Como Fazer o Layout de um CI de Loop de Fase Travada em Sua PCB RF

Como parte dos sistemas de telecomunicações, sistemas de rádio e outros dispositivos RF que requerem síntese de frequência, os loops de fase travada desempenham um papel importante no design de PCBs. Transceptores de alta frequência e dispositivos digitais de alta velocidade contêm loops de fase travada integrados ao lado de um layout VCO integrado, o que fornece sinais de relógio estáveis e controláveis internamente. No entanto, alguns ICs de PLL estão disponíveis como ICs discretos, que incluirão um layout VCO integrado dentro do pacote. No total, um PLL possibilita algumas tarefas importantes no seu design de PCB RF, como demodulação, remoção de ruído de fase e fornecimento de uma forma de onda limpa na síntese de frequência.

Um loop de fase travada em um PCB pode sofrer dos mesmos efeitos parasitas que podem afetar qualquer outro PCB RF, e os designers devem fazer algumas escolhas inteligentes de layout se estiverem trabalhando com um loop de fase travada discreto.

O que é um Loop de Fase Travada Usado Para?

Um loop de fase travada tem várias funções importantes em sistemas analógicos (RF) e em sistemas que requerem sincronização precisa de relógio e sinal em toda a placa. Aqui estão algumas das funções básicas de um loop de fase travada e por que elas são importantes em um PCB RF.

• Remoção de ruído de fase: Um laço de fase travada também pode ser usado para remover ruído de fase de um sinal de referência, sincronizando-se com uma referência fornecida por um oscilador controlado por tensão (VCO). No passado, você usaria alguns componentes separados para essas tarefas, mas os laços de fase travada de hoje integram o layout do VCO no CI.
• Síntese de frequência: Um laço de fase travada, seja analógico ou digital, também pode ser usado para síntese de frequência em frequências mais altas ou mais baixas do que alguma referência. Em termos de síntese digital, um laço de fase travada pode ser usado para diminuir ou aumentar a taxa de repetição de um fluxo de pulsos digitais. Em ambos os casos, a taxa de oscilação/repetição pode alcançar dezenas de GHz com laços de fase travada disponíveis comercialmente e experimentais, permitindo que eles suportem muitas aplicações de RF.
• Demodulação de sinais FM: Se o laço de fase travada é alimentado com um sinal FM, o VCO rastreia sua frequência instantânea. A tensão de erro de saída do estágio do filtro de laço (veja abaixo), que é o que controla o VCO, é igual à saída FM demodulada.

Em baixas velocidades/baixas frequências, o ruído de fase em um driver dado é tipicamente baixo o suficiente para que você não precise aproveitar um loop de fase travada para compensá-lo, e as principais fontes são devido a outros problemas que podem ser corrigidos no nível do layout da PCB.

O Papel de Cada Componente em um Loop de Fase Travada

Loops de fase travada usam feedback negativo de um VCO em aplicações analógicas, ou um oscilador controlado numericamente (NCO) em aplicações digitais. Em aplicações analógicas, a frequência da saída de um VCO ou NCO depende de sua tensão de entrada ou uma entrada digital, respectivamente. Em ambos os casos, a saída do PLL será proporcional à diferença de fase entre o sinal de entrada de referência. Quando a diferença de fase (e, portanto, a saída) não muda ao longo do tempo, então os dois sinais estão travados na mesma frequência.

Em um sistema RF, a saída de um VCO analógico depende da tensão de entrada, tornando-o útil para modular um sinal de referência de relógio. Dentro de um laço de fase travada, o VCO efetivamente trava em uma referência particular através do uso de um filtro de laço. Em laços de fase travada analógicos, o filtro de laço leva algum tempo para travar no sinal de referência desejado (atingindo ~100 ns).

A saída do filtro de laço também tem um lugar especial dentro de um laço de fase travada. Quando o VCO é usado para travar em um sinal portador desejado, um sinal modulado em frequência ou fase geralmente modula a uma taxa muito mais rápida do que o tempo de travamento do laço de fase travada. Neste caso, o filtro de laço emitirá um sinal de erro que é proporcional à diferença de fase instantânea entre a referência e o sinal do VCO. Quando um sinal de referência modulado é inserido no laço de fase travada como um portador, este sinal de erro é na verdade o sinal demodulado.

Diagrama de blocos do laço de fase travada

Layout de PCB Para Seu Laço de Fase Travada

Circuitos integrados de loop de fase travada estão disponíveis no mercado que alcançam valores baixos de GHz. Transceptores e modems para sistemas de frequência mais alta normalmente incluem todo o loop de fase travada, incluindo o layout do VCO e a circuitaria de suporte, no próprio chip. Estes podem operar em frequências intermediárias para fornecer uma saída limpa, que é então upconvertida e modulada para gerar um sinal RF desejado. Com um circuito integrado de loop de fase travada, você terá frequências RF sendo alimentadas para dentro e para fora do componente e roteadas ao redor da placa, e você precisará prestar atenção à integridade do sinal no sistema. Alguns dos pontos importantes de layout incluem:

• Isolamento e gradeamento da placa: Para evitar que o RF de entrada, o RF de saída e outras seções analógicas/digitais interfiram umas com as outras, organize diferentes blocos de circuitos em regiões específicas da placa. Também certifique-se de usar algumas estruturas de isolamento (cercas de vias, preenchimento de terra, camadas de roteamento separadas) para prevenir que as seções de RF interfiram umas com as outras e com outras seções da placa.
• Integridade de energia: O ruído da fonte de alimentação requer desacoplamento preciso, então use os planos de alimentação e terra adjacentes como a base do seu PDN de loop de fase bloqueada. Além disso, trate o circuito como um sistema digital de alta velocidade e coloque uma rede de desacoplamento perto dos pinos de alimentação. Isso fornecerá uma tensão DC estável para esses ICs e suprimirá o toque no barramento de alimentação ou plano de alimentação quando ICs digitais em outros lugares na placa comutarem. Quaisquer capacitores de desacoplamento/bypass devem usar suas próprias vias para se conectar de volta ao plano de terra.
• Calor: Coloque um pad térmico aterrado sob o IC de loop de fase bloqueada para garantir que o calor flua de volta para o plano de terra da PCB.
• Perdas: Se você está chegando a frequências de GHz, considere um laminado de baixa perda acima das frequências WiFi. Materiais da Rogers ou Isola são boas escolhas para transportar sinais RF com baixa perda. Tente manter os traços RF gradeados longe um do outro, mas também os mantenha o mais curtos possível para evitar interferência e perdas excessivas.
• Correspondência de impedância: Como em outros sistemas RF, você precisará fazer uma correspondência de impedância cuidadosa das linhas de transmissão e portas de entrada/saída no seu IC de loop de fase bloqueada.

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O Que Dizer de um Layout de VCO Separado?

Isso não é comum, pois os circuitos integrados de loop de fase travada de hoje contêm um layout de VCO integrado. Dito isso, existem alguns lugares onde um layout de VCO separado é usado. Sistemas de RF de alta potência que precisam de um loop de fase travada podem precisar separar todas as partes em diferentes seções da placa (loop de fase travada, layout de VCO, amplificador e outros componentes). Além disso, sistemas que usam rádio definido por software podem usar um VCO especializado para geração de sinal de referência ou síntese de frequência direta. Trabalhar com um VCO pode ser difícil, independentemente de você ter construído seu próprio loop de fase travada para o sistema.

A largura de banda de um VCO afetará sua sensibilidade ao ruído da fonte de alimentação e ao seu próprio ruído de fase. VCOs de largura de banda mais ampla podem ter uma sensibilidade aumentada ao ruído da fonte de alimentação, portanto, reguladores de potência com ruído ultrabaixo são recomendados para minimizar o ruído de fase na saída do VCO. Usar um VCO de banda estreita só acomodará uma faixa mais estreita de frequências, e isso deve ser considerado durante o projeto.

Um VCO também pode ser usado para a modulação direta de um sinal portador. A saída de um VCO pode ser usada para aplicar modulação a um sinal portador, que pode então ser enviado a uma antena transmissora. Isso pode ser feito com uma seção T que usa três resistores para igualar a impedância da antena à impedância de saída do VCO. Parasitas aqui se tornam problemáticos em altas frequências, pois podem interferir na correspondência de impedância e no isolamento. Essas dificuldades devem revelar por que um layout de VCO é normalmente integrado a um loop de fase bloqueada.

Dada a integridade de potência, integridade de sinal e requisitos de design de sinal misto em dispositivos RF com um CI de loop de fase bloqueada, os designers precisam das ferramentas certas de layout, roteamento e simulação para auxiliar no design. Altium Designer integra essas características e muitas outras em um único programa, permitindo que você projete dispositivos da mais alta qualidade para qualquer aplicação.

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