Existen muchas incertidumbres en el diseño de PCB (placas de circuito impreso) de RF (radiofrecuencia), por lo que a menudo se describe como un “arte oscuro”. En términos generales, cuando se trata de circuitos a frecuencias por debajo de las microondas (incluidos los circuitos de baja frecuencia y los circuitos digitales de baja frecuencia), un diseño cuidadoso del trazado es la garantía de éxito a la primera en el diseño del circuito, siempre que se dominen todos los principios de diseño. Sin embargo, cuando se trata de frecuencias por encima de las microondas y de circuitos digitales de alto nivel para PC de alta frecuencia, dos o tres versiones de PCB son suficientes para garantizar la calidad del circuito. En cuanto a los circuitos de RF que operan a frecuencias por encima de las microondas, sin embargo, se necesitan más versiones de diseño de PCB para una mejora constante. Por lo tanto, es seguro que se encontrarán muchas dificultades durante el diseño de circuitos de RF.
Los problemas más comunes en el diseño de circuitos RF
• Interferencia entre el módulo de circuito digital y el módulo de circuito analógico
Cuando el circuito analógico (circuito RF) y el circuito digital funcionan de manera independiente, es muy probable que ambos funcionen perfectamente. Pero tan pronto como se mezclan en la misma placa de circuito y dependen de la misma fuente de alimentación, es posible que todo el sistema se vuelva inestable, porque las señales digitales oscilan con frecuencia entre tierra y la alimentación positiva (>3 V) y el período será muy corto, del orden de nanosegundos. Debido a la mayor amplitud y al menor tiempo de conmutación, todas las señales digitales contendrán componentes de alta frecuencia que son independientes de la frecuencia de conmutación. En las secciones analógicas, el voltaje suele ser inferior a 1 μV desde el lazo de sintonía de radio hasta el receptor del equipo de radio. Por lo tanto, la diferencia entre el lazo de sintonía de radio y las señales de RF puede alcanzar los 120 dB. Evidentemente, si las señales digitales y las señales de RF no se separan cuidadosamente, es posible que las débiles señales de RF sufran daños. Como resultado, la capacidad operativa del equipo de radio se deteriorará o incluso podría dejar de funcionar.
• Interferencia de ruido de la fuente de alimentación
El circuito de RF es bastante sensible al ruido, lo cual es especialmente cierto para el voltaje de glitch y otras ondas armónicas de alta frecuencia. El microcontrolador absorberá repentinamente la mayor parte de la corriente en cada período de reloj interno, debido a que todos los microcontroladores modernos se fabrican utilizando la técnica CMOS. Por lo tanto, supongamos que un microcontrolador funciona a una frecuencia de reloj interna de 1 MHz y que extraerá corriente de la fuente de alimentación a dicha frecuencia. Si no se aplica un desacoplo de alimentación adecuado, se generarán picos de voltaje en las líneas de alimentación. Cuando estos picos de voltaje llegan a los pines de alimentación del circuito de RF, es posible que se produzcan fallos si son graves.
• GND irrazonable
Si la GND se configura de manera inadecuada en un circuito de RF, pueden generarse resultados extraños. En lo que respecta al diseño de circuitos digitales, incluso si no se dispone de GND, la mayoría de las funciones de los circuitos digitales pueden implementarse de forma excelente. Sin embargo, en lo que concierne a la RF, incluso una línea de tierra corta actuará de manera equivalente a un inductor. Se sabe que una inductancia de 1 nH corresponde a una longitud de 1 mm, con base en lo cual puede calcularse de forma aproximada que la reactancia inductiva de una PCB con una longitud de 10 mm debería ser de aproximadamente 27 Ω. Si no se aplica GND, la mayoría de las líneas de tierra serán tan largas que el circuito no podrá presentar las características previstas en el diseño.
• Interferencia radiada por la antena en otros circuitos analógicos
En el diseño de disposición de PCB, también hay otros circuitos analógicos disponibles en la placa. Por ejemplo, muchos circuitos contienen un convertidor analógico-digital (ADC) o un convertidor digital-analógico (DAC). Las señales de alta frecuencia transmitidas por el transmisor de RF quizá lleguen al terminal de entrada analógica del ADC, porque cualquier línea de circuito transmitirá o recibirá señales de RF como lo hace una antena. Si el terminal de entrada del ADC se procesa de manera inapropiada, las señales de RF posiblemente se autoexciten dentro del diodo ESD de la entrada del ADC, lo que a su vez provoca una desviación del ADC.
Principios y esquemas de diseño de circuitos de RF
• Definición de diseño de RF
A medida que se diseña la disposición de RF, primero se deben cumplir los siguientes principios generales:
① Los amplificadores de alta potencia (HPA) y los amplificadores de bajo ruido (LNA) deben estar lo más separados posible. En pocas palabras, los circuitos de transmisión de RF de alta frecuencia se colocan lo más lejos posible de los circuitos de recepción de RF de baja frecuencia.
② Al menos debe haber un plano de tierra completo en la zona de alta frecuencia de la placa PCB y es mejor que no haya orificios pasantes en él. Cuanto mayor sea el área de la lámina de cobre, mejor.
③ Es igualmente importante que los circuitos y la alimentación pasen por un desacoplamiento.
④ La salida de RF debe estar muy alejada de la entrada de RF.
⑤ Las señales analógicas sensibles deben estar lo más alejadas posible de las señales digitales de alta velocidad y de las señales de RF.
• Principios de diseño del particionamiento físico y del particionamiento eléctrico
La partición puede clasificarse en partición física y partición eléctrica. La primera se ocupa principalmente de la disposición de los componentes, sus orientaciones y el apantallamiento, mientras que la segunda puede clasificarse a su vez en distribución de potencia, encaminamiento de RF, circuitos sensibles, señales y partición de tierra.
a. Principio de partición física
Principio de diseño de componentesLa disposición de los componentes desempeña un papel esencial en la contribución a un diseño de RF de buen rendimiento. La tecnología más eficaz consiste primero en fijar los componentes que se colocan a lo largo de la ruta de RF y modificar su orientación de modo que la ruta de RF pueda minimizarse, con la entrada lo más alejada posible de la salida y con los circuitos de alta potencia y de baja potencia separados tanto como sea posible.
Principio de diseño de laminación de PCB. El método de laminación de circuitos más eficiente consiste en disponer el plano de tierra principal en la segunda capa por debajo del primer plano y colocar las trazas de RF en el primer plano. El tamaño de los orificios pasantes en la ruta de RF debe reducirse al mínimo, lo que puede reducir la inductancia de la ruta y disminuir el número de uniones de soldadura fría en la tierra principal. Además, se filtrará menos energía de RF hacia otras áreas dentro de la laminación.
Componentes de RF y principio de trazado de RF. Dentro del espacio físico, los circuitos lineales como los amplificadores de múltiples etapas son capaces de separar todas las áreas de RF, pero el dúplexor, el mezclador y el amplificador/mezclador de frecuencia intermedia a menudo provocan interferencias mutuas entre múltiples señales de RF/IF. Por lo tanto, este tipo de influencia debe minimizarse cuidadosamente. Las pistas de RF/IF deben cruzarse y se debe dejar una toma de tierra entre ellas. La ruta correcta de RF es bastante importante para el rendimiento de la PCB, razón por la cual la disposición de los componentes ocupa la mayor parte del tiempo en el diseño de PCB de teléfonos móviles.
b. Principio de partición eléctrica
Principio de transmisión de potenciaLa corriente continua en la mayoría de los circuitos de los teléfonos móviles suele ser bastante baja, por lo que no es necesario considerar cuidadosamente el ancho de las pistas. Sin embargo, una pista con gran corriente, cuyo ancho sea lo más grande posible, debe diseñarse de forma independiente para la alimentación de los amplificadores de alta potencia, a fin de reducir al mínimo la caída de tensión. Para evitar una pérdida excesiva de corriente, se deben aplicar múltiples orificios pasantes para transmitir la corriente de un plano a otro.
Desacoplamiento de potencia de dispositivos de alta potenciaSi no se logra un acoplamiento completo en los pines de alimentación de un amplificador de alta potencia, se irradiará ruido de alta potencia a toda la placa, generando muchos problemas. La conexión a tierra del amplificador de alta potencia es muy esencial y, por lo general, se necesita una cubierta de blindaje metálica para su diseño.
Principio de segregación de entrada/salida de RF. Para la mayoría de las situaciones, es igualmente esencial garantizar que la salida de RF esté muy alejada de la entrada de RF, lo cual también aplica para el amplificador, el búfer y el filtro. En las peores situaciones, si la salida del amplificador y del búfer se devuelve a su terminal de entrada con una fase y amplitud adecuadas, puede producirse oscilación autoexcitada. En las mejores situaciones, podrán funcionar de manera estable a cualquier temperatura y voltaje. De hecho, pueden volverse inestables y añadir ruido y señales de intermodulación a las señales de RF.
En resumen, el circuito de RF presenta efecto pelicular y efecto de acoplamiento debido a su naturaleza de circuito de parámetros distribuidos, lo que lo diferencia del circuito de baja frecuencia y de corriente continua. Como resultado, los problemas discutidos anteriormente deben enfatizarse especialmente durante el diseño de PCB de circuitos de RF para que el diseño del circuito sea eficaz y preciso.
Recursos útiles
•Directrices para el diseño de PCB de RF y microondas
•Diseño de PCB para circuitos de radiofrecuencia y compatibilidad electromagnética
•PCBCart ofrece servicio de fabricación de PCB de radiofrecuencia
