【導(dǎo)讀】迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事各類無線通信的工程技術(shù)人員提供了廣闊的前景。但同時, 射頻電路的設(shè)計要求設(shè)計者具有一定的實踐經(jīng)驗和工程設(shè)計能力。本文總結(jié)的一些經(jīng)驗可以幫助射頻集成電路開發(fā)者縮短開發(fā)周期, 避免走不必要的彎路, 節(jié)省人力物力。
1. RF無線射頻電路設(shè)計中的常見問題
射頻(RF) PCB設(shè)計, 在目前公開出版的理論上具有很多不確定性, 常被形容為一種“黑色藝術(shù)”。通常情況下, 對于微波以下頻段的電路( 包括低頻和低頻數(shù)字電路) , 在全面掌握各類設(shè)計原則前提下的仔細(xì)規(guī)劃是一次性成功設(shè)計的保證。對于微波以上頻段和高頻的PC 類數(shù)字電路, 則需要2~3個版本的PCB方能保證電路品質(zhì)。而對于微波以上頻段的RF 電路, 則往往需要更多版本的PCB設(shè)計并不斷完善, 而且是在具備相當(dāng)經(jīng)驗的前提下。由此可知RF 電設(shè)計上的困難。
數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾
如果模擬電路( 射頻) 和數(shù)字電路單獨工作, 可能各自工作良好。但是, 一旦將二者放在同一塊電路板上, 使用同一個電源一起工作, 整個系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因為數(shù)字信號頻繁地在地和正電源( >3 V) 之間擺動, 而且周期特別短, 常常是納秒級的。由于較大的振幅和較短的切換時間, 使得這些數(shù)字信號包含大量且獨立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分, 從無線調(diào)諧回路傳到無線設(shè)備接收部分的信號一般小于1μV。因此數(shù)字信號與射頻信號之間的差別會達(dá)到120dB。顯然, 如果不能使數(shù)字信號與射頻信號很好地分離, 微弱的射頻信號可能遭到破壞, 這樣一來, 無線設(shè)備工作性能就會惡化, 甚至完全不能工作。
供電電源的噪聲干擾
射頻電路對于電源噪聲相當(dāng)敏感, 尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會在每個內(nèi)部時鐘周期內(nèi)短時間突然吸入大部分電流, 這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS 工藝制造。因此, 假設(shè)一個微控制器以1MHz 的內(nèi)部時鐘頻率運行, 它將以此頻率從電源提取電流。如果不采取合適的電源去耦, 必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達(dá)電路RF部分的電源引腳, 嚴(yán)重時可能導(dǎo)致工作失效。
不合理的地線
如果RF 電路的地線處理不當(dāng), 可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對于數(shù)字電路設(shè)計, 即使沒有地線層,大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在RF 頻段, 即使一根很短的地線也會如電感器一樣作用。粗略地計算, 每毫米長度的電感量約為1 nH, 433 MHz 時10 mm PCB 線路的感抗約27Ω。如果不采用地線層, 大多數(shù)地線將會較長, 電路將無法具有設(shè)計的特性。
天線對其他模擬電路部分的輻射干擾
在PCB電路設(shè)計中, 板上通常還有其他模擬電路。例如, 許多電路上都有模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。射頻發(fā)送器的天線發(fā)出的高頻信號可能會到達(dá)ADC的模擬輸入端。因為任何電路線路都可能如天線一樣發(fā)出或接收RF信號。如果ADC輸入端的處理不合理, RF信號可能在ADC輸入的ESD二極管內(nèi)自激, 從而引起ADC偏差。
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2. RF 電路設(shè)計原則及方案
RF 布局概念
在設(shè)計RF 布局時, 必須優(yōu)先滿足以下幾個總原則:
( 1) 盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來, 簡單地說, 就是讓高功率RF發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率RF 接收電路;
( 2) 確保PCB板上高功率區(qū)至少有一整塊地,最好上面沒有過孔, 當(dāng)然, 銅箔面積越大越好;
( 3) 電路和電源去耦同樣也極為重要;
( 4)RF 輸出通常需要遠(yuǎn)離RF輸入;
( 5) 敏感的模擬信號應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號和RF信號。
物理分區(qū)和電氣分區(qū)設(shè)計原則
設(shè)計分區(qū)可以分解為物理分區(qū)和電氣分區(qū)。物理分區(qū)主要涉及元器件布局、方向和屏蔽等; 電氣分區(qū)可以繼續(xù)分解為電源分配、RF走線、敏感電路和信號以及接地等的分區(qū)。
物理分區(qū)原則
( 1) 元器件位置布局原則。元器件布局是實現(xiàn)一個優(yōu)秀RF設(shè)計的關(guān)鍵, 最有效的技術(shù)是首先固定位于RF路徑上的元器件并調(diào)整其方向, 以便將RF路徑的長度減到最小, 使輸入遠(yuǎn)離輸出, 并盡可能遠(yuǎn)地分離高功率電路和低功率電路。
( 2) PCB堆疊設(shè)計原則。最有效的電路板堆疊方法是將主接地面(主地)安排在表層下的第二層,并盡可能將RF線布置在表層上。將RF路徑上的過孔尺寸減到最小, 這不僅可以減少路徑電感, 而且還可以減少主地上的虛焊點, 并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機會。
( 3) 射頻器件及其RF布線布局原則。在物理空間上, 像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個RF區(qū)之間相互隔離開來, 但是雙工器、混頻器和中頻放大器/混頻器總是有多個RF/IF 信號相互干擾, 因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與IF跡線應(yīng)盡可能十字交叉, 并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對整塊PCB的性能非常重要,這就是元器件布局通常在蜂窩電話PCB設(shè)計中占大部分時間的原因。
( 4) 降低高/低功率器件干擾耦合的設(shè)計原則。在蜂窩電話PCB上, 通常可以將低噪音放大器電路放在PCB的某一面, 而將高功率放大器放在另一面, 并最終通過雙工器把它們在同一面上連接到RF端和基帶處理器端的天線上。要用技巧來確保通孔不會把RF能量從板的一面?zhèn)鬟f到另一面, 常用的技術(shù)是在二面都使用盲孔。可以通過將通孔安排在PCB板二面都不受RF干擾的區(qū)域來將通孔的不利影響減到最小。
電氣分區(qū)原則
( 1) 功率傳輸原則。蜂窩電話中大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)小, 因此, 布線寬度通常不是問題。不過, 必須為高功率放大器的電源單獨設(shè)定一條盡可能寬的大電流線, 以將傳輸壓降減到最低。為了避免太多電流損耗, 需要采用多個通孔來將電流從某一層傳遞到另一層。
( 2) 高功率器件的電源去耦。如果不能在高功率放大器的電源引腳端對它進(jìn)行充分的去耦, 那么高功率噪聲將會輻射到整塊板上, 并帶來多種的問題。高功率放大器的接地相當(dāng)關(guān)鍵, 經(jīng)常需要為其設(shè)計一個金屬屏蔽罩。
( 3)RF 輸入/輸出隔離原則。在大多數(shù)情況下,同樣關(guān)鍵的是確保RF 輸出遠(yuǎn)離RF 輸入。這也適用于放大器、緩沖器和濾波器。在最壞情況下, 如果放大器和緩沖器的輸出以適當(dāng)?shù)南辔缓驼穹答伒剿鼈兊妮斎攵? 那么它們就有可能產(chǎn)生自激振蕩。在最好情況下, 它們將能在任何溫度和電壓條件下穩(wěn)定地工作。實際上, 它們可能會變得不穩(wěn)定, 并將噪音和互調(diào)信號添加到RF 信號上。
( 4) 濾波器輸入/輸出隔離原則。如果射頻信號線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端, 那么, 這可能會嚴(yán)重?fù)p害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出良好地隔離, 首先必須在濾波器周圍布置一圈地, 其次濾波器下層區(qū)域也要布置一塊地, 并與圍繞濾波器的主地連接起來。把需要穿過濾波器的信號線盡可能遠(yuǎn)離濾波器引腳也是個好方法。此外, 整塊板上各個地方的接地都要十分小心, 否則可能會在不知覺之中引入一條不希望發(fā)生的耦合通道。
(5) 數(shù)字電路和模擬電路隔離。在所有PCB設(shè)計中, 盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一條總的原則, 它同樣適用于RF PCB設(shè)計。公共模擬地和用于屏蔽和隔開信號線的地通常是同等重要的, 由于疏忽而引起的設(shè)計更改將可能導(dǎo)致即將完成的設(shè)計又必須推倒重來。同樣應(yīng)使RF線路遠(yuǎn)離模擬線路和一些很關(guān)鍵的數(shù)字信號, 所有的RF走線、焊盤和元件周圍應(yīng)盡可能多地填接地銅皮, 并盡可能與主地相連。如果RF 走線必須穿過信號線, 那么盡量在它們之間沿著RF 走線布置一層與主地相連的地。如果不可能, 一定要保證它們是十字交叉的, 這可將容性耦合減到最小, 同時盡可能在每根RF走線周圍多布一些地, 并把它們連到主地。此外, 將并行RF走線之間的距離減到最小可使感性耦合減到最小。
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