RF PCB에서 위상 고정 루프 IC를 배치하는 방법

통신 시스템, 라디오 시스템 및 주파수 합성이 필요한 기타 RF 장치의 일부로서, 위상 고정 루프는 PCB 설계에서 중요한 역할을 합니다. 고주파 트랜시버와 고속 디지털 장치는 안정적이고 내부에서 제어 가능한 클록 신호를 제공하는 통합된 VCO 레이아웃과 함께 통합된 위상 고정 루프를 포함하고 있습니다. 그러나 일부 PLL IC는 패키지 내부에 통합된 VCO 레이아웃을 포함하는 별도의 IC로 제공됩니다. 전체적으로, PLL은 RF PCB 설계에서 중요한 작업을 가능하게 합니다. 예를 들어, 복조, 위상 잡음 제거 및 주파수 합성에서 깨끗한 파형 제공 등이 있습니다.

PCB에서의 위상 고정 루프는 다른 RF PCB에서 발생할 수 있는 동일한 기생 효과의 영향을 받을 수 있으며, 디자이너는 별도의 위상 고정 루프를 사용하는 경우 몇 가지 현명한 레이아웃 선택을 해야 합니다.

위상 고정 루프는 무엇을 위해 사용되나요?

위상 고정 루프는 아날로그(RF) 시스템과 보드 전체에서 정밀한 클록 및 신호 동기화가 필요한 시스템에서 여러 중요한 기능을 가지고 있습니다. 다음은 위상 고정 루프의 기본 기능과 RF PCB에서 중요한 이유입니다.

• 위상 잡음 제거: 위상 고정 루프는 전압 제어 발진기(VCO)에서 제공하는 기준과 동기화하여 기준 신호에서 위상 잡음을 제거하는 데에도 사용될 수 있습니다. 과거에는 이러한 작업을 위해 몇 가지 별도의 구성 요소를 사용했지만, 오늘날의 위상 고정 루프는 VCO 레이아웃을 IC에 통합합니다.
• 주파수 합성: 아날로그 또는 디지털 위상 고정 루프는 참조보다 높거나 낮은 주파수에서 주파수 합성에도 사용될 수 있습니다. 디지털 합성 측면에서, 위상 고정 루프는 디지털 펄스 스트림의 반복률을 감소시키거나 증가시키는 데 사용될 수 있습니다. 두 경우 모두에서, 상용 및 실험적 위상 고정 루프로 사용 가능한 오실레이션/반복률은 10GHz의 수십에 도달할 수 있으며, 이를 통해 많은 RF 애플리케이션을 지원할 수 있습니다.
• FM 신호의 복조: 위상 고정 루프에 FM 신호가 공급되면, VCO는 그 즉각적인 주파수를 추적합니다. 루프 필터 단계(아래 참조)에서 나오는 오류 전압 출력은 VCO를 제어하는 것으로, 복조된 FM 출력과 같습니다.

저속/저주파에서 주어진 드라이버의 위상 잡음은 일반적으로 그다지 높지 않아 위상 고정 루프를 이용하여 보상할 필요가 없으며, 주요 원인은 PCB 레이아웃 수준에서 해결할 수 있는 다른 문제들 때문입니다.

위상 고정 루프에서 각 구성 요소의 역할

위상 고정 루프는 아날로그 응용 프로그램에서 VCO로부터, 또는 디지털 응용 프로그램에서 수치 제어 발진기(NCO)로부터 음의 피드백을 사용합니다. 아날로그 응용 프로그램에서 VCO 또는 NCO의 출력 주파수는 각각 입력 전압이나 디지털 입력에 따라 달라집니다. 어느 경우든, PLL에서의 출력은 참조 입력 신호와의 위상 차이에 비례할 것입니다. 위상 차이(따라서 출력)가 시간이 지나도 변하지 않으면, 두 신호는 동일한 주파수에서 고정됩니다.

RF 시스템에서 아날로그 VCO의 출력은 입력 전압에 따라 달라지므로, 참조 클록 신호를 변조하는 데 유용합니다. 위상 고정 루프 내에서, VCO는 루프 필터의 사용을 통해 특정 참조에 효과적으로 잠급니다. 아날로그 위상 고정 루프에서, 루프 필터는 원하는 참조 신호에 잠그는 데 약간의 시간(~100 ns)이 걸립니다.

루프 필터의 출력은 위상 고정 루프 내에서 특별한 위치를 차지합니다. 원하는 반송 신호에 잠그기 위해 VCO가 사용될 때, 주파수 또는 위상 변조 신호는 일반적으로 위상 고정 루프의 잠금 시간보다 훨씬 빠른 속도로 변조됩니다. 이 경우, 루프 필터는 참조와 VCO 신호 사이의 순간적인 위상 차이에 비례하는 오류 신호를 출력합니다. 변조된 참조 신호가 반송파로서 위상 고정 루프에 입력될 때, 이 오류 신호는 실제로 복조된 신호입니다.

위상 고정 루프 블록 다이어그램

위상 고정 루프를 위한 PCB 레이아웃

시장에는 낮은 GHz 값을 달성하는 위상 고정 루프 IC가 있습니다. 더 높은 주파수 시스템을 위한 송수신기와 모뎀은 일반적으로 VCO 레이아웃과 지원 회로를 포함한 전체 위상 고정 루프를 다이 위에 포함합니다. 이러한 장치는 깨끗한 출력을 제공하기 위해 중간 주파수에서 작동할 수 있으며, 그 다음 원하는 RF 신호를 얻기 위해 상향 변환되고 변조됩니다. 위상 고정 루프 IC를 사용하면 RF 주파수가 구성 요소로 들어가고 나오며 보드 주변으로 라우팅되므로 시스템의 신호 무결성에 주의를 기울여야 합니다. 중요한 레이아웃 포인트 중 일부는 다음과 같습니다:

• 격리 및 보드 그리딩: 입력 RF, 출력 RF 및 기타 아날로그/디지털 섹션이 서로 간섭하지 않도록 다른 회로 블록을 보드의 특정 영역에 배치하십시오. 또한 RF 섹션이 서로 및 보드의 다른 섹션과 간섭하지 않도록 격리 구조(비아 울타리, 그라운드 푸어, 별도의 라우팅 레이어)를 사용하는 것이 좋습니다.
• 전력 무결성: 전원 공급 잡음은 정밀한 디커플링을 요구하므로, 위상 고정 루프 PDN의 기반으로 인접한 전원 및 접지 평면을 사용하세요. 또한, 회로를 고속 디지털 시스템으로 취급하고 전원 핀 근처에 디커플링 네트워크를 배치하세요. 이는 이러한 IC에 안정적인 DC 전압을 제공하고 보드의 다른 곳에서 디지털 IC가 전환될 때 전원 버스나 전원 평면에서의 링잉을 억제할 것입니다. 디커플링/바이패스 캐패시터는 접지 평면으로 돌아가는 자체 비아를 사용해야 합니다.
• 열: 위상 고정 루프 IC 아래에 접지된 열 패드를 배치하여 열이 PCB 접지 평면으로 돌아가도록 하세요.
• 손실: GHz 주파수로 들어가고 있다면, WiFi 주파수 이상에서 저손실 라미네이트를 고려하세요. Rogers나 Isola 재료는 RF 신호를 저손실로 전달하기에 좋은 선택입니다. RF 트레이스를 서로 격리하여 그리드 형태로 배치하되, 간섭과 과도한 손실을 방지하기 위해 가능한 한 짧게 유지하세요.
• 임피던스 매칭: 다른 RF 시스템과 마찬가지로, 위상 고정 루프 IC의 전송선 및 입력/출력 포트에 대해 신중하게 임피던스 매칭을 해야 합니다.

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VCO 별도 레이아웃은 어떨까요?

오늘날 위상 고정 루프 IC에는 통합된 VCO 레이아웃이 포함되어 있기 때문에 이는 흔하지 않습니다. 그렇지만, 별도의 VCO 레이아웃을 사용하는 경우도 있습니다. 더 높은 전력의 RF 시스템이 위상 고정 루프를 필요로 할 때는 모든 부분을 다른 보드 섹션(위상 고정 루프, VCO 레이아웃, 증폭기 및 기타 구성 요소)으로 분리해야 할 수도 있습니다. 또한, 소프트웨어 정의 라디오를 사용하는 시스템은 참조 신호 생성이나 직접 주파수 합성을 위해 특수 VCO를 사용할 수 있습니다. 시스템에 위상 고정 루프를 직접 구축했는지 여부에 관계없이 VCO를 다루는 것은 어려울 수 있습니다.

VCO의 대역폭은 전원 공급 잡음과 자체 위상 잡음에 대한 민감도에 영향을 미칩니다. 대역폭이 넓은 전압 VCO는 전원 공급 잡음에 대한 민감도가 증가할 수 있으므로, VCO 출력의 위상 잡음을 최소화하기 위해 초저잡음 전원 조정기 사용이 권장됩니다. 좁은 대역폭의 VCO를 사용하면 더 좁은 주파수 범위만을 수용할 수 있으며, 이는 설계 시 고려해야 합니다.

VCO는 반송 신호의 직접 변조에도 사용될 수 있습니다. VCO에서 나온 출력은 반송 신호에 변조를 적용하는 데 사용될 수 있으며, 이는 전송 안테나로 보낼 수 있습니다. 이는 세 개의 저항기를 사용하는 T-섹션을 통해 안테나 임피던스를 VCO의 출력 임피던스와 일치시키는 방식으로 수행될 수 있습니다. 여기서 기생성분은 고주파에서 문제가 될 수 있으며, 이는 임피던스 매칭과 격리에 방해가 될 수 있습니다. 이러한 어려움들은 VCO 레이아웃이 일반적으로 위상 고정 루프에 통합되는 이유를 설명해 줍니다.

위상 고정 루프 IC가 있는 RF 장치에서 전력 무결성, 신호 무결성, 혼합 신호 설계 요구 사항을 고려할 때, 설계자들은 올바른 레이아웃, 라우팅, 시뮬레이션 도구를 필요로 합니다. Altium Designer는 이러한 기능을 하나의 프로그램으로 통합하여 어떤 애플리케이션에도 최고 품질의 장치를 설계할 수 있게 해줍니다.

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