Vybíráme nejlepší on-line nástroje pro návrh obvodů a výpočty – vf technika

V závěrečné části našeho seriálu si ukážeme některé problémy, kterým čelí vývojáři při návrhu vysokofrekvenčních obvodů, a také způsob, jak jim volně dostupné nástroje dokážou pomoci.

Úskalí vf návrhu – o co se jedná

Pod vf obvody obecně rozumíme analogové zapojení pracující na docela vysokých kmitočtech, zpravidla mezi 300 kHz až 300 GHz. Rozhraní Bluetooth^® např. využívá 2,4 GHz a Wi-Fi^® zase 2,4 a 5 GHz. U mobilních technologií 5G však můžeme jít ještě dále (25 až 40 GHz). Větší šířka pásma bude ale při návrhu znamenat nové komplikace.

Ve vf oblasti vývojář nemůže předpokládat, že deska prostě jen zajistí spojení mezi součástkami. Vyšší kmitočty znamenají kratší vlnové délky, které již mohou korespondovat s rozměry či rozestupy jednotlivých tras či prvků, takže je zapotřebí zvážit reálné vlivy, a to jak u vedení, tak i desky samotné. Nakonec je často nutné analyzovat návrh z pohledu chování elektromagnetických vln spíše než jen proudů a napětí. Když se pak rozměry stávají výraznou částí vlnové délky, význam takového rozboru vzroste ještě více. V úvahu je zapotřebí vzít např. tyto činitele:

Impedanční přizpůsobení

- základ efektivního přenosu signálů mezi součástkami. Máme-li např. výstupní impedanci budiče 50 Ω, je nutné ji zachovat i podél signálové trasy a na vstupu obvodů přijímače.

Odrazy

- vyskytují se, když elektromagnetická vlna naráží na „nespojitost“ způsobenou třeba změnou impedance. Snižuje se tím výkon přenášený k přijímači. Interference mezi vysílanými a odraženými signály pak mohou na vedení způsobit stojaté vlny. U vzniklých špiček hrozí i napětí, které bude dost velké na to, aby poškodilo součástky či vodiče. Odrazy lze naštěstí minimalizovat pečlivým přizpůsobením impedance.

Přeslech

- znamená signály způsobující nežádoucí vlivy v jiné části zapojení.

Návrh desky plošného spoje

- dokáže přeslechy minimalizovat. Použijí se např. zemní plochy a zajistí, že signálové trasy nebudou vedeny souběžně.

Další ztráty

- lze je často zanedbat, ale na těchto frekvencích se již stávají důležitými. Patří mezi ně skinefekt u vodičů nebo dielektrické ztráty v materiálu desky plošného spoje.

Návrh antény

- je nezbytný k účinnému vysílání a také příjmu vf signálů. Její délka by měla odpovídat vlnové délce. Provedení antény může být externí, stejně jako vlastní v podobě trasy na desce. Posledně jmenovaná nebude tak účinná, je ale menší a levnější.

Díky vf produktům na způsob SoC nebo také integrovaným modulům lze každopádně při návrhu vyřešit spoustu zmíněných problémů. Stále jsme je ale nezapojili do konkrétního systému.

Vf systém a jeho parametry

Kromě obvyklých parametrů, jako jsou napájecí napětí, proud apod., zde máme i další, které jsou pro vf obvody specifické:

Šířka pásma

- kmitočtový rozsah, který bude možné s obvodem zvládnout. Definuje rychlost přenosu informace.

Výkon

- až na obrovské televizní věže nebo mobilní sítě je obvykle docela nízký. Wi-Fi je např. omezeno na 100 mW, mobilní telefon přibližně 15 mW a Bluetooth jen 1 mW.

Odstup signál – šum (SNR)

- úroveň užitečného signálu v porovnání s rušením, což bude jakýkoli nežádoucí signál, který může pocházet z okolí nebo být generován interně.

Vf interference (RFI)

- elektromagnetické interference mohou být vyzářené nebo šířené po vedení, včetně napájecích kabelů.

Požadavky regulačních orgánů

- každá země si definuje standardy pro přenosový výkon a kmitočty.

Návrhové nástroje pro vf obvody

Návrhové nástroje mohou v případě obvodů pomoci s výpočty, layoutem desky a také simulacemi. U simulátorů je zapotřebí modelovat obvod a elektromagnetické vlivy, pokud jde o pouzdra integrovaných obvodů a vzájemná propojení.

Nástroje firmy Analog Devices

Analog Devices má k dispozici různé pomůcky [1], které mohou návrh vf systému zjednodušit. Patří mezi ně

ADIsimPLL: návrh a simulace syntezátoru s PLL

- úprava parametrů a kmitočtů PLL a optimalizace filtru smyčky

- zobrazení výsledků buď v časové, nebo frekvenční oblasti

ADIsimRF: simulace řetězců pro vf signály až s 50 stupni

- rozsáhlá knihovna součástek pro vf techniku a smíšené signály

- výpočet zisku, rušení, zkreslení výkonové spotřeby

- vykreslení výkonu, kmitočtu a zesílení pro každý stupeň

ADIsimSRD Design Studio: návrh a optimalizace bezdrátových systémů s krátkým dosahem

- odhad dosahu a výpočet výdrže baterie

- pomoc při výběru krystalu, přizpůsobení antény a dalších součástek

- flexibilní spektrální analyzátor založený na FFT

Kalkulačky

- vf impedance / přizpůsobení linky / komplexní zátěž

- převod mezi standardními jednotkami při měření výkonu a intenzitou signálu (V_RMS, dBm, dBu, dBV)

Obr. 1  ADIsimPLL – simulovat lze všechny klíčové nelineární vlivy, které mohou ovlivnit vlastnosti smyčky PLL (phase noise, fractional-N spurs, anti-backlash pulse); (zdroj: Analog Devices)

Obr. 2  ADIsimPLL je o rychlém přizpůsobení parametrů a kmitočtů PLL, optimalizaci filtrů smyčky a vykreslování výsledků buď v časové, nebo i kmitočtové oblasti (zdroj: Analog Devices)

Nástroje a kalkulačky Qorvo

Qorvo se zaměřuje na vf součástky a nabízí řadu nástrojů [2] s cílem usnadnit návrh vf systému. To se přímo dotýká i některých záležitostí popsaných výše, třeba výpočtů v případě součástek sloužících k přizpůsobení zdroje a zátěže o různé impedanci nebo účinnosti při přenosu výkonu, máme-li odražené, resp. stojaté vlny.

Jiné nástroje zase pomohou s návrhem filtru, zhodnocením vícestupňových obvodů, řízením napájení nebo řešením desky. Tabulky pak zprostředkují převod mezi jednotkami nebo též informace o různých standardech bezdrátové komunikace. Qorvo zde rovněž nabízí modely součástek pro využití v několika běžných simulačních nástrojích.

Další nástroje a kalkulačky pro vf návrhy

V článku jsme se krátce zaměřili na nástroje, které dokážou speciálně pomoci se složitými problémy během návrhu vf systému. Protože se však jedná o konkrétní případ analogových zapojení, mohou se uplatnit i jiné nástroje představené v našem seriálu. Vf technika se např. neobejde bez filtrů, ale ani náležitě regulovaných zdrojů napájení, tedy oblastí, kterým jsme se již věnovali.

www.mouser.com

Odkazy:

[1] https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/rf-and-synthesis-tools.html

[2] https://www.qorvo.com/design-hub/design-tools