RF obvody sú extrémne citlivé na napájanie, pričom jadrom je obrovský kontrast medzi veľkosťou ich prevádzkových signálov a šumom napájacieho zdroja a šum sa ľahko moduluje priamo na RF nosič; Eliminácia energetického šumu vyžaduje vytvorenie kompletného systému izolácie a potlačenia z viacerých rozmerov, vrátane výberu zariadenia, rozloženia PCB a návrhu architektúry.
1. Hlavný dôvod, prečo sú RF obvody citlivé na napájanie
Úroveň signálu má výrazný kontrast
Užitočný signál RF prijímacieho spojenia je zvyčajne tak nízky ako úroveň μV, zatiaľ čo prepínače a zvlnenie šumu na napájacej koľajnici digitálnych obvodov môžu ľahko dosiahnuť úroveň mV s rozdielom amplitúdy viac ako 120 dB medzi týmito dvoma. Malý výkonový šum stačí na úplné prehlušenie slabých RF signálov.
Vysokofrekvenčné zlyhanie pomeru odmietnutia napájania (PSRR).
PSRR konvenčných výkonových čipov funguje dobre len v nízkofrekvenčnom rozsahu s rýchlym poklesom schopnosti útlmu po prekročení 10 MHz. Vo frekvenčnom pásme 2,4 GHz je PSRR väčšiny bežných LDO menej ako 20 dB, takže je takmer nemožné potlačiť vysokofrekvenčný šum. Zvlnenie 1 mV na napájacom kolíku priamo generuje rozptýlené signály na úrovni 100 μ V na výstupnom termináli RF.
Priama modulácia RF nosiča šumom
Širokopásmový šum a harmonické spínania na napájacom zdroji sa priamo spoja s RF cestou cez kolíky napájacieho zdroja, zmiešajú sa s nosnou vlnou a priamo zhoršia fázový šum, EVM (amplitúda chybového vektora) a citlivosť príjmu. Bolo namerané, že keď hlučnosť zdroja prekročí -50dBc, výkon EVM PA sa zníži o viac ako 15%.
Rušenie zosilnenia parazitných parametrov
Vo vysokofrekvenčnom pásme je ekvivalentná indukčnosť 1 mm dlhého uzemňovacieho vodiča približne 1 nH a indukčnosť 10 mm uzemňovacieho vodiča môže dosiahnuť 27 Ω. Odrazový šum zeme a parazitná indukčnosť ešte viac zosilnia interferenčný efekt šumu napájacieho zdroja a poškodia očakávaný pracovný bod RF obvodu.
2. Schéma úplného eliminácie procesu pre výkonový šum RF dosky
Vrstvený výber a izolácia výkonových čipov
Po dokončení konverzie napätia na prednom konci DC/DC musí byť back-end vybavený vysokofrekvenčným LDO s vysokým PSRR na napájanie najcitlivejších modulov, ako sú VCO a PLL. LDO vyžaduje PSRR nie menej ako 50 dB vo frekvenčnom pásme 2,4 GHz, ako sú modely ako ADP7158 a TPS7A91.
Je zakázané priamo napájať RF malé signálne obvody s DC/DC, pretože širokopásmové harmonické generované na okraji prepínača budú priamo pokrývať frekvenčný rozsah stoviek MHz až GHz, čím sa vytvárajú zhluky šumu, ktoré je ťažké odfiltrovať.
Presné rozloženie viacúrovňového oddeľovacieho kondenzátora
Je prijatá kombinácia „veľkokapacitného kondenzátora na akumuláciu energie + filtračného kondenzátora so strednou kapacitou + vysokofrekvenčného malého kondenzátora“: 10 μ F X7R kondenzátor je umiestnený na napájacom vstupe a 100 nF a 10 pF vysokofrekvenčné kondenzátory NPO/MLCC pokrývajúce frekvenčné pásmo čipu sú sekvenčne namontované od šumu napájacieho zdroja do 1 mm pinov. GHz.
Prísne dodržujte princíp najkratšieho obvodu: vzdialenosť medzi uzemňovacím kolíkom kondenzátora a zemou čipu je menšia ako λ/20 (asi 2,5 mm pri 2,4 GHz), čím sa zabráni vnášaniu parazitnej indukčnosti dlhými vodičmi, aby sa kompenzoval efekt vysokofrekvenčného filtrovania kondenzátora.
Cielená tlmivka magnetických guľôčok/induktov
Na odbočovacej dráhe digitálneho napájacieho zdroja a hlavného napájacieho zdroja vstupujúceho do rádiofrekvenčnej domény sú zvolené magnetické guľôčky s dostatočne vysokou impedanciou v cieľovom frekvenčnom bode šumu a jednosmerným odporom menším ako 0,5 Ω. Napríklad v scenári 2,4 GHz sa vyberú modely s impedanciou 2,4 GHz väčšou alebo rovnou 500 Ω, aby sa dosiahla izolácia výkonového šumu medzi digitálnou doménou a rádiofrekvenčnou doménou.
Na vysokoprúdovej ceste napájania PA je ako tlmivka zvolená vysokofrekvenčná tlmivka vinutia 3-5 nH a okolo nej je vyhradená zakázaná distribučná oblasť väčšia ako 1 mm, aby sa zabránilo parazitnej kapacite a znížil sa efekt filtrovania.
Stohovanie dosiek plošných spojov a návrh napájacích oddielov
Odporúča sa použiť 4-vrstvovú alebo vyššiu vrstvu „signálovej vrstvy kompletnej základnej roviny napájacej vrstvy signálu“, s kompletnou uzemňovacou rovinou druhej vrstvy, ktorá poskytuje nízkoimpedančný návrat pre RF vedenie a zároveň izoluje parazitnú väzbu medzi napájacou vrstvou a vrstvou RF signálu.
Prijatie architektúry napájacieho zdroja v tvare hviezdy: Po rovnomernej filtrácii hlavného prívodu napájania dodáva energiu LNA, PA a VCO prostredníctvom nezávislých vetiev magnetických guľôčok. Analógový napájací zdroj, digitálny napájací zdroj a RF napájací zdroj sú úplne oddelené a rôzne vrstvy napájacieho zdroja sa nesmú v priestore prekrývať, aby sa predišlo parazitnému kapacitnému presluchu.
Testovaná optimalizácia overovania v uzavretej slučke
Skenujte aktívne body šumu na polohovacej doske pomocou sondy blízkeho poľa a použite spektrálny analyzátor na priame meranie spektra šumu napájacích kolíkov RF čipu. V prípade nadmerných frekvenčných bodov pridajte vyhradené filtračné kondenzátory v zodpovedajúcich polohách smerovania 1/4 vlnovej dĺžky, aby ste dosiahli presnú redukciu šumu.