Cómo diseñar un circuito integrado de bucle de fase cerrada en tu PCB de RF

Como parte de los sistemas de telecomunicaciones, sistemas de radio y otros dispositivos RF que requieren síntesis de frecuencia, los bucles de enganche de fase juegan un papel importante en el diseño de PCBs. Los transceptores de alta frecuencia y los dispositivos digitales de alta velocidad contienen bucles de enganche de fase integrados junto con un diseño VCO integrado, lo que proporciona señales de reloj estables y controlables internamente. Sin embargo, algunos ICs de PLL están disponibles como ICs discretos, que incluirán un diseño VCO integrado dentro del paquete. En total, un PLL permite algunas tareas importantes en su diseño de PCB RF, como la demodulación, eliminación de ruido de fase y proporcionar una forma de onda limpia en la síntesis de frecuencia.

Un bucle de enganche de fase en un PCB puede sufrir de los mismos efectos parásitos que pueden afectar a cualquier otro PCB RF, y los diseñadores deberían tomar algunas decisiones inteligentes de diseño si están trabajando con un bucle de enganche de fase discreto.

¿Para qué se utiliza un Bucle de Enganche de Fase?

Un bucle de enganche de fase tiene una serie de funciones importantes en sistemas analógicos (RF) y en sistemas que requieren sincronización precisa de reloj y señal a través de una placa. Aquí están algunas de las funciones básicas de un bucle de enganche de fase y por qué son importantes en un PCB RF.

• Eliminación del ruido de fase: Un bucle de fase bloqueada también puede usarse para eliminar el ruido de fase de una señal de referencia sincronizándose con una referencia proporcionada por un oscilador controlado por voltaje (VCO). En años anteriores, se utilizaban algunos componentes separados para estas tareas, pero los bucles de fase bloqueada de hoy integran el diseño del VCO en el CI.
• Síntesis de frecuencia: Un bucle de fase bloqueada, ya sea analógico o digital, también puede utilizarse para la síntesis de frecuencia a frecuencias más altas o más bajas que alguna referencia. En términos de síntesis digital, un bucle de fase bloqueada puede usarse para disminuir o aumentar la tasa de repetición de un flujo de pulsos digitales. En ambos casos, la tasa de oscilación/repetición puede alcanzar decenas de GHz con bucles de fase bloqueada disponibles comercialmente y experimentales, permitiéndoles soportar muchas aplicaciones de RF.
• Demodulación de señales FM: Si al bucle de fase bloqueada se le alimenta con una señal FM, el VCO sigue su frecuencia instantánea. El voltaje de error de salida de la etapa del filtro de bucle (ver abajo), que es lo que controla el VCO, es igual a la salida FM demodulada.

A bajas velocidades/bajas frecuencias, el ruido de fase en un controlador dado es típicamente lo suficientemente bajo como para que no sea necesario aprovechar un bucle de fase bloqueada para compensarlo, y las principales fuentes se deben a otros problemas que pueden solucionarse a nivel de diseño de PCB.

El papel de cada componente en un bucle de fase bloqueada

Los bucles de fase bloqueada utilizan retroalimentación negativa de un oscilador controlado por voltaje (VCO) en aplicaciones analógicas, o un oscilador controlado numéricamente (NCO) en aplicaciones digitales. En aplicaciones analógicas, la frecuencia de la salida de un VCO o NCO depende de su voltaje de entrada o una entrada digital, respectivamente. En cualquier caso, la salida del PLL será proporcional a la diferencia de fase entre la señal de entrada de referencia. Cuando la diferencia de fase (y por lo tanto la salida) no cambian con el tiempo, entonces las dos señales están bloqueadas a la misma frecuencia.

En un sistema RF, la salida de un VCO analógico depende del voltaje de entrada, lo que lo hace útil para modular una señal de reloj de referencia . Dentro de un lazo de enganche de fase, el VCO se bloquea efectivamente en una referencia particular mediante el uso de un filtro de lazo. En los lazos de enganche de fase analógicos, el filtro de lazo tarda algún tiempo en bloquearse en la señal de referencia deseada (alcanzando ~100 ns).

La salida del filtro de lazo también tiene un lugar especial dentro de un lazo de enganche de fase. Cuando el VCO se utiliza para bloquearse en una señal portadora deseada, una señal modulada en frecuencia o fase generalmente se modula a una tasa que es mucho más rápida que el tiempo de bloqueo del lazo de enganche de fase. En este caso, el filtro de lazo emitirá una señal de error que es proporcional a la diferencia de fase instantánea entre la referencia y la señal del VCO. Cuando una señal de referencia modulada se introduce en el lazo de enganche de fase como portadora, esta señal de error es en realidad la señal demodulada.

Diagrama de bloques del lazo de enganche de fase

Diseño de PCB para tu lazo de enganche de fase

Los circuitos integrados de bucle de fase cerrada están disponibles en el mercado y alcanzan valores de baja GHz. Los transceptores y módems para sistemas de mayor frecuencia normalmente incluyen todo el bucle de fase cerrada, incluyendo el diseño del VCO y la circuitería de soporte, en el chip. Estos pueden operar a frecuencias intermedias para proporcionar una salida limpia, que luego es convertida hacia arriba y modulada para dar una señal RF deseada. Con un circuito integrado de bucle de fase cerrada, tendrás frecuencias RF entrando y saliendo del componente y distribuidas alrededor de la placa, y necesitarás prestar atención a la integridad de la señal en el sistema. Algunos de los puntos importantes de diseño incluyen:

• Aislamiento y cuadriculado de la placa: Para evitar que la RF de entrada, la RF de salida y otras secciones analógicas/digitales interfieran entre sí, organiza diferentes bloques de circuitos en regiones específicas de la placa. También asegúrate de usar algunas estructuras de aislamiento (vallas de vías, vertido de tierra, capas de enrutamiento separadas) para prevenir que las secciones de RF interfieran entre sí y con otras secciones de la placa.
• Integridad de potencia: El ruido de la fuente de alimentación requiere un desacoplamiento preciso, así que utiliza los planos de potencia y tierra vecinos como la base de tu red de distribución de potencia (PDN) para el bucle de fase bloqueada. Además, trata el circuito como un sistema digital de alta velocidad y coloca una red de desacoplamiento cerca de los pines de potencia. Esto proporcionará un voltaje de CC estable a estos ICs y suprimirá el sonido en el bus de potencia o plano de potencia cuando los ICs digitales en otros lugares de la placa conmuten. Cualquier capacitor de desacoplamiento/bypass debe usar sus propias vías para conectarse de nuevo al plano de tierra.
• Calor: Coloca una almohadilla térmica conectada a tierra debajo del IC de bucle de fase bloqueada para asegurar que el calor fluya de regreso al plano de tierra del PCB.
• Pérdidas: Si estás trabajando con frecuencias de GHz, considera un laminado de baja pérdida por encima de las frecuencias de WiFi. Los materiales de Rogers o Isola son buenas opciones para transportar señales de RF con baja pérdida. Intenta mantener las trazas de RF alejadas entre sí, pero también mantenlas lo más cortas posible para prevenir interferencias y pérdidas excesivas.
• Emparejamiento de impedancia: Como en otros sistemas de RF, necesitarás hacer un emparejamiento de impedancia cuidadoso de las líneas de transmisión y los puertos de entrada/salida en tu IC de bucle de fase bloqueada.

¿Alguna vez has jugado con un sintetizador? Realmente estás jugando con un VCO

¿Qué pasa con un diseño de VCO separado?

Esto no es común ya que los circuitos integrados de bucle de fase bloqueada de hoy en día contendrán un diseño de VCO integrado. Dicho esto, hay algunos lugares donde se utiliza un diseño de VCO separado. Los sistemas de RF de alta potencia que necesitan un bucle de fase bloqueada pueden necesitar separar todas las partes en diferentes secciones de la placa (bucle de fase bloqueada, diseño de VCO, amplificador y otros componentes). Además, los sistemas que utilizan radio definida por software pueden usar un VCO especializado para la generación de señales de referencia o la síntesis directa de frecuencias. Trabajar con un VCO puede ser difícil independientemente de si has construido tu propio bucle de fase bloqueada para el sistema.

El ancho de banda de un VCO afectará su sensibilidad al ruido de la fuente de alimentación y su propio ruido de fase. Los VCOs de voltaje de ancho de banda más amplio pueden tener una sensibilidad aumentada al ruido de la fuente de alimentación, por lo tanto, se recomiendan reguladores de potencia con ruido ultrabajo para minimizar el ruido de fase en la salida del VCO. Usar un VCO de banda estrecha solo acomodará un rango más estrecho de frecuencias, y esto debe considerarse durante el diseño.

Un VCO también puede ser utilizado para la modulación directa de una señal portadora. La salida de un VCO puede ser utilizada para aplicar modulación a una señal portadora, la cual luego puede ser enviada a una antena transmisora. Esto puede hacerse con una sección T que utiliza tres resistencias para igualar la impedancia de la antena con la impedancia de salida del VCO. Los parásitos aquí se vuelven problemáticos a altas frecuencias ya que pueden interferir con la adaptación de impedancia y el aislamiento. Estas dificultades deberían revelar por qué un diseño de VCO normalmente se integra en un bucle de fase cerrada.

Dada la integridad de potencia, la integridad de señal y los requisitos de diseño de señal mixta en dispositivos RF con un IC de bucle de fase cerrada, los diseñadores necesitan las herramientas adecuadas de diseño, enrutamiento y simulación para ayudar en el diseño. Altium Designer integra estas características y muchas más en un solo programa, permitiéndote diseñar dispositivos de la más alta calidad para cualquier aplicación.

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