Dovresti Rimuovere la Terra Sotto le Reti di Adattamento dell'Impedenza?

In una rete di adattamento dell'impedenza, l'obiettivo è modellare la resistenza, la capacità e l'induttanza del circuito in modo tale che il trasferimento di potenza o tensione a un carico sia massimizzato. Controllare questi fattori intorno a un circuito di adattamento dell'impedenza in un PCB riguarda tutto il posizionamento e le dimensioni delle tracce e della massa, così come l'adeguamento di questi agli pad sui componenti discreti. Per eliminare ulteriori parassiti dalla dimensione del pad e dalle tracce che si collegano a questi componenti, a volte è necessario modificare dove la massa è posizionata intorno ai componenti del circuito di adattamento dell'impedenza.

Perché Potrebbe Essere Rimossa la Massa

In molti sistemi, è comune costruire circuiti di adattamento dell'impedenza da componenti discreti, solitamente passivi SMD. A volte, quando la massa è rimossa sotto una rete di adattamento dell'impedenza, non stiamo eliminando completamente la massa sotto questi circuiti. Questo perché le linee di alimentazione che entrano e escono dal circuito devono avere un'impedenza target (solitamente 50 Ohm), quindi la massa è ancora necessaria nel dispositivo. Le tue opzioni per modificare il posizionamento della massa includono:

• Utilizzando la massa su uno strato inferiore nel PCB, e
• Posizionando una massa coplanare intorno alla rete di adattamento dell'impedenza

Il motivo per fare ciò è piuttosto semplice: vogliamo ridurre la quantità di capacità e induttanza parassite aggiuntive intorno ai componenti del circuito di adattamento dell'impedenza. È ben noto che le parassite modificano le prestazioni dei componenti passivi reali nei circuiti ad alta frequenza, creando un limite sulla perdita di ritorno attesa in ogni porta. Sfortunatamente, non è mai possibile eliminare completamente questa capacità pad/traccia sui componenti SMD, si può solo cercare di minimizzare affinché il circuito operi il più vicino possibile alle prestazioni teoriche.

Quindi, in alcuni casi, potrebbe avere senso modificare dove viene posizionata la massa intorno a questi componenti. Vogliamo assicurarci che le dimensioni dei pad e delle tracce sui componenti non creino una capacità parassita aggiuntiva eccessiva che modifica l'impedenza dei condensatori e degli induttori nella rete di adattamento dell'impedenza.

Massa Liberata in un Layout di PCB RF

L'esempio qui sotto, tratto dal nostro precedente progetto nRF52, mostra come può essere liberata la terra; di seguito è mostrato il circuito di adattamento del filtro pi. Si noti che ciò corrisponde bene alle linee guida della scheda di riferimento nRF52 di Nordic. Qui, viene utilizzata una terra coplanare su L1, e c'è una terra uniforme sotto la rete di adattamento dell'impedenza su L6. La terra viene liberata solo sotto la regione della rete di adattamento, e solo su L2-L5.

Se guardiamo sopra, i pad dei componenti hanno una certa capacità di ritorno alla terra; ciò aggiunge capacità ai condensatori discreti nel circuito di adattamento dell'impedenza. La stessa idea si applica all'induttanza che coinvolge la terra e all'induttanza di ingresso dei componenti. Come possiamo liberare la terra senza impattare sull'impedenza della linea?

Prima di tutto, possiamo usare una terra coplanare attorno alle tracce per impostare la loro impedenza caratteristica all'impedenza di adattamento target corrispondente all'uscita del chip. Un taglio poligonale viene utilizzato sotto la linea di alimentazione solo sugli strati interni. Lo strato inferiore ha un versamento di rame uniforme sotto il circuito di adattamento dell'impedenza. Anche lo strato superiore ha un versamento di rame, ma è stata applicata la regola standard di distanza attorno alle tracce e ai pad su queste reti al fine di impostare l'impedenza caratteristica delle tracce al valore target.

Ora esaminiamo un esempio dato il layout RF mostrato sopra.

Quanto è grande la deviazione?

Per determinare la deviazione, possiamo confrontare il caso teorico con il caso reale. Inizialmente, abbiamo un condensatore 0402 e un induttore 0603. Se avessimo la massa direttamente sotto questi pad e le tracce di collegamento, i parassiti sul condensatore sarebbero di circa 3 pF/pollice e 7,5 nH/pollice su un laminato con Dk = 4. Con la configurazione coplanare e la massa solo su L6 mostrata sopra, i parassiti scendono a circa 2,75 pF/pollice e 6,9 nH/pollice. Possiamo eseguire calcoli simili per i pad dell'induttore.

La capacità parassitaria totale e l'induttanza dati i valori degli elementi distribuiti sopra sono riassunti di seguito. Nota che questo tiene conto solo delle tracce intorno ai componenti e dei pad; non tiene conto dell'auto-induttanza dei terminali del pacchetto.

Una semplice modifica della posizione della massa da L2 a L6 riduce la capacità parassita del 22,4%. Con questi valori, è ora possibile includere queste parassite in una simulazione e determinare il loro effetto sull'impedenza di uscita della rete.

Il calcolo dell'induttanza è un po' più complicato perché coinvolge un'induttanza di loop attorno ai pad così come l'induttanza dei terminali, entrambi potrebbero non essere così facili da determinare. Anche l'autoinduttanza della traccia in serie con l'induttore gioca un ruolo nel determinare l'induttanza totale. In generale, non è sicuro assumere semplicemente che l'induttanza modificata compensi la capacità modificata.

Notate sopra che ho incluso un'opzione per tutti i componenti 0402 invece dell'induttore 0603. Possiamo vedere che c'è una riduzione della capacità parassita dai pad e dalle tracce semplicemente perché l'induttore 0603 ha pad più grandi dell'induttore 0402. Questo esempio modificato è mostrato di seguito.

Otteniamo leggermente meno capacità parassita con questo arrangiamento, ma non è molto; è solo una riduzione del 6,8% rispetto alle dimensioni miste dei pacchetti. In tutti questi diversi casi, è importante ora determinare se ciò avrà importanza nel vostro particolare sistema.

Questa Deviazione È Importante?

Per determinare se questa capacità e induttanza parassite sono importanti, dobbiamo confrontare i valori con i valori dei componenti posizionati nel layout del PCB.

Nell'esempio nRF52 sopra, i valori dei condensatori utilizzati nella rete di adattamento erano di 1,2 pF. Con una capacità aggiuntiva di 0,4388 pF, questa rete agisce come se avesse una capacità totale di 2,8388 pF. Il risultato è circa 5 Ohm di riduzione dell'impedenza dall'impedenza target. Supponiamo per un momento che il circuito senza parassiti fosse perfettamente adattato a 50 Ohm; se stessimo utilizzando questa reale rete di adattamento dell'impedenza per trasformare a un'impedenza target di 50 Ohm, la perdita di ritorno risultante sarebbe S11 = -27,5 dB.

Che cosa succederebbe se i nostri condensatori fossero da 1,2 nF? In questo caso, la capacità parassita aggiuntiva sarebbe appena percettibile e non avrebbe alcun effetto nel nostro filtro a pi greco. In generale, se la capacità parassita aggiuntiva è molto più piccola della capacità discreta, allora può essere ignorata; la stessa idea si applica all'induttanza.

Si noti che questo design con l'induttore 0603 è stato testato su una scheda cliente ed è stato riscontrato che opera entro le specifiche, quindi mi sentirei a mio agio nell'usare la stessa rete in questo progetto. Tuttavia, i punti delineati sopra dovrebbero essere considerati se si desidera utilizzare questo design nei propri progetti. I concetti sopra menzionati sono piuttosto importanti per componenti pratici che operano nella gamma 1-6 GHz dove sono richieste reti di adattamento dell'impedenza.

Il motivo per cui la massa potrebbe essere rimossa più spesso in sistemi che operano nella gamma 1-6 GHz è che i condensatori utilizzati in queste reti di adattamento dell'impedenza possono essere molto piccoli (~1 pF). Il ~1 pF di capacità discreta nella rete è simile alla capacità parassita attesa intorno a una linea da 50 Ohm su laminato Dk ~ 4. Questa capacità parassita esiste essenzialmente in parallelo con la capacità discreta, e insieme ciò potrebbe modificare la condizione di adattamento.

Dove si trova la Rete di Adattamento alle Frequenze più Alte?

Alle frequenze superiori al WiFi, potresti non vedere nessuna rete di adattamento dell'impedenza sui tuoi interconnettori RF che sono destinati a operare a 50 Ohm. Ci sono due motivi importanti per questo:

• La maggior parte degli IC RF incorporerà la propria rete di adattamento dell'impedenza sul die
• I circuiti RF o le antenne tendono ad essere costruiti specificamente per operare all'impedenza target.

Prendiamo come esempio i trasmettitori-ricevitori radar. Ci sono milioni di automobili e sensori speciali che utilizzano questi trasmettitori-ricevitori, e in tutte quelle schede, non vedrete reti di adattamento dell'impedenza sul PCB. In questi sistemi, ci preoccupiamo della capacità parassita intorno al PCB, e in particolare sugli amplificatori RF ad alta potenza, ma non stiamo posizionando reti di adattamento dell'impedenza con piccoli componenti discreti sul PCB, e certamente non stiamo liberando il terreno sotto i pin di trasmissione e ricezione.

Ora considera l'antenna a patch alimentata in serie che opera a circa 77-78 GHz mostrata di seguito. Questa antenna è intenzionalmente progettata per operare a 50 Ohm. Normalmente un'antenna a patch individuale (o semplice antenna microstrip stampata) potrebbe avere un'impedenza di ingresso di 200-300 Ohm. Il motivo per cui l'antenna sottostante ha un'impedenza di ingresso di 50 Ohm è dovuto alle sue piccole dimensioni e all'uso di linee di adattamento a lunghezza d'onda frazionaria per collegare le patch. Questo conferisce anche la larga banda di emissione come mostrato nel grafico della perdita di ritorno di seguito.

Porto questi esempi per illustrare il seguente punto importante: non sorprendetevi se non vedete una rete di adattamento dell'impedenza costruita con componenti discreti quando il vostro sistema RF opera a frequenze molto elevate. Questi componenti generalmente includeranno la terra sotto i loro pin TX e RX, così come un lancio del segnale più complesso situato intorno al pin di montaggio sul PCB.

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