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如何在RF產品設計過程中降低信號耦合的PCB布線技巧說明

2020年01月18日 17:24 ? 次閱讀

  一輪藍牙設備、無繩電話和蜂窩電話需求高潮正促使中國電子工程師越來越關注RF電路設計技巧。RF電路板的設計是最令設計工程師感到頭疼的部分,如想一次獲得成功,仔細規劃和注重細節是必須加以高度重視的兩大關鍵設計規則。

  射頻(RF)電路板設計由于在理論上還有很多不確定性,因此常被形容為一種“黑色藝術”,但這個觀點只有部分正確,RF電路板設計也有許多可以遵循的準則和不應該被忽視的法則。不過,在實際設計時,真正實用的技巧是當這些準則和法則因各種設計約束而無法準確地實施時如何對它們進行折衷處理。

  當然,有許多重要的RF設計課題值得討論,包括阻抗和阻抗匹配、絕緣層材料和層疊板以及波長和駐波,不過,本文將集中探討與RF電路板分區設計有關的各種問題。

  今天的蜂窩電話設計以各種方式將所有的東西集成在一起,這對RF電路板設計來說很不利。現在業界競爭非常激烈,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、數字和RF電路都緊密地擠在一起,用來隔開各自問題區域的空間非常小,而且考慮到成本因素,電路板層數往往又減到最小。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、模擬和數字信號非常靠近,但它們通常在電氣上是不相干的。電源分配可能對設計者來說是一個噩夢,為了延長電池壽命,電路的不同部分是根據需要而分時工作的,并由軟件來控制轉換。這意味著你可能需要為你的蜂窩電話提供5到6種工作電源。

  一、RF布局概念

  在設計RF布局時,有幾個總的原則必須優先加以滿足:

  盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來,簡單地說,就是讓高功率RF發射電路遠離低功率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,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,而不是同時工作。高功率電路有時還可包括RF緩沖器和壓控制振蕩器(VCO)。

  確保PCB板上高功率區至少有一整塊地,最好上面沒有過孔,當然,銅皮越多越好。稍后,我們將討論如何根據需要打破這個設計原則,以及如何避免由此而可能引起的問題。

  芯片和電源去耦同樣也極為重要,稍后將討論實現這個原則的幾種方法。

  RF輸出通常需要遠離RF輸入,稍后我們將進行詳細討論。

  敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數字信號和RF信號。

  二、如何進行分區?

  設計分區可以分解為物理分區和電氣分區。物理分區主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽等問題;電氣分區可以繼續分解為電源分配、RF走線、敏感電路和信號以及接地等的分區。

  首先我們討論物理分區問題。元器件布局是實現一個優秀RF設計的關鍵,最有效的技術是首先固定位于RF路徑上的元器件,并調整其朝向以將RF路徑的長度減到最小,使輸入遠離輸出,并盡可能遠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線走在表層上。將RF路徑上的過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,并可減少RF能量泄漏到層疊板內其他區域的機會。

  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走線應盡可能走十字交叉,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PCB板設計中占大部分時間的原因。

  在蜂窩電話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。需要一些技巧來確保直通過孔不會把RF能量從板的一面傳遞到另一面,常用的技術是在兩面都使用盲孔。可以通過將直通過孔安排在PCB板兩面都不受RF干擾的區域來將直通過孔的不利影響減到最小。

  有時不太可能在多個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區域內,但金屬屏蔽罩也存在問題,例如:自身成本和裝配成本都很貴;

  外形不規則的金屬屏蔽罩在制造時很難保證高精度,長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適當距離,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,進入金屬屏蔽罩的數字信號線應該盡可能走內層,而且最好走線層的下面一層PCB是地層。RF信號線可以從金屬屏蔽罩底部的小缺口和地缺口處的布線層上走出去,不過缺口處周圍要盡可能地多布一些地,不同層上的地可通過多個過孔連在一起。

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

  此外,恰當和有效的芯片電源去耦也非常重要。許多集成了線性線路的RF芯片對電源的噪音非常敏感,通常每個芯片都需要采用高達四個電容和一個隔離電感來確保濾除所有的電源噪音(見圖1)。

  最小電容值通常取決于其自諧振頻率和低引腳電感,C4的值就是據此選擇的。C3和C2的值由于其自身引腳電感的關系而相對較大一些,從而RF去耦效果要差一些,不過它們較適合于濾除較低頻率的噪聲信號。電感L1使RF信號無法從電源線耦合到芯片中。記住:所有的走線都是一條潛在的既可接收也可發射RF信號的天線,另外將感應的射頻信號與關鍵線路隔離開也很必要。

  這些去耦元件的物理位置通常也很關鍵,圖2表示了一種典型的布局方法。這幾個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的連接走線要盡可能短,這幾個元件的接地端(尤其是C4)通常應當通過下一地層與芯片的接地引腳相連。將元件與地層相連的過孔應該盡可能靠近PCB板上元件焊盤,最好是使用打在焊盤上的盲孔以將連接線電感減到最小,電感應該靠近C1。

  一塊集成電路或放大器常常帶有一個開漏極輸出,因此需要一個上拉電感來提供一個高阻抗RF負載和一個低阻抗直流電源,同樣的原則也適用于對這一電感端的電源進行去耦。有些芯片需要多個電源才能工作,因此你可能需要兩到三套電容和電感來分別對它們進行去耦處理,如果該芯片周圍沒有足夠空間的話,那么可能會遇到一些麻煩。

  記住電感極少并行靠在一起,因為這將形成一個空芯變壓器并相互感應產生干擾信號,因此它們之間的距離至少要相當于其中一個器件的高度,或者成直角排列以將其互感減到最小。

  電氣分區原則大體上與物理分區相同,但還包含一些其它因素。現代蜂窩電話的某些部分采用不同工作電壓,并借助軟件對其進行控制,以延長電池工作壽命。這意味著蜂窩電話需要運行多種電源,而這給隔離帶來了更多的問題。電源通常從連接器引入,并立即進行去耦處理以濾除任何來自線路板外部的噪聲,然后再經過一組開關或穩壓器之后對其進行分配。

  蜂窩電話里大多數電路的直流電流都相當小,因此走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走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,需要采用多個過孔來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它進行充分的去耦,那么高功率噪聲將會輻射到整塊板上,并帶來各種各樣的問題。高功率放大器的接地相當關鍵,并經常需要為其設計一個金屬屏蔽罩。

  在大多數情況下,同樣關鍵的是確保RF輸出遠離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的相位和振幅反饋到它們的輸入端,那么它們就有可能產生自激振蕩。在最好情況下,它們將能在任何溫度和電壓條件下穩定地工作。實際上,它們可能會變得不穩定,并將噪音和互調信號添加到RF信號上。

  如果射頻信號線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端,這可能會嚴重損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圍布一圈地,其次濾波器下層區域也要布一塊地,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,否則你可能會在不知不覺之中引入一條你不希望發生的耦合通道。圖3詳細說明了這一接地辦法。

  有時可以選擇走單端或平衡RF信號線,有關交叉干擾和EMC/EMI的原則在這里同樣適用。平衡RF信號線如果走線正確的話,可以減少噪聲和交叉干擾,但是它們的阻抗通常比較高,而且要保持一個合理的線寬以得到一個匹配信號源、走線和負載的阻抗,實際布線可能會有一些困難。

  緩沖器可以用來提高隔離效果,因為它可把同一個信號分為兩個部分,并用于驅動不同的電路,特別是本振可能需要緩沖器來驅動多個混頻器。當混頻器在RF頻率處到達共模隔離狀態時,它將無法正常工作。緩沖器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化,從而電路之間不會相互干擾。

  緩沖器對設計的幫助很大,它們可以緊跟在需要被驅動電路的后面,從而使高功率輸出走線非常短,由于緩沖器的輸入信號電平比較低,因此它們不易對板上的其它電路造成干擾。

  還有許多非常敏感的信號和控制線需要特別注意,但它們超出了本文探討的范圍,因此本文僅略作論述,不再進行詳細說明。

  壓控振蕩器(VCO)可將變化的電壓轉換為變化的頻率,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換為微小的頻率變化,而這就給RF信號增加了噪聲。總的來說,在這一級以后你再也沒有辦法從RF輸出信號中將噪聲去掉。那么困難在哪里呢?首先,控制線的期望頻寬范圍可能從DC直到2MHz,而通過濾波來去掉這么寬頻帶的噪聲幾乎是不可能的;其次,VCO控制線通常是一個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。

  要確保RF走線下層的地是實心的,而且所有的元器件都牢固地連到主地上,并與其它可能帶來噪聲的走線隔離開來。此外,要確保VCO的電源已得到充分去耦,由于VCO的RF輸出往往是一個相對較高的電平,VCO輸出信號很容易干擾其它電路,因此必須對VCO加以特別注意。事實上,VCO往往布放在RF區域的末端,有時它還需要一個金屬屏蔽罩。

  諧振電路(一個用于發射機,另一個用于接收機)與VCO有關,但也有它自己的特點。簡單地講,諧振電路是一個帶有容性二極管的并行諧振電路,它有助于設置VCO工作頻率和將語音或數據調制到RF信號上。

  所有VCO的設計原則同樣適用于諧振電路。由于諧振電路含有數量相當多的元器件、板上分布區域較寬以及通常運行在一個很高的RF頻率下,因此諧振電路通常對噪聲非常敏感。信號通常排列在芯片的相鄰腳上,但這些信號引腳又需要與相對較大的電感和電容配合才能工作,這反過來要求這些電感和電容的位置必須靠得很近,并連回到一個對噪聲很敏感的控制環路上。要做到這點是不容易的。

  自動增益控制(AGC)放大器同樣是一個容易出問題的地方,不管是發射還是接收電路都會有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲,不過由于蜂窩電話具備處理發射和接收信號強度快速變化的能力,因此要求AGC電路有一個相當寬的帶寬,而這使某些關鍵電路上的AGC放大器很容易引入噪聲。

  設計AGC線路必須遵守良好的模擬電路設計技術,而這跟很短的運放輸入引腳和很短的反饋路徑有關,這兩處都必須遠離RF、IF或高速數字信號走線。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線,那么最好是在輸出端,通常輸出端的阻抗要低得多,而且也不容易感應噪聲。通常信號電平越高,就越容易把噪聲引入到其它電路。

  在所有PCB設計中,盡可能將數字電路遠離模擬電路是一條總的原則,它同樣也適用于RF PCB設計。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,問題在于如果沒有預見和事先仔細的計劃,每次你能在這方面所做的事都很少。因此在設計早期階段,仔細的計劃、考慮周全的元器件布局和徹底的布局評估都非常重要,由于疏忽而引起的設計更改將可能導致一個即將完成的設計又必須推倒重來。這一因疏忽而導致的嚴重后果,無論如何對你的個人事業發展來說不是一件好事。

  同樣應使RF線路遠離模擬線路和一些很關鍵的數字信號,所有的RF走線、焊盤和元件周圍應盡可能多填接地銅皮,并盡可能與主地相連。類似面包板的微型過孔構造板在RF線路開發階段很有用,如果你選用了構造板,那么你毋須花費任何開銷就可隨意使用很多過孔,否則在普通PCB板上鉆孔將會增加開發成本,而這在大批量生產時會增加成本。

  如果RF走線必須穿過信號線,那么盡量在它們之間沿著RF走線布一層與主地相連的地。如果不可能的話,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以將感性耦合減到最小。

  一個實心的整塊接地面直接放在表層下第一層時,隔離效果最好,盡管小心一點設計時其它的做法也管用。我曾試過把接地面分成幾塊來隔離模擬、數字和RF線路,但我從未對結果感到滿意過,因為最終總是有一些高速信號線要穿過這些分開的地,這不是一件好事。

  在PCB板的每一層,應布上盡可能多的地,并把它們連到主地面。盡可能把走線靠在一起以增加內部信號層和電源分配層的地塊數量,并適當調整走線以便你能將地連接過孔布置到表層上的隔離地塊。應當避免在PCB各層上生成游離地,因為它們會像一個小天線那樣拾取或注入噪音。在大多數情況下,如果你不能把它們連到主地,那么你最好把它們去掉。

  本文小結

  在拿到一張工程更改單(ECO)時,要冷靜,不要輕易消除你所有辛辛苦苦才完成的工作。一張ECO很輕易使你的工作陷入混亂,不管需要做的修改是多么的微小。當你必須在某個時間段里完成一份工作時,你很容易就會忘記一些關鍵的東西,更不用說要作出更改了。

  不論是不是“黑色藝術”,遵守一些基本的RF設計規則和留意一些優秀的設計實例將可幫助你完成RF設計工作。成功的RF設計必須仔細注意整個設計過程中每個步驟及每個細節才有可能實現,這意味著必須在設計開始階段就要進行徹底的、仔細的規劃,并對每個設計步驟的工作進展進行全面持續地評估。

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一博科技自媒體高速先生原創文 | 周偉 上期的文章講了高速板材的使用注意事項,本期通過一個案例來分享其中的一種板...
發表于 2020-01-09 15:38? 830次閱讀
高速板材實際應用案例

PCB負片工藝的優勢有哪些

請問PCB負片工藝的優勢有哪些?
發表于 2020-01-09 15:03? 117次閱讀
PCB負片工藝的優勢有哪些

IDC連接器的核心性能指標是什么

多年來,PCB的離散接線端子沒有太大變化,這些硬焊接或具有相應板級接頭的壓接線電纜組件雖然可靠,但絕....
發表于 2020-01-09 11:52? 121次閱讀
IDC連接器的核心性能指標是什么

LVDS技術的應用優勢及基于FPGA實現遠端顯示...

LVDS接口又稱RS-644總線接口,是20世紀90年代出現的一種數據傳輸和接口技術。LVDS是一種....
發表于 2020-01-08 16:40? 650次閱讀
LVDS技術的應用優勢及基于FPGA實現遠端顯示...
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