Os circuitos de RF são extremamente sensíveis à fonte de alimentação, sendo o núcleo o enorme contraste entre a magnitude de seus sinais operacionais e o ruído da fonte de alimentação, e o ruído é facilmente modulado diretamente na portadora de RF; A eliminação do ruído de energia requer a formação de um sistema completo de isolamento e supressão de múltiplas dimensões, incluindo seleção de dispositivos, layout de PCB e projeto de arquitetura.
1. A principal razão pela qual os circuitos de RF são sensíveis à fonte de alimentação
O nível do sinal tem um contraste significativo
O sinal útil do link de recepção de RF é geralmente tão baixo quanto o nível μV, enquanto as falhas da chave e o ruído de ondulação no barramento de alimentação dos circuitos digitais podem facilmente atingir o nível mV, com uma diferença de amplitude de mais de 120dB entre os dois. Um pequeno ruído de energia é suficiente para sobrecarregar completamente os sinais de RF fracos.
Falha de alta frequência da taxa de rejeição da fonte de alimentação (PSRR)
O PSRR dos chips de potência convencionais só funciona bem na faixa de baixa frequência, com uma rápida queda na capacidade de atenuação após ultrapassar 10MHz. Na banda de frequência de 2,4 GHz, o PSRR da maioria dos LDOs comuns é inferior a 20dB, tornando quase impossível suprimir o ruído de alta frequência. A ondulação de 1mV no pino de alimentação gerará diretamente sinais dispersos de nível de 100 μV no terminal de saída de RF.
Modulação direta da portadora de RF por ruído
O ruído de banda larga e os harmônicos do interruptor na fonte de alimentação se acoplarão diretamente ao caminho de RF através dos pinos da fonte de alimentação, se misturarão com a onda portadora e deteriorarão diretamente o ruído de fase, EVM (amplitude do vetor de erro) e sensibilidade de recepção. Foi medido que quando o ruído da fonte de alimentação excede -50dBc, o desempenho EVM do PA diminuirá em mais de 15%.
Interferência de amplificação de parâmetros parasitas
In the RF frequency band, the equivalent inductance of a 1mm long ground wire is about 1nH, and the inductance of a 10mm ground wire can reach 27 Ω. Ground bounce noise and parasitic inductance will further amplify the interference effect of power supply noise, damaging the expected operating point of the RF circuit.
2. Esquema completo de eliminação de processo para ruído de energia da placa RF
Seleção em camadas e isolamento de chips de energia
Após a conclusão da conversão de tensão do front-end DC/DC, o back-end deve ser equipado com um LDO dedicado de RF de alto PSRR para fornecer energia aos módulos mais sensíveis, como VCO e PLL. O LDO requer um PSRR não inferior a 50dB na banda de frequência de 2,4GHz, como modelos como ADP7158 e TPS7A91.
É proibido fornecer energia diretamente a circuitos de pequenos sinais de RF com DC/DC, pois os harmônicos de banda larga gerados na borda do switch cobrirão diretamente a faixa de frequência de centenas de MHz a GHz, formando aglomerados de ruído que são difíceis de filtrar.
Layout preciso do capacitor de desacoplamento multinível
A combinação de "capacitor de armazenamento de energia de grande capacidade + capacitor de filtragem de capacitância média + pequeno capacitor de alta frequência" é adotada: um capacitor 10 μ F X7R é colocado na entrada de energia, e capacitores NPO / MLCC de alta frequência de 100nF e 10pF são montados sequencialmente dentro de 1 mm do pino da fonte de alimentação do chip, cobrindo faixas de frequência de supressão de ruído de DC a dezenas de GHz.
Siga rigorosamente o princípio do circuito mais curto: a distância entre o pino de aterramento do capacitor e o aterramento do chip é menor que λ/20 (cerca de 2,5 mm a 2,4 GHz), evitando a introdução de indutância parasita por fios longos para compensar o efeito de filtragem de alta frequência do capacitor.
Choque direcionado de esferas/indutores magnéticos
No caminho do ramal da fonte de alimentação digital e da fonte de alimentação principal que entra no domínio de radiofrequência, são selecionados grânulos magnéticos com impedância suficientemente alta no ponto de frequência de ruído alvo e resistência DC inferior a 0,5 Ω. Por exemplo, no cenário de 2,4 GHz, modelos com impedância de 2,4 GHz maior ou igual a 500 Ω são selecionados para obter isolamento de ruído de potência entre o domínio digital e o domínio de radiofrequência.
No caminho da fonte de alimentação PA de alta corrente, um indutor de enrolamento de alta frequência de 3-5nH é selecionado como indutor, e uma área de distribuição proibida de mais de 1 mm é reservada ao seu redor para evitar capacitância parasita e reduzir o efeito de filtragem.
Empilhamento de PCB e projeto de partição de energia
Recomenda-se usar uma pilha de 4 camadas ou superior de "camada de sinal camada de sinal de camada de aterramento completa", com um plano de aterramento de segunda camada completo fornecendo retorno de baixa impedância para fiação de RF enquanto isola o acoplamento parasita entre a camada de energia e a camada de sinal de RF.
Adotando uma arquitetura de fonte de alimentação em forma de estrela: Depois que a entrada da fonte de alimentação principal é filtrada uniformemente, ela fornece energia para LNA, PA e VCO por meio de ramificações de esferas magnéticas independentes. A fonte de alimentação analógica, a fonte de alimentação digital e a fonte de alimentação de RF são completamente separadas e diferentes camadas da fonte de alimentação são proibidas de se sobrepor no espaço para evitar diafonia de capacitância parasita.
Otimização de verificação de circuito fechado testada
Faça a varredura dos pontos de acesso de ruído na placa de posicionamento com uma sonda de campo próximo e use um analisador de espectro para medir diretamente o espectro de ruído dos pinos de alimentação do chip de RF. Para os pontos de frequência excessiva, adicione capacitores de filtragem dedicados nas posições de roteamento de 1/4 de comprimento de onda correspondentes para obter uma redução precisa de ruído.