RF obvody jsou extrémně citlivé na napájení, přičemž jádrem je obrovský kontrast mezi velikostí jejich provozních signálů a šumem napájecího zdroje a šum je snadno modulován přímo na RF nosič; Eliminace energetického šumu vyžaduje vytvoření kompletního izolačního a odrušovacího systému z více dimenzí, včetně výběru zařízení, rozložení PCB a návrhu architektury.
1. Hlavní důvod, proč jsou RF obvody citlivé na napájení
Úroveň signálu má výrazný kontrast
Užitečný signál vysokofrekvenčního přijímacího spoje je obvykle tak nízký, jako je úroveň μV, zatímco závady spínače a zvlnění šumu na napájecí kolejnici digitálních obvodů mohou snadno dosáhnout úrovně mV s rozdílem amplitudy více než 120 dB mezi těmito dvěma. Malý výkonový šum stačí k úplnému potlačení slabých RF signálů.
Vysokofrekvenční výpadek napájecího zdroje Rejection Ratio (PSRR).
PSRR konvenčních výkonových čipů funguje dobře pouze v nízkofrekvenčním rozsahu s rychlým poklesem schopnosti útlumu po překročení 10 MHz. Ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz je PSRR většiny běžných LDO nižší než 20 dB, takže je téměř nemožné potlačit vysokofrekvenční šum. Zvlnění 1 mV na napájecím kolíku přímo generuje rozptýlené signály na úrovni 100 μV na výstupní svorce RF.
Přímá modulace RF nosiče šumem
Širokopásmový šum a spínací harmonické na napájecím zdroji se přímo spojí s vysokofrekvenční cestou přes napájecí kolíky, mísí se s nosnou vlnou a přímo zhoršují fázový šum, EVM (amplituda chybového vektoru) a citlivost příjmu. Bylo naměřeno, že když hlučnost zdroje překročí -50dBc, výkon EVM PA se sníží o více než 15 %.
Interference zesílení parazitních parametrů
Ve frekvenčním pásmu RF je ekvivalentní indukčnost 1 mm dlouhého zemnicího vodiče asi 1 nH a indukčnost 10 mm zemnicího vodiče může dosáhnout 27 Ω. Odrazový šum země a parazitní indukčnost dále zesílí rušivý efekt šumu napájecího zdroje a poškodí očekávaný pracovní bod RF obvodu.
2. Schéma úplné eliminace procesu pro výkonový šum desky RF
Vrstvený výběr a izolace výkonových čipů
Po dokončení převodu napětí předního DC/DC musí být back-end vybaven vysokofrekvenčním LDO s vysokým PSRR pro napájení nejcitlivějších modulů, jako jsou VCO a PLL. LDO vyžaduje PSRR ne méně než 50 dB ve frekvenčním pásmu 2,4 GHz, jako jsou modely jako ADP7158 a TPS7A91.
Je zakázáno přímo napájet vysokofrekvenční obvody malých signálů pomocí DC/DC, protože širokopásmové harmonické generované na hraně přepínače budou přímo pokrývat frekvenční rozsah stovek MHz až GHz a tvoří šumové shluky, které je obtížné odfiltrovat.
Přesné rozložení víceúrovňového oddělovacího kondenzátoru
Je přijata kombinace „velkokapacitního energetického akumulačního kondenzátoru+středně kapacitního filtračního kondenzátoru+vysokofrekvenčního malého kondenzátoru“: 10 μ F X7R kondenzátor je umístěn na napájecím vstupu a 100nF a 10pF vysokofrekvenční NPO/MLCC kondenzátory jsou sekvenčně namontovány na čipu s potlačením šumu od stejnosměrného napájení do 1mm pinu GHz.
Přísně dodržujte zásadu nejkratšího obvodu: vzdálenost mezi uzemňovacím kolíkem kondenzátoru a uzemněním čipu je menší než λ/20 (asi 2,5 mm při 2,4 GHz), čímž se zabrání vnášení parazitní indukčnosti dlouhými dráty, aby se kompenzoval efekt vysokofrekvenčního filtrování kondenzátoru.
Cílená tlumivka magnetických kuliček/induktorů
Na odbočovací cestě digitálního napájecího zdroje a hlavního napájecího zdroje vstupujícího do radiofrekvenční domény jsou vybrány magnetické kuličky s dostatečně vysokou impedancí v cílovém frekvenčním bodě šumu a stejnosměrným odporem menším než 0,5 Ω. Například ve scénáři 2,4 GHz jsou vybrány modely s impedancí 2,4 GHz větší nebo rovnou 500 Ω, aby bylo dosaženo izolace výkonového šumu mezi digitální doménou a radiofrekvenční doménou.
Na vysokoproudé napájecí cestě PA je jako tlumivka vybrána vysokofrekvenční tlumivka vinutí 3-5nH a kolem ní je vyhrazena zakázaná distribuční oblast větší než 1 mm, aby se zabránilo parazitní kapacitě a snížil se filtrační efekt.
Skládání desek plošných spojů a návrh napájecích oddílů
Doporučuje se použít 4-vrstvou nebo vyšší vrstvu „signální vrstvy kompletní zemní roviny signálové vrstvy“, s kompletní druhou vrstvou zemnící roviny poskytující nízkoimpedanční návrat pro RF kabeláž a zároveň izolovat parazitní vazbu mezi výkonovou vrstvou a vrstvou RF signálu.
Přijetí architektury napájecího zdroje ve tvaru hvězdy: Poté, co je hlavní přívod napájení rovnoměrně filtrován, dodává energii LNA, PA a VCO prostřednictvím nezávislých větví magnetických perliček. Analogový napájecí zdroj, digitální napájecí zdroj a RF napájecí zdroj jsou zcela odděleny a různé vrstvy napájecího zdroje se nesmí v prostoru překrývat, aby se zabránilo parazitním kapacitním přeslechům.
Testovaná optimalizace ověřování v uzavřené smyčce
Naskenujte aktivní místa šumu na polohovací desce pomocí sondy blízkého pole a použijte spektrální analyzátor k přímému měření spektra šumu napájecích kolíků RF čipu. Pro body s nadměrnou frekvencí přidejte vyhrazené filtrační kondenzátory v odpovídajících polohách směrování 1/4 vlnové délky, abyste dosáhli přesné redukce šumu.