Wie man einen phasenverriegelten Schleifen-IC in Ihrer HF-Leiterplatte anordnet

Als Teil von Telekommunikationssystemen, Funksystemen und anderen HF-Geräten, die eine Frequenzsynthese benötigen, spielen phasengekoppelte Schleifen (PLL) eine wichtige Rolle im PCB-Design. Hochfrequenz-Transceiver und Hochgeschwindigkeits-Digitalgeräte enthalten integrierte phasengekoppelte Schleifen neben einem integrierten VCO-Layout, das stabile und intern steuerbare Takt Signale liefert. Einige PLL-ICs sind jedoch als diskrete ICs verfügbar, die ein integriertes VCO-Layout im Gehäuse enthalten. Insgesamt ermöglicht eine PLL einige wichtige Aufgaben in Ihrem HF-PCB-Design, wie Demodulation, Phasenrauschentfernung und Bereitstellung einer sauberen Wellenform in der Frequenzsynthese.

Eine phasengekoppelte Schleife in einem PCB kann unter denselben parasitären Effekten leiden, die jedes andere HF-PCB befallen können, und Designer sollten kluge Layout-Entscheidungen treffen, wenn sie mit einer diskreten phasengekoppelten Schleife arbeiten.

Wofür wird eine phasengekoppelte Schleife verwendet?

Eine phasengekoppelte Schleife hat eine Reihe wichtiger Funktionen in analogen (HF) Systemen und in Systemen, die eine präzise Takt- und Signalsynchronisation über eine Platine hinweg benötigen. Hier sind einige der grundlegenden Funktionen einer phasengekoppelten Schleife und warum sie in einem HF-PCB wichtig sind.

• Phasenrauschunterdrückung: Eine phasengekoppelte Schleife kann auch verwendet werden, um Phasenrauschen von einem Referenzsignal zu entfernen, indem sie mit einer Referenz synchronisiert wird, die von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) bereitgestellt wird. In der Vergangenheit hätte man für diese Aufgaben einige separate Komponenten verwendet, aber die heutigen phasengekoppelten Schleifen integrieren das VCO-Layout in den IC.
• Frequenzsynthese: Eine analoge oder digitale phasengekoppelte Schleife kann auch für die Frequenzsynthese bei höheren oder niedrigeren Frequenzen als eine Referenz verwendet werden. Im Bereich der digitalen Synthese kann eine phasengekoppelte Schleife verwendet werden, um die Wiederholungsrate eines Stroms digitaler Pulse zu verringern oder zu erhöhen. In beiden Fällen kann die Oszillations-/Wiederholungsrate mit kommerziell verfügbaren und experimentellen phasengekoppelten Schleifen 10er GHz erreichen, was es ihnen ermöglicht, viele RF-Anwendungen zu unterstützen.
• Demodulation von FM-Signalen: Wenn die phasengekoppelte Schleife mit einem FM-Signal gespeist wird, verfolgt der VCO dessen momentane Frequenz. Die Fehlerspannungsausgabe aus dem Schleifenfilterstadium (siehe unten), die den VCO steuert, entspricht dem demodulierten FM-Ausgang.

Bei niedrigen Geschwindigkeiten/niedrigen Frequenzen ist das Phasenrauschen in einem gegebenen Treiber typischerweise niedrig genug, dass man keinen Phasenregelkreis (Phase-Locked Loop, PLL) nutzen muss, um es zu kompensieren, und die Hauptursachen sind auf andere Probleme zurückzuführen, die auf der Ebene des PCB-Layouts behoben werden können.

Die Rolle jeder Komponente in einem Phasenregelkreis

Phasenregelkreise verwenden negatives Feedback von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) in analogen Anwendungen oder einem numerisch gesteuerten Oszillator (NCO) in digitalen Anwendungen. In analogen Anwendungen hängt die Frequenz des Ausgangssignals eines VCO oder NCO von seiner Eingangsspannung oder einem digitalen Eingang ab. In beiden Fällen wird der Ausgang vom PLL proportional zur Phasendifferenz zwischen dem Referenzeingangssignal sein. Wenn sich die Phasendifferenz (und damit der Ausgang) über die Zeit nicht ändert, dann sind die beiden Signale bei derselben Frequenz gesperrt.

In einem RF-System hängt der Ausgang eines analogen VCO von der Eingangsspannung ab, was ihn nützlich macht, um ein Referenz-Taktsignal zu modulieren. Innerhalb einer phasengekoppelten Schleife (Phase-Locked Loop, PLL) sperrt der VCO effektiv auf eine bestimmte Referenz durch die Verwendung eines Schleifenfilters ein. In analogen phasengekoppelten Schleifen benötigt der Schleifenfilter einige Zeit, um sich auf das gewünschte Referenzsignal einzusperren (Erreichen von ~100 ns).

Der Ausgang des Schleifenfilters hat auch einen besonderen Platz innerhalb einer phasengekoppelten Schleife. Wenn der VCO verwendet wird, um sich auf ein gewünschtes Trägersignal einzusperren, wird ein frequenz- oder phasenmoduliertes Signal im Allgemeinen mit einer Rate moduliert, die viel schneller ist als die Einsperrzeit der phasengekoppelten Schleife. In diesem Fall gibt der Schleifenfilter ein Fehlersignal aus, das proportional zur momentanen Phasendifferenz zwischen dem Referenz- und dem VCO-Signal ist. Wenn ein moduliertes Referenzsignal als Träger in die phasengekoppelte Schleife eingespeist wird, ist dieses Fehlersignal tatsächlich das demodulierte Signal.

Blockdiagramm der phasengekoppelten Schleife

PCB-Layout für Ihre phasengekoppelte Schleife

Phase-Locked-Loop-ICs sind auf dem Markt erhältlich, die niedrige GHz-Werte erreichen. Transceiver und Modems für höherfrequente Systeme enthalten normalerweise den gesamten Phasenregelkreis, einschließlich des VCO-Layouts und der unterstützenden Schaltkreise, auf dem Chip. Diese können auf Zwischenfrequenzen arbeiten, um ein sauberes Ausgangssignal zu liefern, das dann hochkonvertiert und moduliert wird, um ein gewünschtes HF-Signal zu erzeugen. Mit einem Phase-Locked-Loop-IC werden HF-Frequenzen in die Komponente ein- und ausgeleitet und um die Platine herumgeführt, und Sie müssen auf die Signalintegrität im System achten. Einige der wichtigen Layoutpunkte umfassen:

• Isolation und Platinenrasterung: Um zu verhindern, dass sich Eingangs-HF, Ausgangs-HF und andere analoge/digitale Abschnitte gegenseitig stören, ordnen Sie verschiedene Schaltungsbereiche in spezifischen Regionen der Platine an. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie einige Isolationsstrukturen (Via-Zäune, Ground-Pour, separate Routing-Layer) verwenden, um zu verhindern, dass HF-Abschnitte sich gegenseitig und andere Platinenbereiche stören.
• Leistungsintegrität: Störgeräusche der Stromversorgung erfordern präzises Entkoppeln, daher sollten benachbarte Strom- und Masseebenen als Grundlage Ihres phasengekoppelten Schleifen-PDN (Power Distribution Network) verwendet werden. Behandeln Sie den Schaltkreis auch als ein Hochgeschwindigkeits-Digitalsystem und platzieren Sie ein Entkopplungsnetzwerk in der Nähe der Stromanschlüsse. Dies wird eine stabile Gleichspannung an diese ICs liefern und das Klingeln im Strombus oder der Stromebene unterdrücken, wenn digitale ICs anderswo auf der Platine schalten. Alle Entkopplungs-/Bypass-Kondensatoren sollten ihre eigenen Vias verwenden, um sich wieder mit der Masseebene zu verbinden.
• Wärme: Platzieren Sie ein geerdetes thermisches Pad unter dem phasengekoppelten Schleifen-IC, um sicherzustellen, dass die Wärme zurück in die PCB-Masseebene fließt.
• Verluste: Wenn Sie in den GHz-Bereich vordringen, sollten Sie ein laminat mit geringen Verlusten oberhalb der WiFi-Frequenzen in Betracht ziehen. Materialien von Rogers oder Isola sind gute Wahlmöglichkeiten, um RF-Signale mit geringen Verlusten zu übertragen. Versuchen Sie, RF-Leiterbahnen voneinander getrennt zu halten, aber halten Sie sie auch so kurz wie möglich, um Interferenzen und übermäßige Verluste zu vermeiden.
• Impedanzanpassung: Wie bei anderen RF-Systemen müssen Sie die Übertragungsleitungen und Ein-/Ausgangsports an Ihrem phasengekoppelten Schleifen-IC sorgfältig auf Impedanz abstimmen.

Haben Sie schon einmal mit einem Synthesizer gespielt? Dann haben Sie tatsächlich mit einem VCO gespielt.

Wie sieht es mit einem separaten VCO-Layout aus?

Dies ist nicht üblich, da heutige Phasenregelschleifen-ICs ein integriertes VCO-Layout enthalten. Dennoch gibt es einige Bereiche, in denen ein separates VCO-Layout verwendet wird. Höherleistungs-RF-Systeme, die eine Phasenregelschleife benötigen, müssen möglicherweise alle Teile in verschiedene Platinenabschnitte trennen (Phasenregelschleife, VCO-Layout, Verstärker und andere Komponenten). Darüber hinaus können Systeme, die softwaredefiniertes Radio verwenden, einen speziellen VCO für die Erzeugung von Referenzsignalen oder die direkte Frequenzsynthese nutzen. Die Arbeit mit einem VCO kann schwierig sein, unabhängig davon, ob Sie Ihre eigene Phasenregelschleife für das System aufgebaut haben.

Die Bandbreite eines VCO beeinflusst seine Empfindlichkeit gegenüber Netzteilrauschen und seinem eigenen Phasenrauschen. VCOs mit breiterer Bandbreite können eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Netzteilrauschen aufweisen, daher werden Spannungsregler mit ultraniedrigem Rauschen empfohlen, um das Phasenrauschen am VCO-Ausgang zu minimieren. Die Verwendung eines Schmalband-VCO wird nur einen engeren Frequenzbereich abdecken, und dies sollte während des Designs berücksichtigt werden.

Ein VCO kann auch zur direkten Modulation eines Trägersignals verwendet werden. Der Ausgang eines VCO kann genutzt werden, um eine Modulation auf ein Trägersignal anzuwenden, welches dann zu einer Sendenantenne gesendet werden kann. Dies kann mit einem T-Abschnitt erfolgen, der drei Widerstände verwendet, um die Antennenimpedanz an die Ausgangsimpedanz des VCO anzupassen. Parasitäre Effekte werden hier bei hohen Frequenzen problematisch, da sie die Impedanzanpassung und Isolation stören können. Diese Schwierigkeiten sollten verdeutlichen, warum ein VCO-Layout normalerweise in eine phasengeregelte Schleife integriert wird.

Angesichts der Anforderungen an die Leistungsintegrität, Signalintegrität und das Mixed-Signal-Design in HF-Geräten mit einem Phasenregelkreis-IC benötigen Designer die richtigen Layout-, Routing- und Simulationstools zur Unterstützung des Designs. Altium Designer integriert diese und viele weitere Funktionen in einem einzigen Programm und ermöglicht es Ihnen, Geräte höchster Qualität für jede Anwendung zu entwerfen.

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