Faut-il retirer la masse sous les réseaux d'adaptation d'impédance ?

Dans un réseau d'adaptation d'impédance, l'objectif est d'ajuster la résistance, la capacité et l'inductance du circuit de manière à maximiser le transfert de puissance ou de tension vers une charge. Contrôler ces facteurs autour d'un circuit d'adaptation d'impédance sur un PCB concerne tout autant le placement et le dimensionnement des pistes et de la masse, ainsi que leur adaptation aux pads de vos composants discrets. Pour éliminer les parasitiques supplémentaires provenant de la taille des pads et des pistes se connectant à ces composants, il est parfois nécessaire de modifier l'emplacement de la masse autour des composants du circuit d'adaptation d'impédance.

Pourquoi la masse pourrait être retirée

Dans de nombreux systèmes, il est courant de construire des circuits d'adaptation d'impédance à partir de composants discrets, généralement des passifs CMS. Parfois, lorsque la masse est dégagée sous un réseau d'adaptation d'impédance, nous n'éliminons pas complètement la masse sous ces circuits. Cela est dû au fait que les lignes d'alimentation entrant et sortant du circuit doivent avoir une impédance cible (généralement 50 Ohms), donc la masse est toujours nécessaire dans le dispositif. Vos options pour modifier le placement de la masse incluent :

• Utiliser la masse sur une couche inférieure dans le PCB, et
• Placer une masse coplanaire autour du réseau d'adaptation d'impédance

La raison de faire cela est assez simple : nous voulons réduire la quantité de capacité et d'inductance parasitaires supplémentaires autour des composants du circuit d'adaptation d'impédance. Il est bien connu que les parasitiques modifient la performance des passifs réels dans les circuits haute fréquence, créant une limite sur la perte de retour attendue à chaque port. Malheureusement, vous ne pouvez jamais vous débarrasser de cette capacité de pad/piste sur les composants SMD, vous pouvez seulement essayer de minimiser afin que le circuit fonctionne aussi près que possible de la performance théorique.

Par conséquent, dans certains cas, il pourrait être judicieux de modifier l'emplacement de la masse autour de ces composants. Nous voulons nous assurer que les tailles des pads et des pistes sur les composants ne créent pas une capacité parasitaire supplémentaire excessive qui modifie l'impédance des condensateurs et des inducteurs dans le réseau d'adaptation d'impédance.

Masse dégagée dans une disposition de PCB RF

L'exemple ci-dessous, issu de notre précédent projet nRF52, montre comment le sol peut être dégagé ; le circuit d'adaptation de filtre pi est présenté ci-dessous. Notez que cela correspond bien aux directives de la carte de référence nRF52 de Nordic. Ici, un sol coplanaire est utilisé sur L1, et il y a un sol uniforme sous le réseau d'adaptation d'impédance sur L6. Le sol est uniquement dégagé sous la région du réseau d'adaptation, et seulement sur L2-L5.

Si nous regardons au-dessus, les pastilles des composants ont une certaine capacité de retour au sol ; cela ajoute de la capacité aux condensateurs discrets dans le circuit d'adaptation d'impédance. La même idée s'applique à l'inductance impliquant le sol et l'inductance de tête des composants. Comment dégageons-nous le sol sans impacter l'impédance de la ligne ?

Premièrement, nous pouvons utiliser un sol coplanaire autour des traces pour définir leur impédance caractéristique à l'impédance cible correspondant à la sortie du chip. Une découpe polygonale est utilisée sous la ligne d'alimentation uniquement sur les couches internes. La couche inférieure a un versement de cuivre uniforme sous le circuit d'adaptation d'impédance. La couche supérieure a également un versement de cuivre, mais la règle de dégagement standard a été appliquée autour des traces et des pastilles sur ces réseaux afin de définir l'impédance caractéristique des traces à la valeur cible.

Examinons maintenant un exemple donné l'exemple de disposition RF montré ci-dessus.

Quelle est l'ampleur de la déviation ?

Pour déterminer la déviation, nous pouvons comparer le cas théorique au cas réel. Initialement, nous avons un condensateur 0402 et une inductance 0603. Si nous avions la masse directement sous ces pastilles et les pistes de connexion, les parasites sur le condensateur seraient d'environ 3 pF/pouce et 7,5 nH/pouce sur un stratifié Dk = 4. Avec la configuration coplanaire et la masse uniquement sur L6 montré ci-dessus, les parasites tombent à environ 2,75 pF/pouce et 6,9 nH/pouce. Nous pouvons effectuer des calculs similaires pour les pastilles de l'inductance.

La capacité parasite totale et l'inductance étant donné les valeurs des éléments distribués ci-dessus sont résumées ci-dessous. Notez que cela ne tient compte que des pistes autour des composants et des pastilles ; cela ne prend pas en compte l'auto-inductance des fils du boîtier.

Un simple changement de l'emplacement de la masse de L2 à L6 réduit la capacité parasite de 22,4%. Avec ces valeurs, il est désormais possible d'inclure ces parasites dans une simulation et de déterminer leur effet sur l'impédance de sortie du réseau.

Le calcul de l'inductance est un peu plus compliqué car il implique une certaine inductance de boucle autour des pads ainsi que l'inductance des fils, qui peuvent ne pas être si faciles à déterminer. L'auto-inductance de la trace en série avec l'inducteur joue également un rôle dans la détermination de l'inductance totale. En général, il n'est pas sûr de simplement supposer que l'inductance modifiée compense la capacité modifiée.

Notez ci-dessus que j'ai inclus une option pour tous les composants 0402 au lieu de l'inducteur 0603. Nous pouvons voir qu'il y a une réduction de la capacité parasite des pads et des traces simplement parce que l'inducteur 0603 a des pads plus grands que l'inducteur 0402. Cet exemple modifié est montré ci-dessous.

Nous obtenons une capacité parasite légèrement inférieure avec cet arrangement, mais ce n'est pas beaucoup ; c'est seulement une réduction de 6,8% par rapport aux tailles de paquets mixtes. Dans tous ces cas différents, il est important de déterminer maintenant si cela aura une importance dans votre système particulier.

Cette Déviation Importe-t-elle ?

Pour déterminer si cette capacité et inductance parasites sont importantes ou non, nous devons comparer leurs valeurs aux valeurs des composants placés dans le schéma du PCB.

Dans l'exemple du nRF52 ci-dessus, les valeurs des condensateurs utilisés dans le réseau d'adaptation étaient de 1,2 pF. Avec une capacité supplémentaire de 0,4388 pF, ce réseau se comporte comme s'il avait une capacité totale de 2,8388 pF. Le résultat est une réduction d'impédance d'environ 5 Ohms par rapport à l'impédance cible. Supposons un instant que le circuit sans parasites était parfaitement adapté à 50 Ohms ; si nous utilisions ce réseau d'adaptation d'impédance réel pour transformer vers une impédance cible de 50 Ohms, la perte de retour résultante serait S11 = -27,5 dB.

Et si nos condensateurs étaient de 1,2 nF ? Dans ce cas, la capacité parasite supplémentaire serait à peine perceptible et n'aurait aucun effet dans notre filtre en pi. En général, si la capacité parasite supplémentaire est bien plus petite que la capacité discrète, alors elle peut être ignorée ; la même idée s'applique à l'inductance.

Notez que ce design avec l'inducteur 0603 a été testé sur une carte client et il a été constaté qu'il fonctionne dans les spécifications, donc je serais à l'aise d'utiliser le même réseau dans ce projet. Cependant, les points soulignés ci-dessus devraient être pris en compte si vous souhaitez utiliser ce design dans vos propres projets. Les concepts mentionnés ci-dessus sont assez importants pour les composants pratiques opérant dans la gamme de 1 à 6 GHz où des réseaux d'adaptation d'impédance sont nécessaires.

La raison pour laquelle la masse pourrait être retirée plus souvent dans les systèmes opérant dans la gamme de 1 à 6 GHz est que les condensateurs utilisés dans ces réseaux d'adaptation d'impédance peuvent être assez petits (~1 pF). Les ~1 pF de capacité discrète dans le réseau sont similaires à la capacité parasite attendue autour d'une ligne de 50 Ohms sur un stratifié Dk ~ 4. Cette capacité parasite existe essentiellement en parallèle avec la capacité discrète, et ensemble, cela pourrait modifier la condition d'adaptation.

Où se trouve le réseau d'adaptation à des fréquences plus élevées ?

À des fréquences supérieures à celles du WiFi, vous pourriez ne pas voir de réseaux d'adaptation d'impédance sur vos interconnexions RF qui sont destinées à fonctionner à 50 Ohms. Il y a deux raisons importantes pour cela :

• La plupart des circuits intégrés RF intégreront leur réseau d'adaptation d'impédance sur la puce
• . Les circuits RF ou les antennes seront généralement construits spécifiquement pour fonctionner à l'impédance cible.

Prenons l'exemple des transceivers radar. Il existe des millions d'automobiles et de capteurs spécialisés qui utilisent ces transceivers, et sur toutes ces cartes, vous ne verrez aucun réseau d'adaptation d'impédance sur le PCB. Dans ces systèmes, nous nous préoccupons de la capacité parasite autour du PCB, et en particulier sur les amplificateurs RF de haute puissance, mais nous ne plaçons pas de réseaux d'adaptation d'impédance avec de petits composants discrets sur le PCB, et nous ne dégageons certainement pas le sol sous les broches de transmission et de réception.

Considérez maintenant l'antenne patch alimentée en série fonctionnant à environ 77-78 GHz montrée ci-dessous. Cette antenne est intentionnellement conçue pour fonctionner à 50 Ohms. Normalement, une antenne patch individuelle (ou une simple antenne microstrip imprimée) pourrait avoir une impédance d'entrée de 200-300 Ohms. La raison pour laquelle l'antenne ci-dessous a une impédance d'entrée de 50 Ohms est due à sa petite taille et à l'utilisation de lignes de correspondance de longueur d'onde fractionnaire pour relier les patches. Cela donne également la large bande passante d'émission comme le montre le tracé de la perte de retour ci-dessous.

Je mentionne ces exemples pour illustrer le point important suivant : ne soyez pas surpris si vous ne voyez pas de réseau d'adaptation d'impédance construit à partir de composants discrets lorsque votre système RF fonctionne à des fréquences très élevées. Ces composants incluront généralement une masse sous leurs broches TX et RX, ainsi qu'un lancement de signal plus complexe situé autour de la broche de montage sur le PCB.

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