สาเหตุหลักมาจากสัญญาณดิจิทัลจะแกว่งไปมาระหว่างกราวด์กับแหล่งจ่ายไฟบวก (ขนาด 3 V) บ่อยครั้ง และคาบเวลาจะสั้นเป็นพิเศษ ซึ่งมักจะเป็นระดับ ns เนื่องจากแอมพลิจูดสูงและเวลาในการสลับน้อย สัญญาณดิจิทัลเหล่านี้จึงมีส่วนประกอบความถี่สูงจำนวนมากที่ไม่ขึ้นกับความถี่ในการสลับ ในส่วนอะนาล็อก สัญญาณจากลูปปรับเสาอากาศไปยังส่วนรับสัญญาณของอุปกรณ์ไร้สายโดยทั่วไปจะน้อยกว่า 1μV

การแยกสายอ่อนไหวและสายสัญญาณรบกวนไม่เพียงพอเป็นปัญหาที่พบบ่อย ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น สัญญาณดิจิทัลมีการแกว่งสูงและมีฮาร์โมนิกความถี่สูงจำนวนมาก หากการเดินสายสัญญาณดิจิทัลบน PCB อยู่ติดกับสัญญาณอะนาล็อกที่มีความละเอียดอ่อน ฮาร์โมนิคความถี่สูงอาจถูกต่อพ่วง โหนดที่ละเอียดอ่อนของอุปกรณ์ RF มักจะเป็นวงจรกรองลูปของลูปล็อคเฟส (PLL) ตัวเหนี่ยวนำออสซิลเลเตอร์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าภายนอก (VCO) สัญญาณอ้างอิงคริสตัลและขั้วต่อเสาอากาศ และควรจัดการกับส่วนเหล่านี้ของวงจร ด้วยการดูแลเป็นพิเศษ

เนื่องจากสัญญาณอินพุต/เอาท์พุตมีการแกว่งหลาย V โดยทั่วไปวงจรดิจิทัลจึงยอมรับได้สำหรับสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟ (น้อยกว่า 50 mV) วงจรแอนะล็อกไวต่อสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ โดยเฉพาะแรงดันเสี้ยนและฮาร์โมนิกความถี่สูงอื่นๆ ดังนั้นการกำหนดเส้นทางสายไฟบนบอร์ด PCB ที่มีวงจร RF (หรือแอนะล็อกอื่นๆ) จะต้องระมัดระวังมากกว่าการเดินสายไฟบนแผงวงจรดิจิตอลทั่วไป และควรหลีกเลี่ยงการกำหนดเส้นทางอัตโนมัติ นอกจากนี้ ควรสังเกตด้วยว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ (หรือวงจรดิจิทัลอื่นๆ) จะดูดกระแสไฟฟ้าส่วนใหญ่กะทันหันในช่วงเวลาสั้นๆ ในระหว่างรอบสัญญาณนาฬิกาภายในแต่ละรอบ เนื่องจากการออกแบบกระบวนการ CMOS ของไมโครคอนโทรลเลอร์สมัยใหม่

แผงวงจร RF ควรมีชั้นสายกราวด์เชื่อมต่อกับขั้วลบของแหล่งจ่ายไฟเสมอ ซึ่งอาจก่อให้เกิดปรากฏการณ์แปลก ๆ หากไม่ได้รับการจัดการอย่างเหมาะสม นี่อาจเป็นเรื่องยากสำหรับนักออกแบบวงจรดิจิทัลที่จะเข้าใจ เนื่องจากวงจรดิจิทัลส่วนใหญ่ทำงานได้ดีแม้ว่าจะไม่มีชั้นกราวด์ก็ตาม ในแถบความถี่ RF แม้แต่สายสั้นก็ทำหน้าที่เหมือนตัวเหนี่ยวนำ เมื่อคำนวณโดยประมาณ ค่าความเหนี่ยวนำต่อความยาว มม. คือประมาณ 1 nH และค่ารีแอกแตนซ์แบบเหนี่ยวนำของสาย PCB ขนาด 10 มม. ที่ 434 MHz คือประมาณ 27 Ω หากไม่ได้ใช้ชั้นกราวด์ เส้นกราวด์ส่วนใหญ่จะยาวกว่าและวงจรจะไม่รับประกันลักษณะการออกแบบ

ซึ่งมักถูกมองข้ามในวงจรที่มีความถี่วิทยุและส่วนอื่นๆ นอกจากส่วน RF แล้ว ยังมีวงจรแอนะล็อกอื่นๆ บนบอร์ดด้วย ตัวอย่างเช่น ไมโครคอนโทรลเลอร์จำนวนมากมีตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ในตัวเพื่อวัดอินพุตแอนะล็อก รวมถึงแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่หรือพารามิเตอร์อื่นๆ หากเสาอากาศของเครื่องส่งสัญญาณ RF ตั้งอยู่ใกล้ (หรือบน) PCB นี้ สัญญาณความถี่สูงที่ปล่อยออกมาอาจไปถึงอินพุตอะนาล็อกของ ADC อย่าลืมว่าสายวงจรใดๆ ก็ตามสามารถส่งหรือรับสัญญาณ RF ได้เหมือนกับเสาอากาศ หากอินพุต ADC ไม่ได้รับการประมวลผลอย่างเหมาะสม สัญญาณ RF อาจตื่นเต้นในตัวเองในอินพุตไดโอด ESD ไปยัง ADC ทำให้เกิดความเบี่ยงเบนของ ADC

ภาพ 1

การเชื่อมต่อกับชั้นกราวด์ทั้งหมดจะต้องสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และควรวางรูเจาะกราวด์ (หรือใกล้มาก) กับแผ่นของส่วนประกอบ อย่าปล่อยให้สัญญาณกราวด์สองสัญญาณแชร์กราวด์ผ่านรู ซึ่งอาจทำให้เกิดการข้ามระหว่างแผ่นอิเล็กโทรดทั้งสองได้เนื่องจากอิมพีแดนซ์การเชื่อมต่อผ่านรูทะลุ ควรวางตัวเก็บประจุแยกตัวให้ใกล้กับพินมากที่สุด และควรใช้การแยกตัวเก็บประจุที่แต่ละพินที่ต้องการแยกตัว การใช้ตัวเก็บประจุเซรามิกคุณภาพสูงประเภทอิเล็กทริกคือ "NPO" "X7R" ยังทำงานได้ดีในการใช้งานส่วนใหญ่ ค่าในอุดมคติของความจุที่เลือกควรเป็นค่าเรโซแนนซ์อนุกรมเท่ากับความถี่ของสัญญาณ

ตัวอย่างเช่น ที่ความถี่ 434 MHz ตัวเก็บประจุ 100 pF ที่ติดตั้งบน SMD จะทำงานได้ดี ที่ความถี่นี้ ค่ารีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟของตัวเก็บประจุจะอยู่ที่ประมาณ 4 Ω และค่ารีแอกแตนซ์แบบเหนี่ยวนำของรูนั้นอยู่ในช่วงเดียวกัน ตัวเก็บประจุและรูในซีรีย์จะสร้างตัวกรองรอยบากสำหรับความถี่ของสัญญาณ ทำให้สามารถแยกส่วนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ที่ 868 MHz ตัวเก็บประจุ 33 p F เป็นตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุด นอกเหนือจากตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่แยก RF แล้ว ควรวางตัวเก็บประจุขนาดใหญ่บนสายไฟเพื่อแยกความถี่ต่ำ สามารถเลือกตัวเก็บประจุแทนทาลัมเซรามิก 2.2 μF หรือ 10μF

การเดินสายแบบสตาร์เป็นเทคนิคที่รู้จักกันดีในการออกแบบวงจรแอนะล็อก การเดินสายไฟแบบสตาร์ - แต่ละโมดูลบนบอร์ดมีสายไฟของตัวเองจากจุดจ่ายไฟทั่วไป ในกรณีนี้ การเดินสายแบบห้าแฉกหมายความว่าส่วนดิจิทัลและ RF ของวงจรควรมีสายไฟของตัวเอง และสายไฟเหล่านี้ควรแยกออกจากกันใกล้กับ IC นี่คือการแยกจากตัวเลข

วิธีการที่มีประสิทธิภาพสำหรับสัญญาณรบกวนบางส่วนและแหล่งจ่ายไฟจากส่วน RF หากวางโมดูลที่มีสัญญาณรบกวนรุนแรงบนบอร์ดเดียวกัน สามารถเชื่อมต่อตัวเหนี่ยวนำ (ลูกปัดแม่เหล็ก) หรือความต้านทานความต้านทานขนาดเล็ก (10 Ω) เป็นอนุกรมระหว่างสายไฟและโมดูล และตัวเก็บประจุแทนทาลัมอย่างน้อย 10 μF ต้องใช้เป็นตัวแยกแหล่งจ่ายไฟของโมดูลเหล่านี้ โมดูลดังกล่าวคือไดรเวอร์ RS 232 หรือตัวควบคุมการจ่ายไฟแบบสวิตช์

เพื่อลดการรบกวนจากโมดูลสัญญาณรบกวนและชิ้นส่วนอะนาล็อกโดยรอบ เลย์เอาต์ของโมดูลวงจรแต่ละโมดูลบนบอร์ดจึงมีความสำคัญ ควรเก็บโมดูลที่มีความละเอียดอ่อน (ชิ้นส่วน RF และเสาอากาศ) ให้ห่างจากโมดูลที่มีสัญญาณรบกวน (ไมโครคอนโทรลเลอร์และไดรเวอร์ RS 232) เสมอ เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวน ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น สัญญาณ RF สามารถทำให้เกิดการรบกวนกับโมดูลวงจรแอนะล็อกที่มีความละเอียดอ่อนอื่นๆ เช่น ADC เมื่อถูกส่งไป ปัญหาส่วนใหญ่เกิดขึ้นในย่านความถี่การทำงานที่ต่ำกว่า (เช่น 27 MHz) รวมถึงระดับเอาท์พุตพลังงานที่สูง แนวทางการออกแบบที่ดีในการแยกจุดที่มีความละเอียดอ่อนด้วยตัวเก็บประจุแยกสัญญาณ RF (100p F) ที่เชื่อมต่อกับกราวด์

หากคุณใช้สายเคเบิลเพื่อเชื่อมต่อบอร์ด RF เข้ากับวงจรดิจิทัลภายนอก ให้ใช้สายเคเบิลคู่บิดเกลียว สายสัญญาณแต่ละเส้นต้องจับคู่กับสาย GND (DIN/ GND, DOUT/ GND, CS/ GND, PWR _ UP/ GND) อย่าลืมเชื่อมต่อแผงวงจร RF และแผงวงจรแอปพลิเคชันดิจิทัลกับสาย GND ของสายคู่บิดเกลียว และความยาวของสายเคเบิลควรสั้นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การเดินสายไฟที่จ่ายไฟให้กับบอร์ด RF จะต้องบิดด้วย GND (VDD/ GND)

ภาพ 2