常見(jiàn)問(wèn)題
射頻(pín)PCB設計(jì)中的(de)常見(jiàn)問(wèn)題及γ∏設計(jì)原則
引言
射頻(pín)(RF) PCB設計(jì), 在目前公¥Ω ↑開(kāi)出版的(de)理(lǐ)論上(shàng)具有(→✘≥yǒu)很(hěn)多(duō)不(bù)确定性, 常被形容為(w≈₹βèi)一(yī)種“黑(hēi)色藝術(shù)”。¥↕ 通(tōng)常情況下(xià), 對(duì)于微(ε✔wēi)波以下(xià)頻(pín)段的(de)電(₹>diàn)路(lù)( 包括低(dī)頻(pín)和(hé)低(dī)頻(÷®pín)數(shù)字電(diàn)路(lù)) , 在全面掌握各類設計(j↔ε₹ì)原則前提下(xià)的(de)仔細規劃是(shì)一(yī)次性成功設計λ♣&Ω(jì)的(de)保證。對(duì)于微(wēi)波以上(shàng)頻(pφπ ín)段和(hé)高(gāo)頻(pín)的(de)PC 類數(shù)字 ©電(diàn)路(lù), 則需要(yào)≈∏♥♠2~3個(gè)版本的(de)PCB方能(néng)©∏<保證電(diàn)路(lù)品質。而對(duì)于微(∏wēi)波以上(shàng)頻(pín)段的(de)RF 電(dià≥ n)路(lù), 則往往需要(yào)更多(duō)版本₩×¥☆的(de)PCB設計(jì)并不(bù)斷完善, 而且是(shì)在具備相(÷•§xiàng)當經驗的(de)前提下(xià)。由此可(kě)知(zh£♣♣¶ī)RF 電(diàn)設計(jì)上(s±∏€αhàng)的(de)困難。
RF 電(diàn)路(lù)設計(jì)的(de)常見(jiàn)問(wènβ )題
數(shù)字電(diàn)路(lù)模塊和✔λ•(hé)模拟電(diàn)路(lù)模塊之間(jiān)的(de)幹§↔"擾
如(rú)果模拟電(diàn)路(lù)( 射頻(pín)) 和(hé)數★±(shù)字電(diàn)路(lù)單獨工(gōn✔↑g)作(zuò), 可(kě)能(néng)各自(zì)工(γπ✔∏gōng)作(zuò)良好(hǎo)。但(dàn)是(shì), £±一(yī)旦将二者放(fàng)在同一(yī)塊 >電(diàn)路(lù)闆上(shàng), 使用(yòng)同一(y¶• ±ī)個(gè)電(diàn)源一(yī)γ β起工(gōng)作(zuò), 整個(gè)系♠↕"Ω統很(hěn)可(kě)能(néng)就(jiù)不(bù)穩定。這(zhè∞•→)主要(yào)是(shì)因為(wèi)←>×ε數(shù)字信号頻(pín)繁地(dì)在地(↔↔♠✔dì)和(hé)正電(diàn)源( >3 V) 之間(ji↕'ān)擺動, 而且周期特别短(duǎn), 常≥&∞常是(shì)納秒(miǎo)級的(de)。由★§↕于較大(dà)的(de)振幅和(hé)較短(duǎn)∏∑↓的(de)切換時(shí)間(jiān), 使得(de)這(zhè)些(xε iē)數(shù)字信号包含大(dà)量且獨立于切換頻(pín♦ )率的(de)高(gāo)頻(pín)成分(f∏" ★ēn)。在模拟部分(fēn), 從(cóng)無線λ¶調諧回路(lù)傳到(dào)無線設備接收部分(fēn)的(de)信号一(&↓→yī)般小(xiǎo)于1μV。因此數(shù)字信号與射頻 ™$©(pín)信号之間(jiān)的(de)差别會(huì)達到(dào)12'©0dB。顯然, 如(rú)果不(bù)能↔>®(néng)使數(shù)字信号與射頻(pín)信号很(hěn)好(hǎo)¥地(dì)分(fēn)離(lí), 微(wē©¶♦Ωi)弱的(de)射頻(pín)信号可(kě)能(néng γ§)遭到(dào)破壞, 這(zhè)樣一(yī)來(lái), ∞ 無線設備工(gōng)作(zuò)性能(néng)就(ji>↕§ù)會(huì)惡化(huà), 甚至完全不(bù)≈♥♠能(néng)工(gōng)作(zuò)。
供電(diàn)電(diàn)源的(de)噪聲幹擾
射頻(pín)電(diàn)路(lù)對(duì)于電(dià>♠ βn)源噪聲相(xiàng)當敏感, 尤其是(shì∑↔>)對(duì)毛刺電(diàn)壓和(hé)↑其他(tā)高(gāo)頻(pín)諧波。微(wēi)↔π♠₽控制(zhì)器(qì)會(huì)在每個(gè)內(nèi)Ω≤§<部時(shí)鐘(zhōng)周期內(nèi)短(duǎn)時(sh™ ©í)間(jiān)突然吸入大(dà)部分(φ§λ★fēn)電(diàn)流, 這(zhè)是(shì)由于現(xiàn)代微("↕π€wēi)控制(zhì)器(qì)都(dōu)采用(yòng)CMOS 工(g≤>ōng)藝制(zhì)造。因此, 假設一(y<ī)個(gè)微(wēi)控制(zhì)器¶•$'(qì)以1MHz 的(de)內(nèi)部時(shí)鐘(zhōnλ©g)頻(pín)率運行(xíng), 它将以此頻(pín)率<₹ε×從(cóng)電(diàn)源提取電(dià>δ✘n)流。如(rú)果不(bù)采取合适的(de)電(diàn)源去(qù)ε₽♣耦, 必将引起電(diàn)源線上(shàng)的(de)電(d←€®☆iàn)壓毛刺。如(rú)果這(zhè)α↓些(xiē)電(diàn)壓毛刺到(dào)達電(diàn)路(lù)R $↑F部分(fēn)的(de)電(diàn)源引腳, 嚴重時(sh≠✔í)可(kě)能(néng)導緻工(gōng)作(zuò)失效。
不(bù)合理(lǐ)的(de)地(dì)線
如(rú)果RF 電(diàn)路(lù)的(de)地(dì)∏♥≥ 線處理(lǐ)不(bù)當, 可(kě)能(néng)産生(shēng)一(y₽★™ī)些(xiē)奇怪的(de)現(xiàn)象。對(du$•ε±ì)于數(shù)字電(diàn)路(lù)設計(jì), 即使沒有(yǒu§")地(dì)線層,大(dà)多(duō)數(shù)數(shù)字電(✔φdiàn)路(lù)功能(néng)也(yě)表現(xi∏§àn)良好(hǎo)。而在RF 頻(pín)段, 即使一(y'₽✘₹ī)根很(hěn)短(duǎn)的(de)地(dì)線也(yě)§₩λ 會(huì)如(rú)電(diàn)感器(qì)一☆∑(yī)樣作(zuò)用(yòng)。粗略地(dì)計(jì)算(su€®σàn), 每毫米長(cháng)度的(de)電(diàn)感量約為(wèφα↔i)1 nH, 433 MHz 時(shí)10 mm PCB 線路(lβ™©ù)的(de)感抗約27Ω。如(rú)果不(bù)采用(yòng)地(dì)線★♥層, 大(dà)多(duō)數(shù)'☆地(dì)線将會(huì)較長(cháng), 電(diàn≤)路(lù)将無法具有(yǒu)設計(jì)的(λ∑₹de)特性。
天線對(duì)其他(tā)模拟電(dià≠$↔£n)路(lù)部分(fēn)的(de)輻射幹擾
在PCB電(diàn)路(lù)設計(jì)中, 闆上(shàng)∑♦通(tōng)常還(hái)有(yǒu)$φ其他(tā)模拟電(diàn)路(lù)。例如(rú), 許多(duō)電€♠(diàn)路(lù)上(shàng)都(dōu)有(yǒu₩∑π)模/數(shù)轉換(ADC)或數(shù)/模轉換器(qì→π)(DAC)。射頻(pín)發送器(qì)的(de)天線發出的(de)高(₽gāo)頻(pín)信号可(kě)能(né<★ng)會(huì)到(dào)達ADC的(de)模拟輸入端。因為(wèi)任何→π電(diàn)路(lù)線路(lù)都(dōu)可£∞♦(kě)能(néng)如(rú)天線一(yī)樣"ε 發出或接收RF信号。如(rú)果ADC輸入端的(de)處$π≤★理(lǐ)不(bù)合理(lǐ), RF信号可(kě)能(n$→éng)在ADC輸入的(de)ESD二極管內(nèi)自(zì)激, 從(c€β→óng)而引起ADC偏差。
RF 電(diàn)路(lù)設計(jì)原則及方案♣>'€
RF 布局概念
在設計(jì)RF 布局時(shí), 必須優先滿足以下(><πxià)幾個(gè)總原則:
( 1) 盡可(kě)能(néng)地(dì)把高(gāo)功率RF放(γ®fàng)大(dà)器(qì)(HPA)↑γ ≈和(hé)低(dī)噪音(yīn)放(fàng)大(dà)器(qì)(LNA)§$•隔離(lí)開(kāi)來(lái), 簡單地(dì)>σ₹說(shuō), 就(jiù)是(shì)讓高(gā∏®γ¶o)功率RF發射電(diàn)路(lù)遠(Ω£yuǎn)離(lí)低(dī)功率RF 接收電(diàn)αΩ÷₽路(lù);
( 2) 确保PCB闆上(shàng)高(gāo✔♥)功率區(qū)至少(shǎo)有(yǒu)一♣(yī)整塊地(dì),最好(hǎo)上(shàng)面沒有(&≥'☆yǒu)過孔, 當然, 銅箔面積越大(dà)越好(hǎo);
( 3) 電(diàn)路(lù)和(hé)電(☆♣↑diàn)源去(qù)耦同樣也(yě)極為(wèi)重要(yàoφγ∑);
( 4)RF 輸出通(tōng)常需要(yào)遠(yuǎn)離(lí)®δRF輸入;
( 5) 敏感的(de)模拟信号應該盡可(kě)能(néng)遠(yuǎn β♣)離(lí)高(gāo)速數(shù)字信号和(hé)εRF信号。
物(wù)理(lǐ)分(fēn)區(qū)和(®≥hé)電(diàn)氣分(fēn)區(qū)設計(jì)原則
設計(jì)分(fēn)區(qū)可(kě)以分(fēn↕☆)解為(wèi)物(wù)理(lǐ)分(fēn)區(qū)和∞Ω≠§(hé)電(diàn)氣分(fēn)區(qū)。物(wù)理(lǐ)分(fēn)區(qū)主要(yào)涉及元器(qì)件(jià↓§δΩn)布局、方向和(hé)屏蔽等; 電(diàn)氣分(fēn)區 <(qū)可(kě)以繼續分(fēn)解為(wèi)電(diàn)源分(£÷fēn)配、RF走線、敏感電(diàn)路(lù↑<®)和(hé)信号以及接地(dì)等的(de)分(fēn₽≠£)區(qū)。
物(wù)理(lǐ)分(fēn)區(qū± σ)原則
( 1) 元器(qì)件(jiàn)位置布局原則。元器(qì)件(jià♦¥n)布局是(shì)實現(xiàn)一(yī)個(gè)優秀Rλ☆π F設計(jì)的(de)關鍵, 最有(yǒu)效的(de¶€)技(jì)術(shù)是(shì)首先固定位于RF路(↓✔lù)徑上(shàng)的(de)元器(qì)件(jiàn) ✘δ并調整其方向, 以便将RF路(lù)徑的(de)長(chλγáng)度減到(dào)最小(xiǎo), 使輸>₽入遠(yuǎn)離(lí)輸出, 并盡可↕£•Ω(kě)能(néng)遠(yuǎn)地( ∏$dì)分(fēn)離(lí)高(gāo)功率電(diàn)路(lù)和(hé) <低(dī)功率電(diàn)路(lù)。
( 2) PCB堆疊設計(jì)原則。最有(yǒu)效的(de£$←↑)電(diàn)路(lù)闆堆疊方法是(shì)将主接地(dì)Ω&面(主地(dì))安排在表層下(xià)的(de)第"α二層,并盡可(kě)能(néng)将RF線布置在表層上(shàn< g)。将RF路(lù)徑上(shàng)的(de>★λ)過孔尺寸減到(dào)最小(xiǎo), 這(zhè)不(bù)僅可(§&×kě)以減少(shǎo)路(lù)徑電(diàn)感, 而'δ且還(hái)可(kě)以減少(shǎo)主₽↔®地(dì)上(shàng)的(de)虛焊點, 并可(kě'§)減少(shǎo)RF能(néng)量洩漏到(dàoβ≈•≠)層疊闆內(nèi)其他(tā)區(qū)域的(de)機(jī)會(huì)。♣>
( 3) 射頻(pín)器(qì)件(jiàn)及其RF布線布局原則。在物(w∑↔♦ù)理(lǐ)空(kōng)間(jiān)上(shàng),÷↑$ 像多(duō)級放(fàng)大(dà)器(qì)這(zhè)樣的(★ ₽de)線性電(diàn)路(lù)通(tōng)常足以将多(duō)個(gè ≈)RF區(qū)之間(jiān)相(xiàng)互隔離(lí)開(kāi)來☆∑✘∑(lái), 但(dàn)是(shì)雙工(gōng)器(qì)、混頻(pí€♣n)器(qì)和(hé)中頻(pín)放(fàng)大(dà≈)器(qì)/混頻(pín)器(qì)總是£∑(shì)有(yǒu)多(duō)個(gè)RF/IF 信号相(xiàng)互¶↑♥幹擾, 因此必須小(xiǎo)心地(dì)将這(zhè)一(yī)£♠♣≠影(yǐng)響減到(dào)最小(xiǎ₩λo)。RF與IF迹線應盡可(kě)能(néng)十字交叉, 并盡可"(kě)能(néng)在它們之間(jiān)隔一(yī)塊地(dì)。正©'₹确的(de)RF路(lù)徑對(duì)整塊©♦≠PCB的(de)性能(néng)非常重要(yào),這(zhè)就(jiù§>¥©)是(shì)元器(qì)件(jiàn)布局通(tōng)常在蜂窩電(λdiàn)話(huà)PCB設計(jì)中占大(dà)部分(fēn)時(→♣↑shí)間(jiān)的(de)原因。
( 4) 降低(dī)高(gāo)/低(dī)功率器(qì)件(j≥↑iàn)幹擾耦合的(de)設計(jì)原則。在蜂窩電(d<∞★✔iàn)話(huà)PCB上(shàng), 通(t≠÷∑εōng)常可(kě)以将低(dī)噪音(yīn)放(fàng)大(dà)器®¥(qì)電(diàn)路(lù)放(fàn$&€λg)在PCB的(de)某一(yī)面, 而将高(gāo)功&™÷®率放(fàng)大(dà)器(qì)放(fàng)在另一(yī)面,σ♥÷Ω 并最終通(tōng)過雙工(gōng)器(qì)把它們在™≈同一(yī)面上(shàng)連接到(dào)RF端和(±∑hé)基帶處理(lǐ)器(qì)端的(de)天線上(shàng)。要(α>↔yào)用(yòng)技(jì)巧來(lái)确保通(tōng•δσ)孔不(bù)會(huì)把RF能(néng)量從(cóng↓)闆的(de)一(yī)面傳遞到(dào)另一(λ₽ yī)面, 常用(yòng)的(de)技↑∏(jì)術(shù)是(shì)在二面都" ∞(dōu)使用(yòng)盲孔。可(kě)以通(tōng)過∑δ将通(tōng)孔安排在PCB闆二面都('♥dōu)不(bù)受RF幹擾的(de)區(qū)域來(lá×β'i)将通(tōng)孔的(de)不(bù)利影≥πε✘(yǐng)響減到(dào)最小(xiǎo)。
電(diàn)氣分(fēn)區(qū)原則
( 1) 功率傳輸原則。蜂窩電(diàn)話(huà)中大(dà)多(d∞ uō)數(shù)電(diàn)路(lù)的(de)直流電(diànγ↓)流都(dōu)相(xiàng)當小(xiǎo), 因此, 布線寬度通(tōn'↑ βg)常不(bù)是(shì)問(wèn)題。不(bù)過, 必須為(wèi)↓§§高(gāo)功率放(fàng)大(dà)器(qì)的(de)電≤♥(diàn)源單獨設定一(yī)條盡可(kě)能(néng)寬∑±£≠的(de)大(dà)電(diàn)流線, 以将傳輸壓降減到(dào)最¥∏低(dī)。為(wèi)了(le)避免太多(duō)電(diàn)流損耗,₹ 需要(yào)采用(yòng)多(duō)個(gè)通(tōng)孔♣ π來(lái)将電(diàn)流從(cóng)某一(yī)層傳遞到(dào)₹©σ另一(yī)層。
( 2) 高(gāo)功率器(qì)件(¶↑γ₩jiàn)的(de)電(diàn)源去(qù)耦。如 ♥(rú)果不(bù)能(néng)在高(gāo)功率放↕₹(fàng)大(dà)器(qì)的(de)電(≤βdiàn)源引腳端對(duì)它進行(x₽∑¥íng)充分(fēn)的(de)去(qù)耦, 那(nà)麽高(gāo)功•€≤→率噪聲将會(huì)輻射到(dào)整塊闆上(shàng)δδ, 并帶來(lái)多(duō)種的(de)問(wèn)題。高(gāo)功率放≤→↓(fàng)大(dà)器(qì)的(de)接地(dì)相(xià≥<ng)當關鍵, 經常需要(yào)為(wèi×$)其設計(jì)一(yī)個(gè)金(jīn)屬↓↕♣↓屏蔽罩。
( 3)RF 輸入/輸出隔離(lí)原則。在大(dà)多±↑(duō)數(shù)情況下(xià),同樣關鍵的(∞'π↓de)是(shì)确保RF 輸出遠(yuǎn)離(lí)RF 輸入。←₹α<這(zhè)也(yě)适用(yòng)于放(fàng)大(dà)✔™Ω器(qì)、緩沖器(qì)和(hé)濾波器(qì)。在最壞情況下(xià)₽®₽, 如(rú)果放(fàng)大(dà)器(qì)和(÷Ω♠∞hé)緩沖器(qì)的(de)輸出以适當的(de)相(xià€♣☆✘ng)位和(hé)振幅反饋到(dào)它們的(de)"®β£輸入端, 那(nà)麽它們就(jiù)有(yǒu)可(kφ☆∏ě)能(néng)産生(shēng)自(zì)激振蕩。在最好(hǎo)情©©況下(xià), 它們将能(néng)在任何溫度和(hé)電≥↑(diàn)壓條件(jiàn)下(xià✘≥↓)穩定地(dì)工(gōng)作(zuò)。實際上(shàng)β ★, 它們可(kě)能(néng)會(hu®δ§ì)變得(de)不(bù)穩定, 并将噪音¶<&↔(yīn)和(hé)互調信号添加到(dào)RF 信号上(sh$↑φàng)。
( 4) 濾波器(qì)輸入/輸出隔離(lí)原則。如(r≠π€★ú)果射頻(pín)信号線不(bù)得(de)不(bù•₩≠)從(cóng)濾波器(qì)的(de)輸入端繞回輸出端, 那(nà) ¶♠麽, 這(zhè)可(kě)能(néng)會(huì)嚴重損害濾波器(qìβσ♠)的(de)帶通(tōng)特性。為(wèi)了(le)使₹←&輸入和(hé)輸出良好(hǎo)地(dì)隔離(lí), 首先必須在濾波器'€(qì)周圍布置一(yī)圈地(dì), 其次濾波器(qì)下(xià)層區(✘γqū)域也(yě)要(yào)布置一(yī)塊地( ₩ dì), 并與圍繞濾波器(qì)的(de)主地(dì)♥↔₩連接起來(lái)。把需要(yào)穿過濾波器(qì)≈↑∏÷的(de)信号線盡可(kě)能(néng)遠(yuǎn)離(lí)濾波器(q<≈≤ì)引腳也(yě)是(shì)個(gè)γ✘≤好(hǎo)方法。此外(wài), 整塊闆'≈上(shàng)各個(gè)地(dì)方的(de)接地(dì)都(≈✔≤↑dōu)要(yào)十分(fēn)小(xiǎo)心, 否✘♣♥則可(kě)能(néng)會(huì)在不(bù)知(zhī)覺之中引入♥ 一(yī)條不(bù)希望發生(shēng)的(↕≈Ωde)耦合通(tōng)道(dào)。
(5) 數(shù)字電(diàn)路(lù)和(hé)模拟 λ₹σ電(diàn)路(lù)隔離(lí)。在所有(yǒu)PCB設計(Ωδjì)中, 盡可(kě)能(néng)将數(shù)字電(diàn)路(lεγ↑ù)遠(yuǎn)離(lí)模拟電(diàn)路(®♣<lù)是(shì)一(yī)條總的(de)原則, 它同"≥αφ樣适用(yòng)于RF PCB設計(jì)。公共模拟地↔¶₽(dì)和(hé)用(yòng)于屏蔽和(hé)隔開(kāi)信₽™号線的(de)地(dì)通(tōng)常是(shì)同等重要(yào)的(©§de), 由于疏忽而引起的(de)設計(jì)更改将可(kě)能(né < ®ng)導緻即将完成的(de)設計(jì)又(yò ∑♠u)必須推倒重來(lái)。同樣應使RF線路(lù)遠(yuǎn)離∞σ↔(lí)模拟線路(lù)和(hé)一(yī)些(xiē)很(hěn)關鍵α'≥₩的(de)數(shù)字信号, 所有(yǒuα¥)的(de)RF走線、焊盤和(hé)元件(jiàn)周←δ<圍應盡可(kě)能(néng)多(duō)地(dì)填接地(¶ ↔dì)銅皮, 并盡可(kě)能(néng)與主地(dì)相(xiàng)≠₽ 連。如(rú)果RF 走線必須穿過信号線, 那(nà)麽盡量在它們之間(jiā×φ"₩n)沿著(zhe)RF 走線布置一(yī)層與主地(dì)相(xià'∑ng)連的(de)地(dì)。如(rú)₽↑∞果不(bù)可(kě)能(néng), 一(yī)定φΩ'↑要(yào)保證它們是(shì)十字交叉的(de), 這(zhè)可(k•→₹∑ě)将容性耦合減到(dào)最小(xiǎo), 同時(sh♥í)盡可(kě)能(néng)在每根RF走線周圍多(duō)布 •一(yī)些(xiē)地(dì), 并把它們連到(dào)主地(dì)。此外≤ (wài), 将并行(xíng)RF走線之間(jiān)的(de)距離(lí)$↔×減到(dào)最小(xiǎo)可(kě)使感性耦合減到(dàγ→↓o)最小(xiǎo)。
結束語
迅速發展的(de)射頻(pín)集成電(diàn)路(lù)為¥∑§(wèi)從(cóng)事(shì)各類無線通(tōng)信的(de)工 ↔(gōng)程技(jì)術(shù)人(rén)員(yuán)提供了(l™®e)廣闊的(de)前景。但(dàn)同時(shí)≤ ×, 射頻(pín)電(diàn)路(lù)的(de)設計(jì)¥↑要(yào)求設計(jì)者具有(yǒu)一(yī)定的(de)實踐經驗和€§÷(hé)工(gōng)程設計(jì)能(néng)力。本文(wé↓♠n)總結的(de)一(yī)些(xiē)經驗可(kě)以幫助射頻(pín♦α♣ε)集成電(diàn)路(lù)開(kāi)發者縮短(duǎn)開®♥(kāi)發周期, 避免走不(bù)必要(yào)§€•的(de)彎路(lù), 節省人(rén)力物(wù)力。