WiFi收發(fā)器的電源和接地設計
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一：電源布線(xiàn)和電源旁路的基本原則
設計RF電路時(shí)，電源電路的設計和電路板布局常常被留到高頻信號通路的設計完成之后。對于沒(méi)有經(jīng)過(guò)深思熟慮的設計，電路周?chē)碾娫措妷汉苋菀桩a(chǎn)生錯誤的輸出和噪聲，從而對RF電路的系統性能產(chǎn)生負面影響。合理分配PCB的板層、采用星形拓撲的VCC引線(xiàn)，并在VCC引腳加上適當的去耦電容，將有助于改善系統的性能，獲得最佳指標。合理的PCB層分配便于簡(jiǎn)化后續的布線(xiàn)處理，對于一個(gè)四層PCB (WLAN中常用的電路板)，在大多數應用中用電路板的頂層放置元器件和RF引線(xiàn)，第二層作為系統地，電源部分放置在第三層，任何信號線(xiàn)都可以分布在第四層。第二層采用不受干擾的地平面布局對于建立阻抗受控的RF信號通路非常必要，還便于獲得盡可能短的地環(huán)路，為第一層和第三層提供高度的電氣隔離，使得兩層之間的耦合最小。當然，也可以采用其它板層定義的方式(特別是在電路板具有不同的層數時(shí))，但上述結構是經(jīng)過(guò)驗證的一個(gè)成功范例。
大面積的電源層能夠使VCC布線(xiàn)變得輕松，但是，這種結構常常是導致系統性能惡化的導火索，在一個(gè)較大平面上把所有電源引線(xiàn)接在一起將無(wú)法避免引腳之間的噪聲傳輸。反之，如果使用星形拓撲則會(huì )減輕不同電源引腳之間的耦合。圖1給出了星形連接的VCC布線(xiàn)方案，該圖取自MAX2826 IEEE 802.11a/g收發(fā)器的評估板。圖中建立了一個(gè)主VCC節點(diǎn)，從該點(diǎn)引出不同分支的電源線(xiàn)，為RF IC的電源引腳供電。每個(gè)電源引腳使用獨立的引線(xiàn)，為引腳之間提供了空間上的隔離，有利于減小它們之間的耦合。另外，每條引線(xiàn)還具有一定的寄生電感，這恰好是我們所希望的，它有助于濾除電源線(xiàn)上的高頻噪聲。
圖1. 星形拓撲VCC布線(xiàn)
使用星形拓撲VCC引線(xiàn)時(shí)，還有必要采取適當的電源去耦，而去耦電容存在一定的寄生電感。事實(shí)上，電容等效為一個(gè)串聯(lián)的RLC電路，如圖2所示，電容在低頻段起主導作用，但在自激振蕩頻率(SRF)
之后，電容的阻抗將呈現出電感性。由此可見(jiàn)，電容器只是在頻率接近或低于其SRF時(shí)才具有去耦作用，在這些頻點(diǎn)電容表現為低阻。圖3給出了不同容值下的典型S11參數，從這些曲線(xiàn)可以清楚地看出它們的SRF，還可以看出電容越大，在較低頻率處所提供的去耦性能越好(所呈現的阻抗越低)。
圖2. 電容器的等效電路
圖3. 不同頻率下的電容器阻抗變化
在VCC星形拓撲的主節點(diǎn)處最好放置一個(gè)大容量的電容器，如2.2µF。該電容具有較低的SRF，對于消除低頻噪聲、建立穩定的直流電壓很有效。IC的每個(gè)電源引腳需要一個(gè)低容量的電容器(如10nF)，用來(lái)濾除可能耦合到電源線(xiàn)上的高頻噪聲。對于那些為噪聲敏感電路（例如，VCO的電源）供電的電源引腳，可能需要外接兩個(gè)旁路電容。例如：用一個(gè)10pF電容與一個(gè)10nF電容并聯(lián)提供旁路，可以提供更寬頻率范圍的去耦，盡量消除噪聲對電源電壓的影響。每個(gè)電源引腳都需要認真檢驗，以確定需要多大的去耦電容，實(shí)際電路在哪些頻點(diǎn)容易受到噪聲的干擾。
良好的電源去耦技術(shù)與嚴謹的PCB布局、VCC引線(xiàn)(星形拓撲)相結合，能夠為任何RF系統設計奠定穩固的基礎。盡管實(shí)際設計中還會(huì )存在降低系統性能指標的其它因素，但是，擁有一個(gè)“無(wú)噪聲”的電源是優(yōu)化系統性能的基本要素。
二：RF接地和過(guò)孔設計的基本原則
地層的布局和引線(xiàn)同樣是WLAN電路板設計的關(guān)鍵，它們會(huì )直接影響到電路板的寄生參數，存在降低系統性能的隱患。RF電路設計中沒(méi)有唯一的接地方案，設計中可以通過(guò)幾個(gè)途徑達到滿(mǎn)意的性能指標?？梢詫⒌仄矫婊蛞€(xiàn)分為模擬信號地和數字信號地，還可以隔離大電流或功耗較大的電路。根據以往WLAN評估板的設計經(jīng)驗，在四層板中使用單獨的接地層可以獲得較好的結果。憑借這些經(jīng)驗，用地層將RF部分與其它電路隔離開(kāi)，可以避免信號間的交叉干擾。如上所述，電路板的第二層通常作為地平面，第一層用于放置元件和RF引線(xiàn)。接地層確定后，將所有的信號地以最短的路徑連接到地層，通常用過(guò)孔將頂層的地線(xiàn)連接到地層，需要注意的是，過(guò)孔呈現為感性。過(guò)孔的物理模型如圖4所示。圖5所示為過(guò)孔精確的電氣特性模型，其中Lvia為過(guò)孔電感，Cvia為過(guò)孔PCB焊盤(pán)的寄生電容。如果采用這里所討論的地線(xiàn)布局技術(shù)，可以忽略寄生電容。一個(gè)1.6mm深、孔徑為0.2mm的過(guò)孔具有大約0.75nH的電感，在2.5GHz/5.0GHz WLAN波段的等效電抗大約為12Ω/24Ω。因此，一個(gè)接地過(guò)孔并不能夠為RF信號提供真正的接地，對于高品質(zhì)的電路板設計，應該在RF電路部分提供盡可能多的接地過(guò)孔，特別是對于通用的IC封裝中的裸露接地焊盤(pán)。不良的接地還會(huì )在接收前端或功率放大器部分產(chǎn)生輻射，降低增益和噪聲系數指標。還需注意的是，接地焊盤(pán)的不良焊接會(huì )引發(fā)同樣的問(wèn)題。除此之外，功率放大器的功耗也需要多個(gè)連接地層的過(guò)孔。
圖4. 過(guò)孔的物理模型
圖5. 過(guò)孔的電氣模型
濾除其它電路的噪聲、抑制本地產(chǎn)生的噪聲，從而消除級與級之間通過(guò)電源線(xiàn)的交叉干擾，這是VCC去耦帶來(lái)的好處。如果去耦電容使用了同一接地過(guò)孔，由于過(guò)孔與地之間的電感效應，這些連接點(diǎn)的過(guò)孔將會(huì )承載來(lái)自?xún)蓚€(gè)電源的全部RF干擾，不僅喪失了去耦電容的功能，而且還為系統中的級間噪聲耦合提供了另外一條通路。
在本文第三部分的討論中將會(huì )看到，PLL的實(shí)現在系統設計中總是面臨巨大挑戰，要想獲得滿(mǎn)意的雜散特性必須有良好的地線(xiàn)布局。目前，IC設計中將所有的PLL和VCO都集成到了芯片內部，大多數PLL都利用數字電流電荷泵輸出通過(guò)一個(gè)環(huán)路濾波器控制VCO。通常，需要用二階或三階的RC環(huán)路濾波器濾除電荷泵的數字脈沖電流，得到模擬控制電壓?？拷姾杀幂敵龅膬蓚€(gè)電容必須直接與電荷泵電路的地連接。這樣，可以隔離地回路的脈沖電流通路，盡量減小LO中相應的雜散頻率。第三個(gè)電容(對于三階濾波器)應該直接與VCO的地層連接，以避免控制電壓隨數字電流浮動(dòng)。如果違背這些原則，將會(huì )導致相當大的雜散成分。
圖6所示為PCB布線(xiàn)的一個(gè)范例，在接地焊盤(pán)上有許多接地過(guò)孔，允許每個(gè)VCC去耦電容有其獨立的接地過(guò)孔。方框內的電路是PLL環(huán)路濾波器，第一個(gè)電容直接與GND_CP相連，第二個(gè)電容(與一個(gè)R串聯(lián))旋轉180度，返回到相同的GND_CP，第三個(gè)電容則與GND_VCO相連。這種接地方案可以獲得較高的系統性能。
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