Comment disposer un circuit intégré de boucle à verrouillage de phase dans votre PCB RF

Dans le cadre des systèmes de télécommunication, des systèmes radio et d'autres dispositifs RF nécessitant une synthèse de fréquence, les boucles à verrouillage de phase jouent un rôle important dans la conception des PCB. Les transceivers à haute fréquence et les dispositifs numériques à haute vitesse contiennent des boucles à verrouillage de phase intégrées à côté d'une disposition VCO intégrée, ce qui fournit des signaux d'horloge stables et contrôlables en interne. Cependant, certains CI PLL sont disponibles en tant que CI discrets, qui incluront une disposition VCO intégrée à l'intérieur du boîtier. Au total, un PLL permet d'effectuer certaines tâches importantes dans votre conception de PCB RF, telles que la démodulation, l'élimination du bruit de phase et la fourniture d'une forme d'onde propre dans la synthèse de fréquence.

Une boucle à verrouillage de phase dans un PCB peut souffrir des mêmes effets parasites qui peuvent affecter tout autre PCB RF, et les concepteurs devraient faire des choix de disposition intelligents s'ils travaillent avec une boucle à verrouillage de phase discrète.

À quoi sert une Boucle à Verrouillage de Phase ?

Une boucle à verrouillage de phase a un certain nombre de fonctions importantes dans les systèmes analogiques (RF) et dans les systèmes nécessitant une synchronisation précise de l'horloge et du signal à travers une carte. Voici certaines des fonctions de base d'une boucle à verrouillage de phase et pourquoi elles sont importantes dans un PCB RF.

• Suppression du bruit de phase : Un boucle à verrouillage de phase peut également être utilisée pour supprimer le bruit de phase d'un signal de référence en se synchronisant avec une référence fournie par un oscillateur commandé en tension (VCO). Dans le passé, vous auriez utilisé des composants séparés pour ces tâches, mais les boucles à verrouillage de phase d'aujourd'hui intègrent la disposition du VCO dans le CI.
• Synthèse de fréquence : Une boucle à verrouillage de phase analogique ou numérique peut également être utilisée pour la synthèse de fréquence à des fréquences supérieures ou inférieures à une certaine référence. En termes de synthèse numérique, une boucle à verrouillage de phase peut être utilisée pour diminuer ou augmenter le taux de répétition d'un flux d'impulsions numériques. Dans les deux cas, le taux d'oscillation/répétition peut atteindre des dizaines de GHz avec des boucles à verrouillage de phase disponibles commercialement et expérimentales, leur permettant de prendre en charge de nombreuses applications RF.
• Démodulation des signaux FM : Si la boucle à verrouillage de phase est alimentée avec un signal FM, le VCO suit sa fréquence instantanée. La tension de sortie d'erreur provenant de l'étage du filtre de boucle (voir ci-dessous), qui est ce qui contrôle le VCO, est égale à la sortie FM démodulée.

À basse vitesse/basse fréquence, le bruit de phase dans un pilote donné est généralement assez faible pour que vous n'ayez pas besoin de tirer parti d'une boucle à verrouillage de phase pour compenser, et les principales sources sont dues à d'autres problèmes qui peuvent être résolus au niveau de la disposition du PCB.

Le rôle de chaque composant dans une boucle à verrouillage de phase

Les boucles à verrouillage de phase utilisent une rétroaction négative d'un oscillateur commandé en tension (VCO) dans les applications analogiques, ou d'un oscillateur numériquement contrôlé (NCO) dans les applications numériques. Dans les applications analogiques, la fréquence de la sortie d'un VCO ou NCO dépend de sa tension d'entrée ou d'une entrée numérique, respectivement. Dans les deux cas, la sortie de la PLL sera proportionnelle à la différence de phase entre le signal d'entrée de référence. Lorsque la différence de phase (et donc la sortie) ne change pas dans le temps, alors les deux signaux sont verrouillés à la même fréquence.

Dans un système RF, la sortie d'un VCO analogique dépend de la tension d'entrée, ce qui le rend utile pour moduler un signal d'horloge de référence . Au sein d'une boucle à verrouillage de phase, le VCO se verrouille efficacement sur une référence particulière grâce à l'utilisation d'un filtre de boucle. Dans les boucles à verrouillage de phase analogiques, le filtre de boucle met un certain temps à se verrouiller sur le signal de référence désiré (atteignant ~100 ns).

La sortie du filtre de boucle a également une place spéciale au sein d'une boucle à verrouillage de phase. Lorsque le VCO est utilisé pour se verrouiller sur un signal porteur désiré, un signal modulé en fréquence ou en phase se modulera généralement à un taux beaucoup plus rapide que le temps de verrouillage de la boucle à verrouillage de phase. Dans ce cas, le filtre de boucle produira un signal d'erreur qui est proportionnel à la différence de phase instantanée entre la référence et le signal VCO. Lorsqu'un signal de référence modulé est entré dans la boucle à verrouillage de phase comme un porteur, ce signal d'erreur est en fait le signal démodulé.

Diagramme de bloc de la boucle à verrouillage de phase

Disposition PCB pour votre boucle à verrouillage de phase

Les circuits intégrés à boucle à verrouillage de phase sont disponibles sur le marché et atteignent des valeurs de GHz basses. Les émetteurs-récepteurs et les modems pour les systèmes de fréquence plus élevée incluent normalement l'ensemble de la boucle à verrouillage de phase, y compris la disposition du VCO et le circuit de support, sur la puce. Ils peuvent fonctionner à des fréquences intermédiaires pour fournir une sortie propre, qui est ensuite convertie en fréquence supérieure et modulée pour donner un signal RF souhaité. Avec un circuit intégré à boucle à verrouillage de phase, vous aurez des fréquences RF entrant dans le composant et sortant de celui-ci, circulant autour de la carte, et vous devrez faire attention à l'intégrité du signal dans le système. Certains des points importants de la disposition comprennent :

• Isolation et quadrillage de la carte : Pour éviter que les RF d'entrée, les RF de sortie et les autres sections analogiques/numériques interfèrent les unes avec les autres, organisez différents blocs de circuits dans des régions spécifiques de la carte. Assurez-vous également d'utiliser des structures d'isolation (clôtures de vias, coulée de masse, couches de routage séparées) pour empêcher les sections RF d'interférer entre elles et avec d'autres sections de la carte.
• Intégrité de l'alimentation : Le bruit de l'alimentation nécessite un découplage précis, utilisez donc les plans de masse et d'alimentation voisins comme base de votre réseau de distribution d'énergie (PDN) pour boucle à verrouillage de phase. Traitez également le circuit comme un système numérique haute vitesse et placez un réseau de découplage près des broches d'alimentation. Cela fournira une tension continue stable à ces circuits intégrés et supprimera les oscillations dans le bus d'alimentation ou le plan d'alimentation lorsque des circuits intégrés numériques situés ailleurs sur la carte basculent. Tout condensateur de découplage/de contournement devrait utiliser ses propres vias pour se reconnecter au plan de masse.
• Chaleur : Placez un pad thermique relié à la masse sous le circuit intégré de la boucle à verrouillage de phase pour assurer que la chaleur se dissipe vers le plan de masse du PCB.
• Pertes : Si vous atteignez des fréquences en GHz, envisagez un stratifié à faible perte au-dessus des fréquences WiFi. Les matériaux de Rogers ou Isola sont de bons choix pour transporter des signaux RF avec peu de pertes. Essayez de maintenir les pistes RF éloignées les unes des autres, mais aussi de les garder aussi courtes que possible pour éviter les interférences et les pertes excessives.
• Adaptation d'impédance : Comme pour d'autres systèmes RF, vous devrez adapter soigneusement l'impédance des lignes de transmission et des ports d'entrée/sortie sur votre circuit intégré de boucle à verrouillage de phase.

Avez-vous déjà joué avec un synthétiseur ? Vous manipulez en réalité un VCO

Et qu'en est-il d'un agencement VCO séparé ?

Cela n'est pas courant car les circuits intégrés à boucle à verrouillage de phase d'aujourd'hui contiennent un agencement VCO intégré. Cela dit, il existe des cas où un agencement VCO séparé est utilisé. Les systèmes RF de haute puissance nécessitant une boucle à verrouillage de phase peuvent devoir séparer toutes les parties en différentes sections de la carte (boucle à verrouillage de phase, agencement VCO, amplificateur et autres composants). De plus, les systèmes utilisant la radio définie par logiciel peuvent utiliser un VCO spécialisé pour la génération de signal de référence ou la synthèse de fréquence directe. Travailler avec un VCO peut être difficile, que vous ayez construit votre propre boucle à verrouillage de phase pour le système ou non.

La bande passante d'un VCO affectera sa sensibilité au bruit de l'alimentation électrique et à son propre bruit de phase. Les VCO à large bande passante peuvent avoir une sensibilité accrue au bruit de l'alimentation électrique, donc il est recommandé d'utiliser des régulateurs de puissance à bruit ultra-faible afin de minimiser le bruit de phase sur la sortie du VCO. Utiliser un VCO à bande étroite ne permettra de couvrir qu'une gamme de fréquences plus étroite, et cela devrait être pris en compte lors de la conception.

Un VCO peut également être utilisé pour la modulation directe d'un signal porteur. La sortie d'un VCO peut être utilisée pour appliquer une modulation à un signal porteur, qui peut ensuite être envoyé à une antenne émettrice. Cela peut être réalisé avec une section en T qui utilise trois résistances pour adapter l'impédance de l'antenne à l'impédance de sortie du VCO. Les parasites deviennent problématiques à haute fréquence car ils peuvent interférer avec l'adaptation d'impédance et l'isolation. Ces difficultés devraient révéler pourquoi une disposition de VCO est normalement intégrée dans une boucle à verrouillage de phase.

Compte tenu de l'intégrité de puissance, de l'intégrité du signal et des exigences de conception de signal mixte dans les dispositifs RF avec un circuit intégré de boucle à verrouillage de phase, les concepteurs ont besoin des bons outils de disposition, de routage et de simulation pour aider à la conception. Altium Designer intègre ces fonctionnalités et bien d'autres dans un seul programme, vous permettant de concevoir des dispositifs de la plus haute qualité pour toute application.

Maintenant, vous pouvez télécharger un essai gratuit d'Altium Designer et en savoir plus sur sa suite d'outils de conception. Vous aurez également accès aux meilleures fonctionnalités de conception, de simulation et de vérification de l'industrie dans un seul programme. Parlez à un expert Altium aujourd'hui pour en savoir plus.