Các mạch RF cực kỳ nhạy cảm với nguồn điện, cốt lõi là sự tương phản rất lớn giữa cường độ tín hiệu hoạt động và nhiễu của nguồn điện, đồng thời nhiễu dễ dàng được điều chế trực tiếp trên sóng mang RF; Việc loại bỏ nhiễu điện đòi hỏi phải hình thành một hệ thống cách ly và triệt tiêu hoàn chỉnh từ nhiều chiều, bao gồm lựa chọn thiết bị, bố trí PCB và thiết kế kiến trúc.
1. Nguyên nhân cốt lõi khiến mạch RF nhạy cảm với nguồn điện
Mức tín hiệu có độ tương phản đáng kể
Tín hiệu hữu ích của liên kết nhận RF thường ở mức μ V, trong khi công tắc bị trục trặc và nhiễu gợn trên đường ray nguồn của các mạch kỹ thuật số có thể dễ dàng đạt đến mức mV, với chênh lệch biên độ lớn hơn 120dB giữa hai mức này. Nhiễu công suất nhỏ đủ để lấn át hoàn toàn tín hiệu RF yếu.
Lỗi tần số cao Tỷ lệ loại bỏ nguồn điện (PSRR)
PSRR của chip nguồn thông thường chỉ hoạt động tốt ở dải tần số thấp, khả năng suy giảm giảm nhanh sau khi vượt quá 10 MHz. Ở dải tần 2,4 GHz, PSRR của hầu hết các LDO thông thường đều nhỏ hơn 20dB, khiến việc khử nhiễu tần số cao gần như không thể. Độ gợn 1mV trên chân nguồn sẽ trực tiếp tạo ra tín hiệu phân tán mức 100 μV ở đầu ra RF.
Điều chế trực tiếp sóng mang RF bằng nhiễu
Nhiễu băng thông rộng và sóng hài của công tắc trên nguồn điện sẽ kết hợp trực tiếp với đường RF thông qua các chân nguồn điện, trộn với sóng mang và trực tiếp làm giảm nhiễu pha, EVM (biên độ vectơ lỗi) và độ nhạy thu. Người ta đã đo được rằng khi tiếng ồn nguồn điện vượt quá -50dBc, hiệu suất EVM của PA sẽ giảm hơn 15%.
Nhiễu khuếch đại tham số ký sinh
Trong dải tần RF, độ tự cảm tương đương của dây nối đất dài 1mm là khoảng 1nH và độ tự cảm của dây nối đất 10 mm có thể đạt tới 27 Ω. Tiếng ồn dội xuống đất và độ tự cảm ký sinh sẽ khuếch đại hơn nữa hiệu ứng nhiễu của nhiễu nguồn điện, làm hỏng điểm vận hành dự kiến của mạch RF.
2. Sơ đồ loại bỏ toàn bộ quá trình nhiễu điện của bảng RF
Lựa chọn lớp và cách ly chip nguồn
Sau khi quá trình chuyển đổi điện áp của DC/DC mặt trước hoàn tất, mặt sau phải được trang bị LDO chuyên dụng RF PSRR cao để cấp nguồn cho các mô-đun nhạy cảm nhất như VCO và PLL. LDO yêu cầu PSRR không nhỏ hơn 50dB ở dải tần 2,4GHz, chẳng hạn như các mẫu như ADP7158 và TPS7A91.
Cấm cấp nguồn trực tiếp cho các mạch tín hiệu nhỏ RF có DC/DC, vì sóng hài băng thông rộng được tạo ra ở cạnh chuyển mạch sẽ bao phủ trực tiếp dải tần từ hàng trăm MHz đến GHz, tạo thành các cụm nhiễu khó lọc.
Bố trí chính xác tụ điện tách đa cấp
Sự kết hợp giữa "tụ lưu trữ năng lượng công suất lớn + tụ lọc điện dung trung bình + tụ điện nhỏ tần số cao" được áp dụng: tụ điện 10 μ F X7R được đặt ở đầu vào nguồn và tụ điện NPO/MLCC tần số cao 100nF và 10pF được gắn tuần tự trong vòng 1mm của chân cấp nguồn chip, bao phủ các dải tần khử nhiễu từ DC đến hàng chục GHz.
Tuân thủ nghiêm ngặt nguyên tắc mạch ngắn nhất: khoảng cách giữa chân nối đất của tụ điện và mặt đất của chip nhỏ hơn λ/20 (khoảng 2,5 mm ở 2,4 GHz), tránh tạo ra điện cảm ký sinh bởi các dây dài để bù đắp hiệu ứng lọc tần số cao của tụ điện.
Cuộn cảm mục tiêu của hạt từ/cuộn cảm
Trên đường nhánh của nguồn điện kỹ thuật số và nguồn điện chính đi vào miền tần số vô tuyến, các hạt từ tính có trở kháng đủ cao tại điểm tần số nhiễu mục tiêu và điện trở DC nhỏ hơn 0,5 Ω được chọn. Ví dụ: trong kịch bản 2.4GHz, các model có trở kháng 2.4GHz Lớn hơn hoặc bằng 500 Ω được chọn để đạt được khả năng cách ly nhiễu điện giữa miền kỹ thuật số và miền tần số vô tuyến.
Trên đường cấp nguồn PA dòng điện cao, cuộn cảm cuộn dây tần số cao 3-5nH được chọn làm cuộn cảm và vùng phân phối bị cấm lớn hơn 1mm được dành riêng xung quanh nó để tránh điện dung ký sinh và giảm hiệu ứng lọc.
Xếp chồng PCB và thiết kế phân vùng nguồn
Bạn nên sử dụng nhóm 4 lớp hoặc cao hơn của "lớp tín hiệu lớp năng lượng mặt đất hoàn chỉnh của lớp tín hiệu", với mặt phẳng mặt đất hoàn chỉnh của lớp thứ hai mang lại trở kháng trở kháng thấp cho hệ thống dây RF trong khi cách ly khớp nối ký sinh giữa lớp nguồn và lớp tín hiệu RF.
Áp dụng kiến trúc cung cấp điện hình ngôi sao: Sau khi đầu vào nguồn điện chính được lọc đồng đều, nó sẽ cung cấp năng lượng cho LNA, PA và VCO thông qua các nhánh hạt từ tính độc lập. Nguồn điện tương tự, nguồn điện kỹ thuật số và nguồn điện RF hoàn toàn tách biệt và các lớp nguồn điện khác nhau bị cấm chồng chéo trong không gian để tránh nhiễu xuyên âm điện dung ký sinh.
Đã thử nghiệm tối ưu hóa xác minh vòng kín
Quét các điểm nóng nhiễu trên bảng định vị bằng đầu dò trường gần và sử dụng máy phân tích phổ để đo trực tiếp phổ nhiễu của các chân nguồn chip RF. Đối với các điểm tần số quá cao, hãy thêm các tụ lọc chuyên dụng tại các vị trí định tuyến bước sóng 1/4 tương ứng để đạt được mức giảm nhiễu chính xác.