Come disporre un IC a loop di fase bloccata nel tuo PCB RF

Nell'ambito dei sistemi di telecomunicazione, dei sistemi radio e di altri dispositivi RF che richiedono la sintesi di frequenza, i loop a fase bloccata svolgono un ruolo importante nella progettazione dei PCB. I trasmettitori ad alta frequenza e i dispositivi digitali ad alta velocità contengono loop a fase bloccata integrati insieme a un layout VCO integrato, che fornisce segnali di orologio stabili e controllabili internamente. Tuttavia, alcuni IC PLL sono disponibili come IC discreti, che includeranno un layout VCO integrato all'interno del pacchetto. In totale, un PLL consente alcune importanti funzioni nel design del tuo PCB RF, come la demodulazione, la rimozione del rumore di fase e la fornitura di un'onda pulita nella sintesi di frequenza.

Un loop a fase bloccata in un PCB può soffrire degli stessi effetti parassitici che possono affliggere qualsiasi altro PCB RF, e i progettisti dovrebbero fare alcune scelte di layout intelligenti se stanno lavorando con un loop a fase bloccata discreto.

Cosa si intende per Loop a Fase Bloccata?

Un loop a fase bloccata ha una serie di funzioni importanti nei sistemi analogici (RF) e nei sistemi che richiedono una sincronizzazione precisa dell'orologio e del segnale su una scheda. Ecco alcune delle funzioni di base di un loop a fase bloccata e perché sono importanti in un PCB RF.

• Rimozione del rumore di fase: Un loop a blocco di fase può anche essere utilizzato per rimuovere il rumore di fase da un segnale di riferimento sincronizzandosi con un riferimento fornito da un oscillatore controllato in tensione (VCO). Negli anni passati, si utilizzavano alcuni componenti separati per questi compiti, ma i loop a blocco di fase di oggi integrano il layout del VCO nel circuito integrato.
• Sintesi di frequenza: Un loop a blocco di fase analogico o digitale può anche essere utilizzato per la sintesi di frequenze più alte o più basse rispetto a un certo riferimento. In termini di sintesi digitale, un loop a blocco di fase può essere utilizzato per diminuire o aumentare il tasso di ripetizione di un flusso di impulsi digitali. In entrambi i casi, il tasso di oscillazione/ripetizione può raggiungere decine di GHz con loop a blocco di fase disponibili commercialmente e sperimentali, permettendo loro di supportare molte applicazioni RF.
• Demodulazione di segnali FM: Se al loop a blocco di fase viene fornito un segnale FM, il VCO ne segue la frequenza istantanea. La tensione di errore in uscita dalla fase del filtro di loop (vedi sotto), che è ciò che controlla il VCO, è uguale all'uscita FM demodulata.

A basse velocità/basse frequenze, il rumore di fase in un dato driver è tipicamente abbastanza basso da non necessitare l'utilizzo di un loop a fase bloccata per compensarlo, e le principali fonti sono dovute ad altri problemi che possono essere risolti a livello di layout del PCB.

Il Ruolo di Ogni Componente in un Loop a Fase Bloccata

I loop a fase bloccata utilizzano un feedback negativo da un VCO nelle applicazioni analogiche, o un oscillatore controllato numericamente (NCO) nelle applicazioni digitali. Nelle applicazioni analogiche, la frequenza dell'uscita da un VCO o NCO dipende dalla sua tensione di ingresso o da un ingresso digitale, rispettivamente. In entrambi i casi, l'uscita dal PLL sarà proporzionale alla differenza di fase tra il segnale di ingresso di riferimento. Quando la differenza di fase (e quindi l'uscita) non cambia nel tempo, allora i due segnali sono bloccati alla stessa frequenza.

In un sistema RF, l'uscita da un VCO analogico dipende dalla tensione di ingresso, rendendolo utile per modulare un segnale di orologio di riferimento. All'interno di un loop a fase bloccata, il VCO si blocca efficacemente su un particolare riferimento attraverso l'uso di un filtro di loop. Nei loop a fase bloccata analogici, il filtro di loop impiega del tempo per bloccarsi sul segnale di riferimento desiderato (raggiungendo ~100 ns).

L'uscita dal filtro di loop ha anche un posto speciale all'interno di un loop a fase bloccata. Quando il VCO è utilizzato per bloccarsi su un segnale portante desiderato, un segnale modulato in frequenza o fase generalmente modulerà a una velocità molto più veloce del tempo di bloccaggio del loop a fase bloccata. In questo caso, il filtro di loop produrrà un segnale di errore proporzionale alla differenza di fase istantanea tra il riferimento e il segnale VCO. Quando un segnale di riferimento modulato è inserito nel loop a fase bloccata come portante, questo segnale di errore è in realtà il segnale demodulato.

Diagramma a blocchi del loop a fase bloccata

Layout PCB per il tuo loop a fase bloccata

I circuiti integrati con loop a fase bloccata (PLL) disponibili sul mercato raggiungono valori bassi in GHz. I trasmettitori e i modem per sistemi a frequenza più alta includono normalmente l'intero loop a fase bloccata, compreso il layout dell'oscillatore controllato in tensione (VCO) e il circuito di supporto, sul chip. Questi possono operare a frequenze intermedie per fornire un'uscita pulita, che viene poi convertita in alto e modulata per ottenere un segnale RF desiderato. Con un circuito integrato PLL, avrai frequenze RF che entrano e escono dal componente e vengono instradate intorno alla scheda, e dovrai prestare attenzione all'integrità del segnale nel sistema. Alcuni dei punti importanti per il layout includono:

• Isolamento e grigliatura della scheda: Per evitare che l'RF in ingresso, l'RF in uscita e le altre sezioni analogiche/digitali interferiscano tra loro, organizza i diversi blocchi di circuito in aree specifiche della scheda. Assicurati anche di utilizzare alcune strutture di isolamento (recinzioni di via, colate di terra, strati di routing separati) per prevenire interferenze tra le sezioni RF e altre sezioni della scheda.
• Integrità dell'alimentazione: Il rumore dell'alimentazione richiede un decoupling preciso, quindi utilizza i piani di alimentazione e di massa adiacenti come base per la tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) del loop a fase bloccata. Inoltre, tratta il circuito come un sistema digitale ad alta velocità e posiziona una rete di decoupling vicino ai pin di alimentazione. Questo fornirà una tensione DC stabile a questi IC e sopprimerà il suono nel bus di alimentazione o nel piano di alimentazione quando gli IC digitali in altre parti della scheda commutano. Qualsiasi condensatore di decoupling/bypass dovrebbe utilizzare le proprie vie per connettersi di nuovo al piano di massa.
• Calore: Posiziona un pad termico collegato a terra sotto l'IC del loop a fase bloccata per assicurare che il calore fluisca di nuovo nel piano di massa del PCB.
• Perdite: Se stai lavorando con frequenze nell'ordine dei GHz, considera un laminato a bassa perdita sopra le frequenze WiFi. I materiali di Rogers o Isola sono buone scelte per trasportare segnali RF con basse perdite. Cerca di mantenere le tracce RF grigliate lontane l'una dall'altra, ma anche il più corte possibile per prevenire interferenze e perdite eccessive.
• Adattamento dell'impedenza: Come per altri sistemi RF, dovrai adattare con attenzione l'impedenza delle linee di trasmissione e delle porte di input/output sul tuo IC del loop a fase bloccata.

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Che dire di un layout VCO separato?

Questo non è comune poiché gli attuali circuiti integrati a loop di fase bloccata contengono un layout VCO integrato. Detto ciò, ci sono alcuni casi in cui si utilizza un layout VCO separato. Sistemi RF di alta potenza che necessitano di un loop di fase bloccata potrebbero dover separare tutte le parti in diverse sezioni della scheda (loop di fase bloccata, layout VCO, amplificatore e altri componenti). Inoltre, i sistemi che utilizzano la radio definita dal software potrebbero usare un VCO specializzato per la generazione del segnale di riferimento o per la sintesi diretta della frequenza. Lavorare con un VCO può essere difficile indipendentemente dal fatto che tu abbia costruito il tuo loop di fase bloccata per il sistema.

La larghezza di banda di un VCO influenzerà la sua sensibilità al rumore dell'alimentazione e al proprio rumore di fase. I VCO a larga banda potrebbero avere una maggiore sensibilità al rumore dell'alimentazione, quindi si raccomandano regolatori di potenza con rumore ultrabasso per minimizzare il rumore di fase sull'uscita del VCO. Utilizzare un VCO a banda stretta accomoderà solo un intervallo più ristretto di frequenze, e questo dovrebbe essere considerato durante la progettazione.

Un VCO può essere utilizzato anche per la modulazione diretta di un segnale portante. L'uscita da un VCO può essere utilizzata per applicare la modulazione a un segnale portante, che può poi essere inviato a un'antenna trasmittente. Ciò può essere fatto con una sezione T che utilizza tre resistori per adattare l'impedenza dell'antenna all'impedenza di uscita del VCO. I parassiti qui diventano problematici ad alte frequenze poiché possono interferire con l'adattamento dell'impedenza e l'isolamento. Queste difficoltà dovrebbero rivelare perché un layout VCO è normalmente integrato in un loop a fase bloccata.

Data l'integrità di potenza, l'integrità del segnale e i requisiti di progettazione di segnali misti nei dispositivi RF con un IC a loop a fase bloccata, i progettisti hanno bisogno degli strumenti giusti per layout, routing e simulazione per aiutare nella progettazione. Altium Designer integra queste caratteristiche e molte altre in un unico programma, consentendoti di progettare dispositivi di altissima qualità per qualsiasi applicazione.

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