Superando Desafios no Projeto de PCB RF: Soluções Comprovadas para Desempenho Confiável

Muitas incertezas existem no projeto de PCB RF (radiofrequência), descrito como "arte negra". Geralmente, para circuitos em frequência abaixo de micro-ondas (incluindo baixa frequência e circuito digital de baixa frequência), layout cuidadoso garante sucesso na primeira vez com todos os princípios dominados. Para frequência acima de micro-ondas e circuitos digitais de PC de alta frequência, duas a três versões de PCB garantem qualidade. Quanto a circuitos RF em frequência acima de micro-ondas, mais versões são necessárias para melhoria constante. Portanto, muitas dificuldades são certas no projeto de circuito RF.

Problemas Mais Comuns no Projeto de Circuito RF

Interferência entre Módulo de Circuito Digital e Analógico

Quando circuito analógico (RF) e digital trabalham independentemente, provavelmente funcionam perfeitamente. Mas assim que misturados na mesma placa com mesma fonte de alimentação, o sistema pode tornar-se instável porque sinais digitais oscilam frequentemente entre terra e alimentação positiva (>3 V) com período muito curto na escala de nanossegundos. Devido à maior amplitude e tempo de comutação menor, todos os sinais digitais conterão elementos de alta frequência independentes da frequência de comutação. Nas seções analógicas, a tensão é geralmente menor que 1 µV do loop de sintonia de rádio ao receptor. Portanto, diferença entre loop de sintonia e sinais RF pode atingir 120 dB. Evidentemente, se sinais digitais e RF não forem separadamente organizados, sinais RF fracos sofrerão danos. Como resultado, operabilidade do equipamento de rádio deteriora-se ou nem funciona.

Interferência de Ruído da Fonte de Alimentação

Circuito RF é bastante sensível a ruído, especialmente para tensão de glitch e outros harmônicos de alta frequência. Microcontrolador absorverá repentinamente a maior parte da corrente dentro de cada período de clock interno, pois microcontroladores modernos são fabricados com técnica CMOS. Suponha microcontrolador rodando a 1 MHz interno; ele extrairá corrente da fonte a essa frequência. Se desacoplamento adequado não for aplicado, glitch de tensão surgirá nas linhas de alimentação. Quando glitches chegam aos pinos de alimentação do circuito RF, falha poderá ocorrer se grave.

GND Irrazoável

Se GND for irrazoavelmente definido para circuito RF, resultados estranhos podem ser gerados. No projeto de circuito digital, mesmo sem GND, a maioria das funções é implementada excelentemente. Quanto a RF, porém, mesmo uma linha de terra curta desempenha papel equivalente a indutor. Sabe-se que indutância de 1 nH equivale a comprimento de 1 mm, baseando-se nisso, reatância indutiva de PCB com 10 mm deve ser aproximadamente 27 Ω. Se GND não for aplicado, a maioria das linhas de terra será longa demais e o circuito não apresentará características baseadas no projeto.

Interferência Irradiada pela Antena em Outros Circuitos Analógicos

No layout de PCB, outros circuitos analógicos também estão na placa. Por exemplo, muitos circuitos contêm conversor analógico-digital (ADC) ou digital-analógico (DAC). Sinais de alta frequência transmitidos pelo transmissor RF talvez cheguem ao terminal de entrada analógico do ADC porque qualquer linha de circuito transmitirá ou receberá sinais RF como antena. Se entrada do ADC for inadequadamente processada, sinais RF possivelmente tornar-se-ão auto-excitados dentro do diodo ESD da entrada, o que então causa desvio do ADC.

Princípios e Esquema de Projeto de Circuito RF

Definição de Layout RF

Ao projetar layout RF, os seguintes princípios gerais devem ser seguidos:

1. Amplificadores de alta potência (HPAs) e amplificadores de baixo ruído (LNAs) devem ser separados ao máximo. Resumidamente, circuitos de transmissão RF de alta frequência são colocados longe de circuitos de recepção RF de baixa frequência.
2. Pelo menos um terra completo deve estar disponível na área de alta frequência na PCB e é melhor que nenhum furo passante ocorra ali. Quanto maior a área de folha de cobre, melhor.
3. É igualmente significativo para circuitos e alimentação passarem por desacoplamento.
4. Saída RF deve ficar longe de entrada RF.
5. Sinais analógicos sensíveis devem ficar o mais longe possível de sinais digitais de alta velocidade e sinais RF.

Princípios de Particionamento Físico e Elétrico

Particionamento classifica-se em físico e elétrico. O primeiro preocupa layout, orientações e blindagem de componentes; o segundo subdivide-se em distribuição de alimentação, roteamento RF, circuitos sensíveis, sinais e particionamento de terra.

a. Princípio de Particionamento Físico

Princípio de layout de componentes. Layout desempenha papel essencial em projeto RF bem-sucedido. Tecnologia mais eficaz é primeiro fixar componentes colocados ao longo do caminho RF e modificar orientações para minimizar caminho RF com entrada longe de saída e circuitos de alta e baixa potência separados ao máximo.

Princípio de design de laminação (stackup). Método mais eficiente é dispor plano de terra principal na segunda camada abaixo da primeira e traços RF na primeira camada. Tamanho de furos passantes no caminho RF deve ser reduzido ao mínimo, reduzindo indutância de caminho e diminuindo juntas de solda frias no terra principal. Além disso, menos energia RF vazará para outras áreas na laminação.

Princípio de componentes RF e rastreamento. No espaço físico, circuitos lineares como amplificadores multi-estágio separam todas as áreas RF, mas duplexador, misturador e amplificador de frequência intermediária/misturador frequentemente levam a interferência mútua entre múltiplos sinais RF/IF. Esta influência deve ser minimizada. Traços RF/IF devem ser cruzados e um terra deixado entre eles. Caminho RF correto é importante para desempenho da PCB, por isso layout de componentes responde pela maior parte do tempo em projeto de PCB de celular.

b. Princípio de Particionamento Elétrico

Princípio de transmissão de alimentação. CC na maioria dos circuitos de celulares é geralmente baixa, então largura de trilha não precisa ser cuidadosamente considerada. No entanto, trilha com grande corrente, cuja largura seja a maior possível, deve ser independentemente projetada para alimentação de amplificadores de alta potência para reduzir tensão transmitida ao mínimo. Para evitar perda excessiva de corrente, múltiplos furos passantes devem transmitir corrente de um plano a outro.

Desacoplamento de alimentação de dispositivos de alta potência. Se acoplamento completo falhar nos pinos de amplificador de alta potência, ruído de alta potência será irradiado para toda a placa com muitos problemas. Aterramento de amplificador de alta potência é essencial e capa de blindagem metálica geralmente é necessária.

Princípio de segregação de entrada/saída RF. Para a maioria das situações, é essencial garantir que saída RF esteja longe de entrada, o que também vale para amplificador, bumper e filtro. Nas piores situações, se entrada de amplificador e bumper retorna ao terminal de entrada em fase e amplitude favoráveis, vibração auto-excitada pode ser causada. Nas melhores, trabalharão estavelmente em qualquer temperatura e tensão. De fato, podem tornar-se instáveis e adicionar ruído e sinais de intermodulação aos sinais RF.

Em suma, circuito RF apresenta efeito de pele e efeito de acoplamento devido ao seu circuito de parâmetros distribuídos, o que o diferencia de circuito de baixa frequência e CC. Como resultado, as questões discutidas devem ser especialmente enfatizadas durante projeto de PCB de circuito RF para que o projeto seja eficaz e preciso.

Recursos Úteis

• Diretrizes para Projeto de PCB RF e Micro-ondas
• Projeto de PCB para Circuito de Radiofrequência e Compatibilidade Eletromagnética
• PCBCart oferece serviço de fabricação de PCB RF