Thiết kế PCB cho Mô-đun Khuếch đại Công suất RF

Nhấn vào đây để chuyển đến phần xem nhúng và duyệt qua dự án này

Các bộ khuếch đại công suất RF có thể được tìm thấy trong bất kỳ sản phẩm không dây nào, thường được tích hợp trong chipset hoặc modem. Tuy nhiên, trong một số hệ thống chuyên biệt, bạn có thể cần đầu ra công suất cao hơn ở một tần số cụ thể, và điều này đòi hỏi một mạch khuếch đại rời để cung cấp công suất đó. Những hệ thống này có thể lấy một dao động ngoại vi và khuếch đại nó để cung cấp một tín hiệu công suất cao, hoặc một dao động cục bộ có thể được sử dụng để tạo ra tín hiệu cần thiết sẽ được đưa vào bộ khuếch đại.

Trong dự án ví dụ này, tôi sẽ chỉ cách thiết kế một mô-đun khuếch đại công suất hoạt động trong phạm vi 6 GHz với đầu ra công suất cao (trên khoảng 10 dB). Mô-đun mà tôi sẽ chỉ ở đây cung cấp đầu ra công suất cao bằng cách khuếch đại tín hiệu với lợi ích +13 dB, và tín hiệu được truyền đến một kết nối SMA. Mô-đun được thiết kế hoàn toàn tự chứa; chỉ cần áp dụng nguồn điện và bạn sẽ nhận được tín hiệu tần số cao ở cổng đầu ra!

Xem danh sách phát dưới đây để tìm hiểu thêm về thiết kế và bố trí bộ khuếch đại công suất cho các hệ thống hoạt động trong phạm vi 6 GHz.

Mô-đun PCB Bộ Khuếch Đại Công Suất của Chúng Tôi

Thành phần khuếch đại công suất mà chúng ta sẽ sử dụng trong ví dụ này là HMC637ALP5E từ Hittite Microwave (nay là Analog Devices). Linh kiện này có mức tăng và bão hòa rất cao (về điểm IP3 và nén -1 dB), cũng như tổn hao hoàn trả thấp và yêu cầu bố trí đơn giản. Thiết kế này nằm trong gói QFN, nhưng hầu hết các chân là đất hoặc NC.

Nguồn tín hiệu trong thiết kế này sẽ là một dao động điều khiển điện áp (VCO). Những thành phần này cũng rất đơn giản để làm việc với sơ đồ và mạch. Đối với bố trí PCB, chúng đòi hỏi một số xem xét quan trọng về kiểm soát trở kháng và cách ly, nhưng tín hiệu đầu ra có thể được cấp trực tiếp vào khuếch đại công suất. Với công suất đầu ra của VCO này, khuếch đại sẽ hoạt động rất vững chắc trong phạm vi tuyến tính, vì vậy chúng ta có thể mong đợi sự tạo ra hài hòa tối thiểu.

Ngoài ra, chúng ta sẽ có hai mạch điện công suất quan trọng và một số thành phần phụ trợ:

• Một bộ điều chỉnh điện áp hệ thống từ 12V xuống 5V (TPS562201DDCR)
• Một bộ điều chỉnh đôi để cung cấp điện áp cổng (LM27762DSSR)

Mạch Khuếch Đại Công Suất

Bộ khuếch đại công suất trong mô-đun ví dụ này yêu cầu hai điện áp cổng và một điện áp thoát chính để cung cấp năng lượng. Phạm vi đáp ứng rất rộng, từ DC đến khoảng 6 GHz. Phạm vi đáp ứng của bộ khuếch đại công suất được liệt kê là tối đa 6 GHz trong bảng dữ liệu, nhưng nếu bạn xem tất cả các biểu đồ từ trang 2 đến 3 trong bảng dữ liệu, bạn sẽ thấy rằng phản ứng là nhất quán cho đến khoảng 8 GHz. Do đó, chúng ta có thể chạy hơi cao hơn 6 GHz và hệ thống sẽ hoạt động tốt.

Mạch bộ khuếch đại công suất trong sơ đồ được hiển thị dưới đây. Chúng tôi có sự ghép nối AC trên các đường RFIN và RFOUT như được quy định trong bảng dữ liệu cho các linh kiện của chúng tôi.

Các điện áp cổng được áp dụng cho bộ khuếch đại được cung cấp thông qua một bộ tiêu đề chân trên PCB. Ý tưởng ở đây là để có thể ngắt kết nối một trong các tiêu đề và kết nối với một nguồn cung cấp điện bên ngoài nếu cần. Điều này cũng cho phép trình tự khởi động của bộ khuếch đại được áp dụng theo cách thủ công. Xem trang của bảng dữ liệu HMC637ALP5E cho quy trình khởi động.

VCO, Phản ứng của Bộ Khuếch Đại, và Điện Áp Điều Chỉnh của nó

VCO trên bo mạch này có số phần HMC358MS8GE. Thành phần này có cách sử dụng rất đơn giản và đầu ra có thể được điều chỉnh bằng cách áp dụng điện áp điều chỉnh DC tại chân VTUNE. Dải đầu ra từ 5.8 GHz đến 6.8 GHz. Mạch VCO được hiển thị bên dưới.

Kết nối nguồn 3 V vào chân VTUNE của VCO này khiến cho dao động ký sinh tạo ra tín hiệu 6.3 GHz tại chân đầu ra. Lưu ý rằng, từ bảng dữ liệu HMC637ALP5E, chúng ta có thể mong đợi phản ứng nhất quán từ bộ khuếch đại tại 6.3 GHz mặc dù giới hạn được nêu là 6 GHz. Do đó, trong bản sửa đổi ban đầu của thiết kế này, chúng tôi sẽ giữ nguyên kết nối trực tiếp 3V vào VTUNE. Ở cuối bài viết, tôi đã đề cập một số cách mà điện áp điều chỉnh có thể được điều chỉnh.

Bias Tee

Nguồn VDD được cung cấp cho bộ khuếch đại công suất sử dụng một mạch bias tee. Một bias tee chỉ sử dụng một tụ điện và một cuộn cảm có thể được thiết kế dễ dàng để đáp ứng hai yêu cầu:

• Sẽ có một số dung lượng tối thiểu cần thiết để truyền tín hiệu AC
• Sẽ có một tỷ lệ trở kháng giữa đường dẫn DC và đường dẫn AC quyết định mức độ cách ly trên nguồn DC
• Độ tự cảm sẽ cần lớn hơn khi cần trở kháng cách ly cao hơn trên phía DC

Mạch bias tee mà tôi đã sử dụng được hiển thị dưới đây.

Tại đầu ra VCO 6.3 GHz, bias tee này sẽ có tỷ lệ trở kháng khoảng 43:1. Trước đây, tôi đã sử dụng một bộ khuếch đại công suất khác với bias tee có thể hoạt động tốt chỉ với tỷ lệ trở kháng thấp như 1:1. Tuy nhiên, vì bias tee này kết nối trở lại với một đầu nối pin, tôi sẽ lo lắng về một số tín hiệu phát ra mạnh từ một trong các chân. Do đó, nếu mục tiêu của bạn là chuyển giao công suất tối đa qua tải, bạn có thể thấy rằng tụ điện cần được giảm hoặc cuộn cảm cần được tăng, nhưng điều này có thể thay đổi băng thông của bias tee. Băng thông/dải thông của bias tee nên được kiểm tra về khả năng chặn DC và cung cấp công suất tại tần số hoạt động của bộ khuếch đại.

Tôi đã trình bày chi tiết về thiết kế bias tee trong một bài viết khác, trong bài viết này tôi sẽ trình bày về việc mô phỏng bias tee này và chỉ ra khả năng cung cấp điện năng với bias tee hiện tại, cũng như một bias tee được tối ưu hóa cung cấp công suất tối đa cho tải 50 Ohm.

Chồng lớp và Bố trí PCB

Bo mạch này sẽ được đặt trên một chồng lớp 4 lớp với đường dẫn đồng mặt phẳng cho các đường RF. Sử dụng chồng lớp 4 lớp cho phép tôi đặt lớp đất ngay dưới lớp bề mặt. Bo mạch này sẽ có tất cả các linh kiện cần thiết được đặt trên lớp trên cùng của PCB, cũng như đường dẫn kết nối RF. Lớp dưới cùng có thể được sử dụng để đặt đường dẫn nguồn điện, và các lớp bên trong sẽ là GND. Loại chồng lớp và đường dẫn này sẽ đảm bảo cách ly tối đa giữa phần RF và phần điều chỉnh nguồn điện thông qua giảm thiểu nhiễu xạ.

Hệ thống vật liệu được sử dụng ở đây là FR4 có Dk thấp; ví dụ về tên thương hiệu có thể đáp ứng thông số này là Isola 370HR hoặc ITEQ. Lưu ý rằng đối với loại thiết kế này, nơi mà chiều dài kết nối tương đối ngắn, sẽ không có sự mất mát quá mức và chúng ta không cần một vật liệu ít mất mát như Rogers.

Bố cục PCB cho mô-đun này đòi hỏi phải phân chia giữa mạch điện năng và mạch RF. Cụ thể, bộ chuyển đổi từ 12V sang 5V sẽ chiếm một lượng không gian đáng kể. Với kích thước bảng mạch nhỏ, bất kỳ thành phần chuyển mạch nào cũng nên được giữ xa các đường RF trong kế hoạch sơ bộ cho bảng mạch này. Các khu vực ban đầu mà tôi sẽ áp dụng việc đặt linh kiện được hiển thị dưới đây.

Bản vẽ sơ đồ trên thực hiện ba việc:

• Nhờ tận dụng mặt đất ở L2, chúng ta có sự kiểm soát tiếng ồn xuất sắc xung quanh các bộ điều chỉnh năng lượng
• Nó để lại đủ không gian xung quanh các đường RF và các linh kiện cho các chân cắm
• Nó tạo ra một đường thẳng từ VCO đến bộ khuếch đại và cổng ra SMA (J1)

Việc đặt và bố trí cho các mạch điều chỉnh năng lượng là cơ bản, vì vậy tôi sẽ không lặp lại trong bài viết này. Bạn có thể đọc thêm về các phương pháp tốt nhất cho bố trí nguồn điện và bố trí bộ chuyển đổi chuyển mạch tại đường link này.

Phần định tuyến RF được hiển thị bên dưới. Hồ sơ trở kháng được hiển thị trong bản xếp chồng ở trên đã được sử dụng làm quy tắc thiết kế cho các mạch RF; cài đặt này được trình bày trong video được liên kết ở trên. Tôi đã thêm lớp chắn cho các mạch RF để tín hiệu 6 GHz có thể được giữ lại dọc theo kết nối mà không bị rò rỉ nhiều. Khoảng cách giữa các vias này khá mạnh mẽ; khoảng cách từ tường lỗ đến tường lỗ chỉ là 12 mil, gần với mức tối thiểu thông thường là 8 hoặc 10 mil mà thường được quy định bởi nhà sản xuất.

Bố cục hoàn thiện được hiển thị bên dưới. Các vias ghép nối đã được thêm vào với tần số cắt cao để ngăn chặn tiếng ồn chuyển mạch cộng hưởng ở lớp trên cùng. Cuối cùng, tôi đã thêm một số silkscreen với logo và chỉ báo điện áp trên các pin header để hỗ trợ trong quy trình khởi động.

Cách Cải Thiện Thiết Kế Này

Thiết kế này hoạt động ở một tần số cố định được đầu ra vào một bộ khuếch đại băng rộng. Nếu chúng ta muốn, chúng ta có thể chỉnh sửa thiết kế để bao gồm điện áp đầu ra có thể điều chỉnh bằng cách thực hiện khả năng điều chỉnh điện áp tại chân VTUNE. Một số cải tiến khác có thể phù hợp sau khi kiểm tra. Có một số lựa chọn:

1. Nếu cần, cuộn cảm của bias tee có thể được thay thế bằng giá trị lớn hơn từ 10x-100x để tăng tỷ lệ trở kháng ở đầu ra, nhưng hãy cẩn thận với ảnh hưởng đến băng thông mong muốn.
2. Sử dụng một biến trở trong mạch chia điện áp qua chân VTUNE.
3. Sử dụng một DAC hoặc bộ điều chỉnh có thể điều chỉnh để điều chỉnh điện áp trên chân VTUNE; điều này sẽ yêu cầu một chân cắm bổ sung đến một mô-đun MCU bên ngoài (như mô-đun nRF52 của chúng tôi).
4. Thêm một chân cắm để có thể sử dụng nguồn điện áp bên ngoài cho việc điều chỉnh.
5. Xem xét việc thêm một phần nối dần vào/ra từ các pad lớn hơn trên C6 và các kết nối SMA để có sự chuyển tiếp mượt mà; trên các SMA có thể có một sự không khớp nhỏ sẽ yêu cầu một phần nối dần để bù đắp.
6. Tiếp tục với điểm #5, thực hiện mô phỏng cho CPW với hàng rào via để đảm bảo đạt được mục tiêu trở kháng.
7. Trong khi các SMA sẽ hoạt động với một khoảng cách nhỏ đến các chân dưới, việc làm dày thêm bảng mạch là lựa chọn tốt hơn; một nhà sản xuất có thể cung cấp một bộ xếp chồng sẽ thực hiện điều này.

Điều này có thể rất hữu ích nếu, chẳng hạn, bạn muốn đưa tín hiệu đầu ra trở lại tần số tối đa được đánh giá của bộ khuếch đại công suất là 6 GHz. Như tôi đã đề cập ở trên, bạn cũng có thể đơn giản chỉ cần nối chân VTUNE với mặt đất để cố định tần số đầu ra của VCO ở 5.8 GHz.

Cuối cùng, để kết nối với một ăng-ten, chúng ta có thể thêm một ăng-ten vá trên lớp sau và thêm một kết nối ghép qua sonda vào ăng-ten thông qua một lỗ vias. Việc đặt một lỗ vias cho một ăng-ten vá ghép sonda ở mặt sau của bảng mạch sẽ khá đơn giản. Tuy nhiên, do việc định tuyến nguồn trên lớp sau, cách dễ nhất để thực hiện điều này là thay đổi cấu trúc xếp lớp thành một PCB 6 lớp.

Theo liên kết này để tải về một tệp lưu trữ ZIP chứa các tệp nguồn của dự án. Bạn cũng có thể sử dụng liên kết tải về trong phần nhúng ở trên để truy cập các tệp nguồn.

Khi bạn cần tạo các hệ thống RF phức tạp với bộ khuếch đại công suất hoặc VCO, hãy sử dụng các công cụ CAD 2D và 3D trong Altium Designer®. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.