Cách Bố Trí Một IC Vòng Khóa Pha Trong PCB RF Của Bạn

Trong hệ thống viễn thông, hệ thống radio và các thiết bị RF khác yêu cầu tổng hợp tần số, vòng khóa pha đóng vai trò quan trọng trong thiết kế PCB. Các bộ thu phát tần số cao và thiết bị số tốc độ cao chứa vòng khóa pha tích hợp cùng với bố trí VCO tích hợp, cung cấp tín hiệu đồng hồ ổn định và có thể kiểm soát nội bộ. Tuy nhiên, một số IC PLL có sẵn dưới dạng IC rời, sẽ bao gồm bố trí VCO tích hợp bên trong gói. Tổng cộng, một PLL cho phép thực hiện một số nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế PCB RF của bạn, như demodulation, loại bỏ nhiễu pha, và cung cấp một dạng sóng sạch trong tổng hợp tần số.

Một vòng khóa pha trong PCB có thể gặp phải các hiệu ứng nhiễu xạ giống như bất kỳ PCB RF nào khác, và các nhà thiết kế nên đưa ra một số lựa chọn bố trí thông minh nếu họ đang làm việc với một vòng khóa pha rời.

Vòng Khóa Pha Được Sử Dụng Để Làm Gì?

Vòng khóa pha có một số chức năng quan trọng trong hệ thống analog (RF) và trong các hệ thống yêu cầu đồng bộ hóa đồng hồ và tín hiệu chính xác trên một bảng mạch. Dưới đây là một số chức năng cơ bản của vòng khóa pha và lý do tại sao chúng quan trọng trong PCB RF.

• Loại bỏ nhiễu pha: Một vòng khóa pha cũng có thể được sử dụng để loại bỏ nhiễu pha từ tín hiệu tham chiếu bằng cách đồng bộ hóa với tham chiếu được cung cấp bởi một dao động kỹ thuật số điều khiển bằng điện áp (VCO). Trong những năm qua, bạn sẽ sử dụng một số linh kiện riêng biệt cho những nhiệm vụ này, nhưng ngày nay, các vòng khóa pha tích hợp sẵn bố cục VCO vào trong IC.
• Sự tổng hợp tần số: Một vòng khóa pha analog hoặc số cũng có thể được sử dụng cho việc tổng hợp tần số ở các tần số cao hơn hoặc thấp hơn so với một số tham chiếu. Về tổng hợp số, một vòng khóa pha có thể được sử dụng để giảm hoặc tăng tốc độ lặp lại của một dòng xung số học. Trong cả hai trường hợp, tốc độ dao động/lặp lại có thể đạt đến hàng chục GHz với các vòng khóa pha có sẵn trên thị trường và thử nghiệm, cho phép chúng hỗ trợ nhiều ứng dụng RF.
• Giải điều chế tín hiệu FM: Nếu vòng khóa pha được cấp với một tín hiệu FM, VCO sẽ theo dõi tần số tức thời của nó. Điện áp lỗi đầu ra từ giai đoạn bộ lọc vòng (xem bên dưới), đó là thứ điều khiển VCO, bằng với đầu ra FM đã được giải điều chế.

Ở tốc độ/thấp tần số thấp, nhiễu pha trong một bộ truyền đạt nhất định thường đủ thấp đến mức bạn không cần phải tận dụng một vòng khóa pha để bù đắp cho nó, và các nguồn chính là do các vấn đề khác có thể được khắc phục ở cấp độ bố trí PCB.

Vai trò của Mỗi Thành phần trong một Vòng Khóa Pha

Vòng khóa pha sử dụng phản hồi âm từ một VCO trong ứng dụng tương tự, hoặc một bộ dao động được điều khiển bằng số (NCO) trong ứng dụng số. Trong ứng dụng tương tự, tần số của tín hiệu ra từ một VCO hoặc NCO phụ thuộc vào điện áp đầu vào của nó hoặc một đầu vào số, tương ứng. Trong mọi trường hợp, tín hiệu ra từ PLL sẽ tỷ lệ với sự chênh lệch pha giữa tín hiệu đầu vào tham chiếu. Khi sự chênh lệch pha (và do đó là tín hiệu ra) không thay đổi theo thời gian, thì hai tín hiệu được khóa ở cùng một tần số.

Trong một hệ thống RF, đầu ra từ một VCO analog phụ thuộc vào điện áp đầu vào, làm cho nó hữu ích để điều chế một tín hiệu đồng hồ tham chiếu. Trong một vòng khóa pha, VCO hiệu quả khóa vào một tham chiếu cụ thể thông qua việc sử dụng một bộ lọc vòng. Trong các vòng khóa pha analog, bộ lọc vòng mất một thời gian nhất định để khóa vào tín hiệu tham chiếu mong muốn (đạt tới ~100 ns).

Đầu ra từ bộ lọc vòng cũng có một vị trí đặc biệt trong một vòng khóa pha. Khi VCO được sử dụng để khóa vào một tín hiệu mang mong muốn, một tín hiệu được điều chế tần số hoặc pha thường sẽ điều chế với tốc độ nhanh hơn nhiều so với thời gian khóa của vòng khóa pha. Trong trường hợp này, bộ lọc vòng sẽ xuất ra một tín hiệu lỗi tỷ lệ với sự chênh lệch pha tức thì giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu VCO. Khi một tín hiệu tham chiếu được điều chế đầu vào vòng khóa pha như một tín hiệu mang, tín hiệu lỗi này thực sự là tín hiệu được giải điều chế.

Sơ đồ khối vòng khóa pha

Bố trí PCB Cho Vòng Khóa Pha Của Bạn

Các IC vòng khóa pha có khả năng đạt giá trị GHz thấp có sẵn trên thị trường. Các bộ thu phát và modem cho hệ thống tần số cao hơn thường bao gồm toàn bộ vòng khóa pha, bao gồm cả bố trí VCO và mạch hỗ trợ, trên chíp. Chúng có thể hoạt động ở các tần số trung gian để cung cấp một tín hiệu đầu ra sạch, sau đó được nâng cao tần số và điều chế để tạo ra một tín hiệu RF mong muốn. Với một IC vòng khóa pha, bạn sẽ có tần số RF được đưa vào và ra khỏi linh kiện và được định tuyến xung quanh bảng mạch, và bạn cần chú ý đến tính toàn vẹn của tín hiệu trong hệ thống. Một số điểm bố trí quan trọng bao gồm:

• Cách ly và lưới bảng mạch: Để giữ cho RF đầu vào, RF đầu ra, và các phần analog/kỹ thuật số khác không gây nhiễu lẫn nhau, sắp xếp các khối mạch khác nhau vào các khu vực cụ thể của bảng mạch. Cũng đảm bảo sử dụng một số cấu trúc cách ly (hàng rào via, đổ mặt đất, các lớp định tuyến riêng biệt) để ngăn chặn các phần RF gây nhiễu lẫn nhau và các phần khác của bảng mạch.
• Tính toàn vẹn nguồn: Nhiễu nguồn cung cấp đòi hỏi việc giảm nhiễu chính xác, vì vậy hãy sử dụng các mặt phẳng nguồn và mặt đất liền kề như nền tảng của mạng lưới phân phối nguồn (PDN) cho vòng khóa pha của bạn. Ngoài ra, xử lý mạch như một hệ thống số tốc độ cao và đặt một mạng lưới giảm nhiễu gần các chân nguồn. Điều này sẽ cung cấp điện áp DC ổn định cho các IC này và ngăn chặn sự dao động trong bus nguồn hoặc mặt phẳng nguồn khi các IC số khác trên bảng mạch chuyển đổi. Bất kỳ tụ điện giảm nhiễu/bypass nào cũng nên sử dụng các via riêng của chúng để kết nối trở lại với mặt đất.
• Nhiệt: Đặt một pad nhiệt được nối đất dưới IC vòng khóa pha để đảm bảo nhiệt lưu thông trở lại vào mặt đất của PCB.
• Mất mát: Nếu bạn làm việc với tần số GHz, hãy xem xét sử dụng laminat ít mất mát trên tần số WiFi. Vật liệu của Rogers hoặc Isola là những lựa chọn tốt để truyền tải tín hiệu RF với mất mát thấp. Cố gắng giữ cho các đường truyền RF được sắp xếp cách xa nhau, nhưng cũng giữ chúng càng ngắn càng tốt để ngăn chặn sự can thiệp và mất mát quá mức.
• Khớp trở kháng: Giống như các hệ thống RF khác, bạn sẽ cần phải khớp trở kháng cẩn thận cho các đường truyền và cổng vào/ra trên IC vòng khóa pha của bạn.

Bạn đã bao giờ chơi với một bộ tổng hợp âm thanh? Bạn thực sự đang chơi với một VCO

Về việc sử dụng một bố cục VCO riêng biệt?

Điều này không phổ biến vì các IC vòng khóa pha ngày nay sẽ chứa một bố cục VCO tích hợp. Tuy nhiên, có một số trường hợp mà bố cục VCO riêng biệt được sử dụng. Các hệ thống RF công suất cao cần một vòng khóa pha có thể cần phải tách tất cả các phần ra thành các khu vực bảng mạch riêng biệt (vòng khóa pha, bố cục VCO, bộ khuếch đại và các thành phần khác). Ngoài ra, các hệ thống sử dụng radio định nghĩa bằng phần mềm có thể sử dụng một VCO chuyên biệt cho việc tạo ra tín hiệu tham chiếu hoặc tổng hợp tần số trực tiếp. Làm việc với một VCO có thể khó khăn bất kể bạn đã tự xây dựng vòng khóa pha cho hệ thống hay chưa.

Băng thông của một VCO sẽ ảnh hưởng đến độ nhạy của nó đối với nhiễu nguồn cung cấp điện và nhiễu pha của chính nó. Các VCO có băng thông rộng có thể có độ nhạy cao hơn đối với nhiễu nguồn cung cấp điện, do đó, các bộ điều chỉnh điện áp siêu thấp nhiễu được khuyến nghị để giảm thiểu nhiễu pha trên đầu ra VCO. Sử dụng một VCO hẹp băng sẽ chỉ phù hợp với một phạm vi tần số hẹp hơn, và điều này nên được xem xét trong quá trình thiết kế.

Một VCO cũng có thể được sử dụng để điều chế trực tiếp tín hiệu mang. Tín hiệu đầu ra từ VCO có thể được sử dụng để áp dụng điều chế cho tín hiệu mang, sau đó có thể được gửi đến ăng-ten phát. Điều này có thể được thực hiện với một mạch T sử dụng ba điện trở để khớp trở kháng ăng-ten với trở kháng đầu ra của VCO. Các thành phần nhiễu ở đây trở nên có vấn đề ở tần số cao vì chúng có thể can thiệp vào việc khớp trở kháng và cô lập. Những khó khăn này nên làm lộ ra lý do tại sao bố cục VCO thường được tích hợp vào một vòng khóa pha.

Đối với sự toàn vẹn về công suất, toàn vẹn tín hiệu, và yêu cầu thiết kế tín hiệu hỗn hợp trong các thiết bị RF với một IC vòng khóa pha, các nhà thiết kế cần có các công cụ bố cục, định tuyến, và mô phỏng phù hợp để hỗ trợ thiết kế. Altium Designer tích hợp những tính năng này và nhiều hơn nữa vào một chương trình duy nhất, cho phép bạn thiết kế các thiết bị chất lượng cao nhất cho bất kỳ ứng dụng nào.

Giờ đây bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về bộ công cụ thiết kế của nó. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào các tính năng thiết kế, mô phỏng, và xác minh tốt nhất trong ngành trong một chương trình duy nhất. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.