Obwody RF są niezwykle wrażliwe na zasilanie, a rdzeniem jest ogromny kontrast pomiędzy wielkością ich sygnałów operacyjnych a szumem zasilania, a szum można łatwo modulować bezpośrednio na nośną RF; Eliminacja szumów zasilania wymaga utworzenia kompletnego systemu izolacji i tłumienia z wielu aspektów, w tym wyboru urządzenia, układu PCB i projektu architektury.
1. Główny powód, dla którego obwody RF są wrażliwe na zasilanie
Poziom sygnału charakteryzuje się znacznym kontrastem
Użyteczny sygnał łącza odbiorczego RF jest zwykle tak niski, jak poziom μV, podczas gdy zakłócenia przełącznika i szumy tętnienia na szynie zasilającej obwodów cyfrowych mogą z łatwością osiągnąć poziom mV, przy różnicy amplitud pomiędzy nimi przekraczającej 120 dB. Mały szum mocy wystarczy, aby całkowicie przytłoczyć słabe sygnały RF.
Awaria wysokiej częstotliwości, współczynnik odrzucenia zasilania (PSRR).
PSRR konwencjonalnych układów mocy działa dobrze tylko w zakresie niskich częstotliwości, z gwałtownym spadkiem zdolności tłumienia po przekroczeniu 10 MHz. W paśmie częstotliwości 2,4 GHz PSRR większości zwykłych LDO jest mniejszy niż 20 dB, co sprawia, że tłumienie szumów o wysokiej częstotliwości jest prawie niemożliwe. Tętnienie 1 mV na pinie zasilania będzie bezpośrednio generować rozproszone sygnały o poziomie 100 μV na zacisku wyjściowym RF.
Bezpośrednia modulacja nośnej RF za pomocą szumu
Szum szerokopasmowy i harmoniczne przełączania w zasilaczu będą bezpośrednio łączone ze ścieżką RF przez piny zasilacza, mieszają się z falą nośną i bezpośrednio pogarszają szum fazowy, EVM (amplitudę wektora błędu) i czułość odbioru. Zmierzono, że gdy szum zasilania przekracza -50 dBc, wydajność EVM PA spadnie o ponad 15%.
Pasożytnicze zakłócenia wzmacniające parametry
W paśmie częstotliwości RF równoważna indukcyjność przewodu uziemiającego o długości 1 mm wynosi około 1 nH, a indukcyjność przewodu uziemiającego o średnicy 10 mm może osiągnąć 27 Ω. Szum odbicia od masy i indukcyjność pasożytnicza jeszcze bardziej wzmocnią efekt interferencji szumów zasilania, uszkadzając oczekiwany punkt pracy obwodu RF.
2. Schemat pełnego procesu eliminacji szumów zasilania karty RF
Warstwowy dobór i izolacja układów zasilających
Po zakończeniu konwersji napięcia front-end DC/DC, back-end musi być wyposażony w dedykowany LDO o wysokim współczynniku PSRR RF w celu zasilania najbardziej wrażliwych modułów, takich jak VCO i PLL. LDO wymaga PSRR nie mniejszego niż 50 dB w paśmie częstotliwości 2,4 GHz, na przykład w modelach takich jak ADP7158 i TPS7A91.
Zabrania się bezpośredniego zasilania obwodów małych sygnałów RF z DC/DC, ponieważ szerokopasmowe harmoniczne generowane na krawędzi przełącznika będą bezpośrednio pokrywać zakres częstotliwości od setek MHz do GHz, tworząc trudne do odfiltrowania klastry szumów.
Precyzyjny układ wielopoziomowego kondensatora odsprzęgającego
Przyjęto kombinację „kondensator do magazynowania energii o dużej pojemności + kondensator filtrujący o średniej pojemności + mały kondensator o wysokiej częstotliwości”: kondensator 10 μF X7R jest umieszczony na wlocie zasilania, a kondensatory NPO/MLCC o wysokiej częstotliwości 100 nF i 10 pF są montowane sekwencyjnie w odległości 1 mm od styku zasilania chipa, co obejmuje pasma częstotliwości tłumienia szumów od prądu stałego do dziesiątek GHz.
Ściśle przestrzegaj zasady najkrótszego obwodu: odległość między kołkiem uziemiającym kondensatora a masą chipa jest mniejsza niż λ/20 (około 2,5 mm przy 2,4 GHz), unikając wprowadzania indukcyjności pasożytniczej przez długie przewody, aby zrównoważyć efekt filtrowania wysokich częstotliwości kondensatora.
Ukierunkowane dławienie koralików/cewek magnetycznych
Na ścieżce odgałęzienia cyfrowego zasilacza i głównego zasilania wchodzącego w dziedzinę częstotliwości radiowych wybiera się koraliki magnetyczne o wystarczająco wysokiej impedancji w docelowym punkcie częstotliwości szumu i rezystancji DC mniejszej niż 0,5 Ω. Na przykład w scenariuszu 2,4 GHz wybierane są modele o impedancji 2,4 GHz większej lub równej 500 Ω, aby uzyskać izolację szumów mocy pomiędzy domeną cyfrową a domeną częstotliwości radiowej.
Na ścieżce zasilania PA wysokoprądowego jako dławik wybiera się cewkę uzwojenia wysokiej częstotliwości o wartości 3–5 nH, a wokół niej rezerwuje się zabroniony obszar dystrybucji większy niż 1 mm, aby uniknąć pojemności pasożytniczej i zmniejszyć efekt filtrowania.
Projektowanie układania PCB i partycji zasilania
Zaleca się stosowanie 4-warstwowego lub większego stosu „warstwy sygnałowej, warstwy sygnału, warstwy uziemienia, warstwy mocy”, z kompletną płaszczyzną uziemienia drugiej warstwy, zapewniającą powrót o niskiej impedancji dla okablowania RF, izolując jednocześnie pasożytnicze sprzężenie pomiędzy warstwą mocy a warstwą sygnału RF.
Przyjęcie architektury zasilania w kształcie gwiazdy: Po równomiernym przefiltrowaniu głównego wejścia zasilania, dostarcza on energię do LNA, PA i VCO poprzez niezależne gałęzie kulek magnetycznych. Zasilanie analogowe, zasilanie cyfrowe i zasilanie RF są całkowicie oddzielone, a różne warstwy zasilania nie mogą nakładać się na siebie w przestrzeni, aby uniknąć pasożytniczego przesłuchu pojemnościowego.
Przetestowana optymalizacja weryfikacji w pętli zamkniętej
Zeskanuj gorące punkty szumu na płytce pozycjonującej za pomocą sondy bliskiego pola i użyj analizatora widma, aby bezpośrednio zmierzyć widmo szumu pinów zasilania układu RF. W przypadku punktów nadmiernej częstotliwości dodaj dedykowane kondensatory filtrujące w odpowiednich pozycjach routingu 1/4 długości fali, aby uzyskać precyzyjną redukcję szumów.