HF-Schaltkreise reagieren äußerst empfindlich auf die Stromversorgung. Der Kern liegt im großen Kontrast zwischen der Größe ihrer Betriebssignale und dem Rauschen der Stromversorgung, und das Rauschen lässt sich leicht direkt auf den HF-Träger modulieren. Die Eliminierung von Leistungsrauschen erfordert die Bildung eines vollständigen Isolations- und Unterdrückungssystems aus mehreren Dimensionen, einschließlich Geräteauswahl, PCB-Layout und Architekturdesign.
1. Der Hauptgrund, warum HF-Schaltkreise empfindlich auf die Stromversorgung reagieren
Der Signalpegel weist einen deutlichen Kontrast auf
Das Nutzsignal der HF-Empfangsverbindung liegt normalerweise nur auf dem µV-Pegel, während die Schaltstörungen und das Welligkeitsrauschen auf der Stromschiene digitaler Schaltkreise leicht den mV-Pegel erreichen können, mit einem Amplitudenunterschied von mehr als 120 dB zwischen beiden. Ein geringes Leistungsrauschen reicht aus, um schwache HF-Signale vollständig zu überwältigen.
Hochfrequenzfehler des Stromversorgungsunterdrückungsverhältnisses (PSRR).
Das PSRR herkömmlicher Leistungschips funktioniert nur im Niederfrequenzbereich gut, wobei die Dämpfungsfähigkeit nach dem Überschreiten von 10 MHz schnell abnimmt. Im 2,4-GHz-Frequenzband beträgt der PSRR der meisten gewöhnlichen LDOs weniger als 20 dB, wodurch es nahezu unmöglich ist, hochfrequentes Rauschen zu unterdrücken. Die 1-mV-Welligkeit am Stromanschluss erzeugt direkt Streusignale mit einem Pegel von 100 μV am HF-Ausgangsanschluss.
Direkte Modulation des HF-Trägers durch Rauschen
Das Breitbandrauschen und die Schalterharmonischen des Netzteils koppeln über die Netzteilpins direkt an den HF-Pfad, vermischen sich mit der Trägerwelle und verschlechtern direkt das Phasenrauschen, die EVM (Fehlervektoramplitude) und die Empfangsempfindlichkeit. Es wurde gemessen, dass die EVM-Leistung der PA um mehr als 15 % abnimmt, wenn das Netzteilrauschen -50 dBc übersteigt.
Störung durch parasitäre Parameterverstärkung
Im HF-Frequenzband beträgt die äquivalente Induktivität eines 1 mm langen Erdungskabels etwa 1 nH, und die Induktivität eines 10 mm langen Erdungskabels kann 27 Ω erreichen. Bodensprungrauschen und parasitäre Induktivität verstärken den Interferenzeffekt des Stromversorgungsrauschens weiter und beeinträchtigen den erwarteten Arbeitspunkt der HF-Schaltung.
2. Vollständiges Prozesseliminierungsschema für Leistungsrauschen der HF-Platine
Schichtweise Auswahl und Isolierung von Leistungschips
Nachdem die Spannungsumwandlung des Front-End-DC/DC abgeschlossen ist, muss das Back-End mit einem dedizierten HF-LDO mit hohem PSRR ausgestattet werden, um die empfindlichsten Module wie VCO und PLL mit Strom zu versorgen. Der LDO erfordert einen PSRR von nicht weniger als 50 dB im 2,4-GHz-Frequenzband, wie beispielsweise Modelle wie ADP7158 und TPS7A91.
Es ist verboten, HF-Kleinsignalschaltkreise direkt mit DC/DC mit Strom zu versorgen, da die an der Schalterkante erzeugten Breitbandharmonischen direkt den Frequenzbereich von Hunderten von MHz bis GHz abdecken und Rauschcluster bilden, die schwer herauszufiltern sind.
Präzises Layout des mehrstufigen Entkopplungskondensators
Die Kombination aus „Energiespeicherkondensator mit großer Kapazität + Filterkondensator mit mittlerer Kapazität + kleiner Hochfrequenzkondensator“ wird übernommen: Ein 10 μF X7R-Kondensator wird am Stromeingang platziert, und 100 nF- und 10 pF-Hochfrequenz-NPO/MLCC-Kondensatoren werden nacheinander innerhalb von 1 mm vom Chip-Stromversorgungspin montiert und decken Rauschunterdrückungsfrequenzbänder von Gleichstrom bis zu mehreren zehn GHz ab.
Befolgen Sie strikt das Prinzip des kürzesten Stromkreises: Der Abstand zwischen dem Erdungsstift des Kondensators und der Chipmasse beträgt weniger als λ/20 (ca. 2,5 mm bei 2,4 GHz), wodurch die Einführung parasitärer Induktivität durch lange Drähte vermieden wird, um den Hochfrequenzfiltereffekt des Kondensators auszugleichen.
Gezielte Drosselung von Magnetperlen/Induktoren
Auf dem Zweigpfad der digitalen Stromversorgung und der Hauptstromversorgung, die in den Hochfrequenzbereich gelangen, werden Magnetkügelchen mit ausreichend hoher Impedanz am Zielrauschfrequenzpunkt und einem Gleichstromwiderstand von weniger als 0,5 Ω ausgewählt. Im 2,4-GHz-Szenario werden beispielsweise Modelle mit einer 2,4-GHz-Impedanz größer oder gleich 500 Ω ausgewählt, um eine Isolierung des Leistungsrauschens zwischen dem digitalen Bereich und dem Hochfrequenzbereich zu erreichen.
Auf dem Hochstrom-PA-Stromversorgungspfad wird eine Hochfrequenz-Wicklungsinduktivität von 3–5 nH als Drossel ausgewählt und um sie herum ein verbotener Verteilungsbereich von mehr als 1 mm reserviert, um parasitäre Kapazitäten zu vermeiden und den Filtereffekt zu reduzieren.
PCB-Stacking und Power-Partition-Design
Es wird empfohlen, einen 4-schichtigen oder höheren Stapel einer „Signalschicht mit vollständiger Masseebene, Leistungsschicht und Signalschicht“ zu verwenden, wobei eine vollständige Masseebene der zweiten Schicht für eine Rückführung mit niedriger Impedanz für die HF-Verkabelung sorgt und gleichzeitig parasitäre Kopplungen zwischen der Leistungsschicht und der HF-Signalschicht isoliert.
Einführung einer sternförmigen Stromversorgungsarchitektur: Nachdem der Hauptstromversorgungseingang gleichmäßig gefiltert wurde, versorgt er LNA, PA und VCO über unabhängige Magnetkügelchenzweige mit Strom. Die analoge Stromversorgung, die digitale Stromversorgung und die HF-Stromversorgung sind vollständig getrennt, und verschiedene Stromversorgungsschichten dürfen sich nicht räumlich überlappen, um parasitäres Kapazitätsübersprechen zu vermeiden.
Getestete Closed-Loop-Verifizierungsoptimierung
Scannen Sie die Rausch-Hotspots auf der Positionierungsplatine mit einer Nahfeldsonde und messen Sie mit einem Spektrumanalysator direkt das Rauschspektrum der Leistungspins des HF-Chips. Fügen Sie für die übermäßigen Frequenzpunkte spezielle Filterkondensatoren an den entsprechenden 1/4-Wellenlängen-Routing-Positionen hinzu, um eine präzise Rauschunterdrückung zu erreichen.