基于RF電路設計中的常見(jiàn)問(wèn)題及解決方案

　　1 　數字電路與模擬電路的潛在矛盾

　　如果模擬電路(射頻) 和數字電路(微控制器) 單獨工作可能各自工作良好,但是一旦將兩者放在同一塊電路板上,使用同一個(gè)電源供電一起工作,整個(gè)系統很可能就會(huì )不穩定。這主要是因為數字信號頻繁的在地和正電源(大小3 V) 之間擺動(dòng),而且周期特別短,常常是ns 級的。由于較大的振幅和較小的切換時(shí)間,使得這些數字信號包含大量的且獨立于切換頻率的高頻成分。而在模擬部分,從天線(xiàn)調諧回路傳到無(wú)線(xiàn)設備接收部分的信號一般小于1μV。因此數字信號與射頻信號之間的差別將達到10-6(120 dB) 。顯然,如果數字信號與射頻信號不能很好的分離,微弱的射頻信號可能遭到破壞,這樣一來(lái),無(wú)線(xiàn)設備工作性能就會(huì )惡化,甚至完全不能工作。

　　2 　RF 電路和數字電路做在同塊PCB 上的常見(jiàn)問(wèn)題

　　不能充分的隔離敏感線(xiàn)路和噪聲信號線(xiàn)是常常出現的問(wèn)題。如上所述,數字信號具有高的擺幅并包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數字信號布線(xiàn)鄰近敏感的模擬信號,高頻諧波可能會(huì )耦合過(guò)去。RF 器件的最敏感節點(diǎn)通常為鎖相環(huán)( PLL) 的環(huán)路濾波電路,外接的壓控振蕩器(VCO) 電感,晶振基準信號和天線(xiàn)端子,電路的這些部分應該特別仔細處理。

　　(1) 供電電源噪聲

　　由于輸入/ 輸出信號有幾V 的擺幅,數字電路對于電源噪聲(小于50 mV) 一般可以接受。而模擬電路對于電源噪聲卻相當敏感,尤其是對毛刺電壓和其他高頻諧波。因此,在包含RF(或其他模擬) 電路的PCB 板上的電源線(xiàn)布線(xiàn)必須比在普通數字電路板上布線(xiàn)更加仔細,應避免采用自動(dòng)布線(xiàn)。同時(shí)也應注意到,微控制器(或其他數字電路) 會(huì )在每個(gè)內部時(shí)鐘周期內短時(shí)間突然吸入大部分電流,這是由于現代微控制器都采用CMOS 工藝設計。因此,假設一個(gè)微控制器以1 MHz 的內部時(shí)鐘頻率運行,它將以此頻率從電源提取(脈沖) 電流,如果不采取合適的電源去耦,必將引起電源線(xiàn)上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達電路RF 部分的電源引腳,嚴重的可能導致工作失效,因此必須保證將模擬電源線(xiàn)與數字電路區域隔開(kāi)。

　　(2) 不合理的地線(xiàn)

　　RF 電路板應該總是布有與電源負極相連的地線(xiàn)層,如果處理不當,可能產(chǎn)生一些奇怪的現象。對于一個(gè)數字電路設計者來(lái)說(shuō)這也許難于理解,因為即使沒(méi)有地線(xiàn)層,大多數數字電路功能也表現良好。而在RF 頻段,即使一根很短的線(xiàn)也會(huì )如電感一樣作用。粗略計算,每mm 長(cháng)度的電感量約為1 nH , 434 MHz 時(shí)10 mmPCB 線(xiàn)路的感抗約為27 Ω。如果不采用地線(xiàn)層,大多數地線(xiàn)將會(huì )較長(cháng),電路將無(wú)法保證設計特性。

　　(3) 天線(xiàn)對其他模擬部分的輻射

　　在包含射頻和其他部分的電路中,這一點(diǎn)經(jīng)常被忽略。除了RF 部分,板上通常還有其他模擬電路。例如,許多微控制器內置模數轉換器(ADC) 用于測量模擬輸入以及電池電壓或其他參數。如果射頻發(fā)送器的天線(xiàn)位于此PCB 附近(或就在此PCB 上) ,發(fā)出的高頻信號可能會(huì )到達ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線(xiàn)路都可能如天線(xiàn)一樣發(fā)出或接收RF 信號。如果ADC 輸入端處理不合理,RF 信號可能在A(yíng)DC 輸入的ESD 二極管內自激,從而引起ADC 的偏差。

　　3 　RF 電路和數字電路做在同塊PCB 上的解決方案

　　以下給出在大多數RF 應用中的一些通用設計和布線(xiàn)策略。然而,遵循實(shí)際應用中RF 器件的布線(xiàn)建議更為重要。

　　(1) 一個(gè)可靠的地線(xiàn)層面

　　當設計有RF 元件的PCB 時(shí),應該總是采用一個(gè)可靠的地線(xiàn)層。其目的是在電路中建立一個(gè)有效的0 V 電位點(diǎn),使所有的器件容易去耦。供電電源的0 V 端子應直接連接在此地線(xiàn)層。由于地線(xiàn)層的低阻抗,已被去耦的兩個(gè)節點(diǎn)間將不會(huì )產(chǎn)生信號耦合。對于板上多個(gè)信號幅值可能相差120 dB ,這一點(diǎn)非常重要。在表面貼裝的PCB 上,所有信號布線(xiàn)在元件安裝面的同一面,地線(xiàn)層則在其反面。理想的地線(xiàn)層應覆蓋整個(gè)PCB ( 除了天線(xiàn)PCB 下方) 。如果采用兩層以上的PCB ,地線(xiàn)層應放置在鄰近信號層的層上(如元件面的下一層) 。另一個(gè)好方法是將信號布線(xiàn)層的空余部分也用地線(xiàn)平面填充,這些地線(xiàn)平面必須通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與主地線(xiàn)層面連接。需要注意的是:由于接地點(diǎn)的存在會(huì )引起旁邊的電感特性改變,因此選擇電感值和布置電感是必須仔細考慮的。

　　(2) 縮短與地線(xiàn)層的連接距離

　　所有對地線(xiàn)層的連接必須盡量短,接地過(guò)孔應放置在(或非常接近) 元件的焊盤(pán)處。決不要讓兩個(gè)地信號共用一個(gè)接地過(guò)孔,這可能導致由于過(guò)孔連接阻抗在兩個(gè)焊盤(pán)之間產(chǎn)生串擾。