《電子技術(shù)應(yīng)用》
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RF設(shè)計(jì)中PCB布線(xiàn)技巧
摘要: 今天的蜂窩電話(huà)設(shè)計(jì)以各種方式將所有的東西集成在一起,這對(duì)RF電路板設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)很不利?,F(xiàn)在業(yè)界競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,人人都在找辦法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。模擬、數(shù)字和RF電路都緊密地?cái)D在一起,用來(lái)隔開(kāi)各自問(wèn)題區(qū)域的空間非常小,而且考慮到成本因素,電路板層數(shù)往往又減到最小。
Abstract:
Key words :

今天的蜂窩電話(huà)設(shè)計(jì)以各種方式將所有的東西集成在一起,這對(duì)RF電路板設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)很不利。現(xiàn)在業(yè)界競(jìng)爭(zhēng)非常激烈,人人都在找辦法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能。模擬、數(shù)字和RF電路都緊密地?cái)D在一起,用來(lái)隔開(kāi)各自問(wèn)題區(qū)域的空間非常小,而且考慮到成本因素,電路板層數(shù)往往又減到最小。令人感到不可思議的是,多用途芯片可將多種功能集成在一個(gè)非常小的裸片上,而且連接外界的引腳之間排列得又非常緊密,因此RF、IF、模擬和數(shù)字信號(hào)非??拷?,但它們通常在電氣上是不相干的。電源分配可能對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一個(gè)噩夢(mèng),為了延長(zhǎng)電池壽命,電路的不同部分是根據(jù)需要而分時(shí)工作的,并由軟件來(lái)控制轉(zhuǎn)換。這意味著你可能需要為你的蜂窩電話(huà)提供5到6種工作電源。

在設(shè)計(jì)RF布局時(shí),有幾個(gè)總的原則必須優(yōu)先加以滿(mǎn)足:

盡可能地把高功率RF放大器(HPA) 和低噪音放大器(LNA)隔離開(kāi)來(lái),簡(jiǎn)單地說(shuō),就是讓高功率RF發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率RF接收電路。如果你的PCB板上有很多物理空間,那么你可以很容易地做到這一點(diǎn),但通常元器件很多,PCB空間較小,因而這通常是不可能的。你可以把他們放在PCB板的兩面,或者讓它們交替工作,而不是同時(shí)工作。高功率電路有時(shí)還可包括RF緩沖器和壓控制振蕩器(VCO)。

確保PCB板上高功率區(qū)至少有一整塊地,最好上面沒(méi)有過(guò)孔,當(dāng)然,銅皮越多越好。稍后,我們將討論如何根據(jù)需要打破這個(gè)設(shè)計(jì)原則,以及如何避免由此而可能引起的問(wèn)題。
芯片和電源去耦同樣也極為重要,稍后將討論實(shí)現(xiàn)這個(gè)原則的幾種方法。

RF輸出通常需要遠(yuǎn)離RF輸入,稍后我們將進(jìn)行詳細(xì)討論。

敏感的模擬信號(hào)應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)。

如何進(jìn)行分區(qū)?

設(shè)計(jì)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、朝向和屏蔽等問(wèn)題;電氣分區(qū)可以繼續(xù)分解為電源分配、RF走線(xiàn)、敏感電路和信號(hào)以及接地等的分區(qū)。

首先我們討論物理分區(qū)問(wèn)題。元器件布局是實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)秀RF設(shè)計(jì)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)整其朝向以將RF路徑的長(zhǎng)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。

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(xiàn)走在表層上。將RF路徑上的過(guò)孔尺寸減到最小不僅可以減少路徑電感,而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn),并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機(jī)會(huì)。

在物理空間上,像多級(jí)放大器這樣的線(xiàn)性電路通常足以將多個(gè)RF區(qū)之間相互隔離開(kāi)來(lái),但是雙工器、混頻器和中頻放大器/混頻器總是有多個(gè)RF/IF信號(hào)相互干擾,因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與IF走線(xiàn)應(yīng)盡可能走十字交叉,并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對(duì)整塊PCB板的性能而言非常重要,這也就是為什么元器件布局通常在蜂窩電話(huà)PCB板設(shè)計(jì)中占大部分時(shí)間的原因。

在蜂窩電話(huà)PCB板上,通常可以將低噪音放大器電路放在PCB板的某一面,而高功率放大器放在另一面,并最終通過(guò)雙工器把它們?cè)谕幻嫔线B接到RF端和基帶處理器端的天線(xiàn)上。需要一些技巧來(lái)確保直通過(guò)孔不會(huì)把RF能量從板的一面?zhèn)鬟f到另一面,常用的技術(shù)是在兩面都使用盲孔??梢酝ㄟ^(guò)將直通過(guò)孔安排在PCB板兩面都不受RF干擾的區(qū)域來(lái)將直通過(guò)孔的不利影響減到最小。

有時(shí)不太可能在多個(gè)電路塊之間保證足夠的隔離,在這種情況下就必須考慮采用金屬屏蔽罩將射頻能量屏蔽在RF區(qū)域內(nèi),但金屬屏蔽罩也存在問(wèn)題,例如:自身成本和裝配成本都很貴;

外形不規(guī)則的金屬屏蔽罩在制造時(shí)很難保證高精度,長(zhǎng)方形或正方形金屬屏蔽罩又使元器件布局受到一些限制;金屬屏蔽罩不利于元器件更換和故障定位;由于金屬屏蔽罩必須焊在地上,必須與元器件保持一個(gè)適當(dāng)距離,因此需要占用寶貴的PCB板空間。

盡可能保證屏蔽罩的完整非常重要,進(jìn)入金屬屏蔽罩的數(shù)字信號(hào)線(xiàn)應(yīng)該盡可能走內(nèi)層,而且最好走線(xiàn)層的下面一層PCB是地層。RF信號(hào)線(xiàn)可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和地缺口處的布線(xiàn)層上走出去,不過(guò)缺口處周?chē)M可能地多布一些地,不同層上的地可通過(guò)多個(gè)過(guò)孔連在一起。

盡管有以上的問(wèn)題,但是金屬屏蔽罩非常有效,而且常常還是隔離關(guān)鍵電路的唯一解決方案。

此外,恰當(dāng)和有效的芯片電源去耦也非常重要。許多集成了線(xiàn)性線(xiàn)路的RF芯片對(duì)電源的噪音非常敏感,通常每個(gè)芯片都需要采用高達(dá)四個(gè)電容和一個(gè)隔離電感來(lái)確保濾除所有的電源噪音)。

最小電容值通常取決于其自諧振頻率和低引腳電感,C4的值就是據(jù)此選擇的。C3和C2的值由于其自身引腳電感的關(guān)系而相對(duì)較大一些,從而RF去耦效果要差一些,不過(guò)它們較適合于濾除較低頻率的噪聲信號(hào)。電感L1使RF信號(hào)無(wú)法從電源線(xiàn)耦合到芯片中。記?。核械淖呔€(xiàn)都是一條潛在的既可接收也可發(fā)射 RF信號(hào)的天線(xiàn),另外將感應(yīng)的射頻信號(hào)與關(guān)鍵線(xiàn)路隔離開(kāi)也很必要。

這些去耦元件的物理位置通常也很關(guān)鍵,這幾個(gè)重要元件的布局原則是:C4要盡可能靠近IC引腳并接地,C3必須最靠近C4,C2必須最靠近C3,而且IC引腳與C4的連接走線(xiàn)要盡可能短,這幾個(gè)元件的接地端(尤其是C4)通常應(yīng)當(dāng)通過(guò)下一地層與芯片的接地引腳相連。將元件與地層相連的過(guò)孔應(yīng)該盡可能靠近PCB板上元件焊盤(pán),最好是使用打在焊盤(pán)上的盲孔以將連接線(xiàn)電感減到最小,電感應(yīng)該靠近C1。

一塊集成電路或放大器常常帶有一個(gè)開(kāi)漏極輸出,因此需要一個(gè)上拉電感來(lái)提供一個(gè)高阻抗RF負(fù)載和一個(gè)低阻抗直流電源,同樣的原則也適用于對(duì)這一電感端的電源進(jìn)行去耦。有些芯片需要多個(gè)電源才能工作,因此你可能需要兩到三套電容和電感來(lái)分別對(duì)它們進(jìn)行去耦處理,如果該芯片周?chē)鷽](méi)有足夠空間的話(huà),那么可能會(huì)遇到一些麻煩。

記住電感極少并行靠在一起,因?yàn)檫@將形成一個(gè)空芯變壓器并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號(hào),因此它們之間的距離至少要相當(dāng)于其中一個(gè)器件的高度,或者成直角排列以將其互感減到最小。

電氣分區(qū)原則大體上與物理分區(qū)相同,但還包含一些其它因素。現(xiàn)代蜂窩電話(huà)的某些部分采用不同工作電壓,并借助軟件對(duì)其進(jìn)行控制,以延長(zhǎng)電池工作壽命。這意味著蜂窩電話(huà)需要運(yùn)行多種電源,而這給隔離帶來(lái)了更多的問(wèn)題。電源通常從連接器引入,并立即進(jìn)行去耦處理以濾除任何來(lái)自線(xiàn)路板外部的噪聲,然后再經(jīng)過(guò)一組開(kāi)關(guān)或穩(wěn)壓器之后對(duì)其進(jìn)行分配。

蜂窩電話(huà)里大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)小,因此走線(xiàn)寬度通常不是問(wèn)題,不過(guò),必須為高功率放大器的電源單獨(dú)走一條盡可能寬的大電流線(xiàn),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(gè)過(guò)孔來(lái)將電流從某一層傳遞到另一層。此外,如果不能在高功率放大器的電源引腳端對(duì)它進(jìn)行充分的去耦,那么高功率噪聲將會(huì)輻射到整塊板上,并帶來(lái)各種各樣的問(wèn)題。高功率放大器的接地相當(dāng)關(guān)鍵,并經(jīng)常需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)金屬屏蔽罩。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(shí)際上,它們可能會(huì)變得不穩(wěn)定,并將噪音和互調(diào)信號(hào)添加到RF信號(hào)上。

如果射頻信號(hào)線(xiàn)不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端,這可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p害濾波器的帶通特性。為了使輸入和輸出得到良好的隔離,首先必須在濾波器周?chē)家蝗Φ兀浯螢V波器下層區(qū)域也要布一塊地,并與圍繞濾波器的主地連接起來(lái)。把需要穿過(guò)濾波器的信號(hào)線(xiàn)盡可能遠(yuǎn)離濾波器引腳也是個(gè)好方法。此外,整塊板上各個(gè)地方的接地都要十分小心,否則你可能會(huì)在不知不覺(jué)之中引入一條你不希望發(fā)生的耦合通道。圖3詳細(xì)說(shuō)明了這一接地辦法。

有時(shí)可以選擇走單端或平衡RF信號(hào)線(xiàn),有關(guān)交叉干擾和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號(hào)線(xiàn)如果走線(xiàn)正確的話(huà),可以減少噪聲和交叉干擾,但是它們的阻抗通常比較高,而且要保持一個(gè)合理的線(xiàn)寬以得到一個(gè)匹配信號(hào)源、走線(xiàn)和負(fù)載的阻抗,實(shí)際布線(xiàn)可能會(huì)有一些困難。

緩沖器可以用來(lái)提高隔離效果,因?yàn)樗砂淹粋€(gè)信號(hào)分為兩個(gè)部分,并用于驅(qū)動(dòng)不同的電路,特別是本振可能需要緩沖器來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)混頻器。當(dāng)混頻器在RF頻率處到達(dá)共模隔離狀態(tài)時(shí),它將無(wú)法正常工作。緩沖器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化,從而電路之間不會(huì)相互干擾。

緩沖器對(duì)設(shè)計(jì)的幫助很大,它們可以緊跟在需要被驅(qū)動(dòng)電路的后面,從而使高功率輸出走線(xiàn)非常短,由于緩沖器的輸入信號(hào)電平比較低,因此它們不易對(duì)板上的其它電路造成干擾。

還有許多非常敏感的信號(hào)和控制線(xiàn)需要特別注意,但它們超出了本文探討的范圍,因此本文僅略作論述,不再進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

壓控振蕩器(VCO)可將變化的電壓轉(zhuǎn)換為變化的頻率,這一特性被用于高速頻道切換,但它們同樣也將控制電壓上的微量噪聲轉(zhuǎn)換為微小的頻率變化,而這就給RF信號(hào)增加了噪聲??偟膩?lái)說(shuō),在這一級(jí)以后你再也沒(méi)有辦法從RF輸出信號(hào)中將噪聲去掉。那么困難在哪里呢?首先,控制線(xiàn)的期望頻寬范圍可能從DC 直到2MHz,而通過(guò)濾波來(lái)去掉這么寬頻帶的噪聲幾乎是不可能的;其次,VCO控制線(xiàn)通常是一個(gè)控制頻率的反饋回路的一部分,它在很多地方都有可能引入噪聲,因此必須非常小心處理VCO控制線(xiàn)。

要確保RF走線(xiàn)下層的地是實(shí)心的,而且所有的元器件都牢固地連到主地上,并與其它可能帶來(lái)噪聲的走線(xiàn)隔離開(kāi)來(lái)。此外,要確保VCO的電源已得到充分去耦,由于VCO的RF輸出往往是一個(gè)相對(duì)較高的電平,VCO輸出信號(hào)很容易干擾其它電路,因此必須對(duì)VCO加以特別注意。事實(shí)上,VCO往往布放在RF 區(qū)域的末端,有時(shí)它還需要一個(gè)金屬屏蔽罩。

諧振電路(一個(gè)用于發(fā)射機(jī),另一個(gè)用于接收機(jī))與VCO有關(guān),但也有它自己的特點(diǎn)。簡(jiǎn)單地講,諧振電路是一個(gè)帶有容性二極管的并行諧振電路,它有助于設(shè)置VCO工作頻率和將語(yǔ)音或數(shù)據(jù)調(diào)制到RF信號(hào)上。

所有VCO的設(shè)計(jì)原則同樣適用于諧振電路。由于諧振電路含有數(shù)量相當(dāng)多的元器件、板上分布區(qū)域較寬以及通常運(yùn)行在一個(gè)很高的RF頻率下,因此諧振電路通常對(duì)噪聲非常敏感。信號(hào)通常排列在芯片的相鄰腳上,但這些信號(hào)引腳又需要與相對(duì)較大的電感和電容配合才能工作,這反過(guò)來(lái)要求這些電感和電容的位置必須靠得很近,并連回到一個(gè)對(duì)噪聲很敏感的控制環(huán)路上。要做到這點(diǎn)是不容易的。

自動(dòng)增益控制(AGC)放大器同樣是一個(gè)容易出問(wèn)題的地方,不管是發(fā)射還是接收電路都會(huì)有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲,不過(guò)由于蜂窩電話(huà)具備處理發(fā)射和接收信號(hào)強(qiáng)度快速變化的能力,因此要求AGC電路有一個(gè)相當(dāng)寬的帶寬,而這使某些關(guān)鍵電路上的AGC放大器很容易引入噪聲。

設(shè)計(jì)AGC線(xiàn)路必須遵守良好的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù),而這跟很短的運(yùn)放輸入引腳和很短的反饋路徑有關(guān),這兩處都必須遠(yuǎn)離RF、IF或高速數(shù)字信號(hào)走線(xiàn)。同樣,良好的接地也必不可少,而且芯片的電源必須得到良好的去耦。如果必須要在輸入或輸出端走一根長(zhǎng)線(xiàn),那么最好是在輸出端,通常輸出端的阻抗要低得多,而且也不容易感應(yīng)噪聲。通常信號(hào)電平越高,就越容易把噪聲引入到其它電路。

在所有PCB設(shè)計(jì)中,盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一條總的原則,它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì)。公共模擬地和用于屏蔽和隔開(kāi)信號(hào)線(xiàn)的地通常是同等重要的,問(wèn)題在于如果沒(méi)有預(yù)見(jiàn)和事先仔細(xì)的計(jì)劃,每次你能在這方面所做的事都很少。因此在設(shè)計(jì)早期階段,仔細(xì)的計(jì)劃、考慮周全的元器件布局和徹底的布局評(píng)估都非常重要,由于疏忽而引起的設(shè)計(jì)更改將可能導(dǎo)致一個(gè)即將完成的設(shè)計(jì)又必須推倒重來(lái)。這一因疏忽而導(dǎo)致的嚴(yán)重后果,無(wú)論如何對(duì)你的個(gè)人事業(yè)發(fā)展來(lái)說(shuō)不是一件好事。

同樣應(yīng)使RF線(xiàn)路遠(yuǎn)離模擬線(xiàn)路和一些很關(guān)鍵的數(shù)字信號(hào),所有的RF走線(xiàn)、焊盤(pán)和元件周?chē)鷳?yīng)盡可能多填接地銅皮,并盡可能與主地相連。類(lèi)似面包板的微型過(guò)孔構(gòu)造板在RF線(xiàn)路開(kāi)發(fā)階段很有用,如果你選用了構(gòu)造板,那么你毋須花費(fèi)任何開(kāi)銷(xiāo)就可隨意使用很多過(guò)孔,否則在普通PCB板上鉆孔將會(huì)增加開(kāi)發(fā)成本,而這在大批量生產(chǎn)時(shí)會(huì)增加成本。

如果RF走線(xiàn)必須穿過(guò)信號(hào)線(xiàn),那么盡量在它們之間沿著RF走線(xiàn)布一層與主地相連的地。如果不可能的話(huà),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(shí)盡可能在每根RF走線(xiàn)周?chē)嗖家恍┑兀阉鼈冞B到主地。此外,將并行RF走線(xiàn)之間的距離減到最小可以將感性耦合減到最小。

一個(gè)實(shí)心的整塊接地面直接放在表層下第一層時(shí),隔離效果最好,盡管小心一點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)其它的做法也管用。我曾試過(guò)把接地面分成幾塊來(lái)隔離模擬、數(shù)字和RF線(xiàn)路,但我從未對(duì)結(jié)果感到滿(mǎn)意過(guò),因?yàn)樽罱K總是有一些高速信號(hào)線(xiàn)要穿過(guò)這些分開(kāi)的地,這不是一件好事。

在PCB板的每一層,應(yīng)布上盡可能多的地,并把它們連到主地面。盡可能把走線(xiàn)靠在一起以增加內(nèi)部信號(hào)層和電源分配層的地塊數(shù)量,并適當(dāng)調(diào)整走線(xiàn)以便你能將地連接過(guò)孔布置到表層上的隔離地塊。應(yīng)當(dāng)避免在PCB各層上生成游離地,因?yàn)樗鼈儠?huì)像一個(gè)小天線(xiàn)那樣拾取或注入噪音。在大多數(shù)情況下,如果你不能把它們連到主地,那么你最好把它們?nèi)サ簟?/p>

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