RF PCBで位相同期ループICをレイアウトする方法

通信システム、無線システム、および周波数合成が必要なその他のRFデバイスの一部として、位相同期ループはPCB設計において重要な役割を果たします。高周波トランシーバーや高速デジタルデバイスには、安定した内部制御可能なクロック信号を提供する統合VCOレイアウトとともに、統合された位相同期ループが含まれています。しかし、一部のPLL ICは、パッケージ内に統合VCOレイアウトを含む、個別のICとして利用可能です。合計すると、PLLはRF PCB設計において、復調、位相ノイズの除去、周波数合成におけるクリーンな波形の提供など、いくつかの重要なタスクを可能にします。

PCB内の位相同期ループは、他のRF PCBと同様に、寄生効果の影響を受ける可能性があり、設計者は個別の位相同期ループを使用している場合、賢明なレイアウト選択を行うべきです。

位相同期ループの使用目的は何ですか？

位相同期ループには、アナログ（RF）システムや、ボード全体で正確なクロックおよび信号同期が必要なシステムにおいて、いくつかの重要な機能があります。ここでは、位相同期ループの基本的な機能と、それらがRF PCBにおいて重要である理由をいくつか紹介します。

• フェーズノイズの除去：フェーズロックループは、電圧制御発振器（VCO）によって提供される基準と同期することで、基準信号からフェーズノイズを除去するためにも使用できます。過去には、これらのタスクにいくつかの別々のコンポーネントを使用していましたが、現在のフェーズロックループはVCOのレイアウトをICに統合しています。
• 周波数合成：アナログまたはデジタルのフェーズロックループは、ある基準よりも高いまたは低い周波数での周波数合成にも使用できます。デジタル合成の観点からは、フェーズロックループを使用してデジタルパルスの繰り返し率を減少または増加させることができます。どちらの場合も、商用および実験用のフェーズロックループでGHzの10倍の振動/繰り返し率に達することができ、多くのRFアプリケーションをサポートできます。
• FM信号の復調：フェーズロックループにFM信号が供給されると、VCOはその瞬時周波数を追跡します。ループフィルターステージ（下記参照）からの誤差電圧出力、つまりVCOを制御するものは、復調されたFM出力と等しくなります。

低速/低周波数では、特定のドライバーの位相ノイズは通常、それを補償するために位相同期ループを利用する必要がないほど低いです。主な原因は、PCBレイアウトレベルで修正できる他の問題によるものです。

位相同期ループの各コンポーネントの役割

位相同期ループは、アナログアプリケーションではVCOからの負のフィードバックを使用し、デジタルアプリケーションでは数値制御オシレータ（NCO）を使用します。アナログアプリケーションでは、VCOまたはNCOからの出力周波数は、それぞれ入力電圧またはデジタル入力に依存します。いずれの場合も、PLLからの出力は、参照入力信号との位相差に比例します。位相差（そして出力）が時間とともに変化しない場合、その二つの信号は同じ周波数でロックされます。

RFシステムでは、アナログVCOからの出力は入力電圧に依存するため、参照クロック信号を変調するのに役立ちます。位相同期ループ内では、VCOはループフィルターを使用して特定の参照に効果的にロックします。アナログ位相同期ループでは、ループフィルターが所望の参照信号にロックするまでに時間がかかります（約100 nsに達します）。

ループフィルターからの出力は、位相同期ループ内でも特別な位置を占めます。VCOを使用して所望のキャリア信号にロックする場合、周波数または位相変調信号は通常、位相同期ループのロック時間よりもはるかに速い速度で変調されます。この場合、ループフィルターは、参照とVCO信号の瞬時位相差に比例するエラー信号を出力します。変調された参照信号がキャリアとして位相同期ループに入力されると、このエラー信号は実際に復調された信号です。

位相同期ループのブロック図

位相同期ループのためのPCBレイアウト

市場には、低GHz値に達するフェーズロックループICがあります。高周波システム用のトランシーバーやモデムには、通常、VCOレイアウトとサポート回路を含むフェーズロックループ全体がダイ上に組み込まれています。これらは中間周波数で動作し、クリーンな出力を提供した後、所望のRF信号を得るためにアップコンバートして変調されます。フェーズロックループICを使用すると、RF周波数がコンポーネントに入力され、そこから出力され、基板上をルーティングされるため、システム内の信号の整合性に注意を払う必要があります。重要なレイアウトポイントには以下のものがあります：

• 分離と基板グリッディング：入力RF、出力RF、およびその他のアナログ/デジタルセクションが互いに干渉しないように、異なる回路ブロックを基板の特定の領域に配置します。また、RFセクションが互いに及び基板の他のセクションと干渉しないように、いくつかの分離構造（ビアフェンス、グラウンドプール、別のルーティング層）を使用することも確認してください。
• 電力整合性：電源ノイズには正確なデカップリングが必要ですので、位相同期ループPDNの基礎として隣接する電源層とグラウンド層を使用してください。また、回路を高速デジタルシステムとして扱い、電源ピンの近くにデカップリングネットワークを配置します。これにより、これらのICに安定したDC電圧を供給し、基板上の他のデジタルICが切り替わる際に電源バスまたは電源層でのリンギングを抑制します。デカップリング/バイパスコンデンサは、自身のビアを使用してグラウンド層に接続する必要があります。
• 熱：位相同期ループICの下に接地された熱パッドを配置し、熱がPCBのグラウンド層に戻るようにします。
• 損失： GHz周波数に取り組む場合は、WiFi周波数以上で低損失ラミネートを検討してください。RogersやIsolaの材料は、低損失でRF信号を伝送するのに適した選択肢です。RFトレースを互いにグリッド状に配置することを心がけつつ、干渉や過剰な損失を防ぐためにできるだけ短く保つようにしてください。
• インピーダンス整合：他のRFシステムと同様に、位相同期ループICの伝送線と入出力ポートを慎重にインピーダンス整合する必要があります。

シンセサイザーで遊んだことはありますか？実際に遊んでいるのはVCOです。

VCOを別のレイアウトで考えるとは？

これは一般的ではありませんが、今日の位相同期ループICには統合されたVCOレイアウトが含まれています。それにもかかわらず、別のVCOレイアウトが使用される場所もあります。高出力RFシステムで位相同期ループが必要な場合、すべての部分を異なるボードセクション（位相同期ループ、VCOレイアウト、アンプ、その他のコンポーネント）に分離する必要があるかもしれません。さらに、ソフトウェア定義ラジオを使用するシステムでは、参照信号生成や直接周波数合成のために特殊なVCOを使用することがあります。システムの位相同期ループを自分で構築したかどうかにかかわらず、VCOの取り扱いは難しい場合があります。

VCOの帯域幅は、電源ノイズへの感度と自身の位相ノイズに影響を与えます。帯域幅の広い電圧VCOは、電源ノイズに対する感度が高まる可能性があり、そのためには超低ノイズの電源レギュレータを使用してVCO出力の位相ノイズを最小限に抑えることが推奨されます。狭帯域VCOを使用すると、より狭い周波数範囲しか対応できないため、設計時にこれを考慮する必要があります。

VCOは、搬送波信号の直接変調にも使用できます。VCOからの出力を使用して搬送波信号に変調を適用し、その後、送信アンテナに送信することができます。これは、3つの抵抗器を使用したTセクションで、アンテナのインピーダンスをVCOの出力インピーダンスに合わせることで行うことができます。ここでの寄生成分は、インピーダンスの整合と隔離を妨げる可能性があるため、高周波数では問題となります。これらの困難は、VCOレイアウトが通常、位相同期ループに統合される理由を明らかにすべきです。

位相同期ループICを持つRFデバイスにおける電力の整合性、信号の整合性、および混合信号設計の要件を考えると、設計者は適切なレイアウト、ルーティング、およびシミュレーションツールを必要とします。Altium Designerはこれらの機能を多くの機能と一つのプログラムに統合し、あらゆるアプリケーションに最高品質のデバイスを設計することを可能にします。

今すぐ無料トライアルのAltium Designerをダウンロードして、その設計ツールのスイートについてさらに学ぶことができます。また、一つのプログラムで業界最高の設計、シミュレーション、および検証機能にアクセスできます。今日、Altiumの専門家に話をして、さらに詳しく学びましょう。