地線層面 - RF電路和數(shù)字電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)問(wèn)題

(1) 一個(gè)可靠的地線層面

當(dāng)設(shè)計(jì)有RF 元件的PCB 時(shí),應(yīng)該總是采用一個(gè)可靠的地線層。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(yīng)直接連接在此地線層。由于地線層的低阻抗,已被去耦的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間將不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)耦合。對(duì)于板上多個(gè)信號(hào)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(hào)布線在元件安裝面的同一面,地線層則在其反面。理想的地線層應(yīng)覆蓋整個(gè)PCB ( 除了天線PCB 下方) 。如果采用兩層以上的PCB ,地線層應(yīng)放置在鄰近信號(hào)層的層上(如元件面的下一層) 。另一個(gè)好方法是將信號(hào)布線層的空余部分也用地線平面填充,這些地線平面必須通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與主地線層面連接。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(xì)考慮的。

(2) 縮短與地線層的連接距離

所有對(duì)地線層的連接必須盡量短,接地過(guò)孔應(yīng)放置在(或非常接近) 元件的焊盤處。決不要讓兩個(gè)地信號(hào)共用一個(gè)接地過(guò)孔,這可能導(dǎo)致由于過(guò)孔連接阻抗在兩個(gè)焊盤之間產(chǎn)生串?dāng)_。

(3) RF 去耦

去耦電容應(yīng)該放置在盡可能靠近引腳的位置,每個(gè)需要去耦的引腳處都應(yīng)采用電容去耦。采用高品質(zhì)的陶瓷電容,介電類型最好是" NPO" , " X7R" 在大多數(shù)應(yīng)用中也能較好工作。理想的選擇電容值應(yīng)使其串聯(lián)諧振等于信號(hào)頻率。例如434 MHz 時(shí),SMD 貼裝的100 p F 電容將良好工作,此頻率時(shí),電容的容抗約為4 Ω,過(guò)孔的感抗也在同樣范圍。串聯(lián)的電容和過(guò)孔對(duì)于信號(hào)頻率形成一個(gè)陷波濾波器,使之能有效的去耦。868 MHz 時(shí),33 p F 電容是一個(gè)理想的選擇。除了RF 去耦的小值電容,一個(gè)大值電容也應(yīng)放置在電源線路上去耦低頻,可選擇一個(gè)2. 2 μF陶瓷或10μF 的鉭電容。

(4) 電源的星形布線

星形布線是模擬電路設(shè)計(jì)中眾所周知的技巧 。星形布線———電路板上各模塊具有各自的來(lái)自公共供電電源點(diǎn)的電源線路。在這種情況下,星形布線意味著電路的數(shù)字部分和RF 部分應(yīng)有各自的電源線路,這些電源線應(yīng)在靠近IC 處分別去耦。這是一個(gè)隔開(kāi)來(lái)自數(shù)字

部分和來(lái)自RF 部分電源噪聲的有效方法。如果將有嚴(yán)重噪聲的模塊置于同一電路板上,可以將電感(磁珠) 或小阻值電阻(10 Ω) 串聯(lián)在電源線和模塊之間,并且必須采用至少10 μF 的鉭電容作這些模塊的電源去耦。這樣的模塊如RS 232 驅(qū)動(dòng)器或開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)壓器。

(5) 合理安排PCB 布局

為減小來(lái)自噪聲模塊及周邊模擬部分的干擾,各電路模塊在板上的布局是重要的。應(yīng)總是將敏感的模塊( RF部分和天線) 遠(yuǎn)離噪聲模塊(微控制器和RS 232 驅(qū)動(dòng)器)以避免干擾。

(6) 屏蔽RF 信號(hào)對(duì)其他模擬部分的影響

如上所述,RF 信號(hào)在發(fā)送時(shí)會(huì)對(duì)其他敏感模擬電路模塊如ADC 造成干擾。大多數(shù)問(wèn)題發(fā)生在較低的工作頻段(如27 MHz) 以及高的功率輸出水平。用RF 去耦電容(100P F) 連接到地來(lái)去耦敏感點(diǎn)是一個(gè)好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

(7) 在板環(huán)形天線的特別考慮

天線可以整體做在PCB 上。對(duì)比傳統(tǒng)的鞭狀天線,不僅節(jié)省空間和生產(chǎn)成本,機(jī)構(gòu)上也更穩(wěn)固可靠。慣例中,環(huán)形天線(loop antenna) 設(shè)計(jì)應(yīng)用于相對(duì)較窄的帶寬,這有助于抑制不需要的強(qiáng)信號(hào)以免干擾接收器。應(yīng)注意到環(huán)形天線(正如所有其他天線) 可能收到由附近噪聲信號(hào)線路容性耦合的噪聲。它會(huì)干擾接收器,也可能影響發(fā)送器的調(diào)制。因此在天線附近一定不要布數(shù)字信號(hào)線路,并建議在天線周圍保持自由空間。接近天線的任何物體都將構(gòu)成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)的一部分,而導(dǎo)致天線調(diào)諧偏離預(yù)想的頻點(diǎn),使收發(fā)輻射范圍(距離) 減小。對(duì)于所有的各類天線必須注意這一事實(shí),電路板的外殼(外圍包裝) 也可能影響天線調(diào)諧。同時(shí)應(yīng)注意去除天線面積處的地線層面,否則天線不能有效工作。

(8) 電路板的連接

如果用電纜將RF 電路板連接到外部數(shù)字電路,應(yīng)使用雙絞線纜。每一根信號(hào)線必須和GND 線雙絞在一起(DIN/ GND , DOUT/ GND , CS/ GND , PWR _ UP/ GND) 。切記將RF 電路板和數(shù)字應(yīng)用電路板用雙絞線纜的GND線連接起來(lái),線纜長(zhǎng)度應(yīng)盡量短。給RF 電路板供電的線路也必須與GND 雙絞(VDD/ GND) 。

4 　結(jié)論

迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事無(wú)線數(shù)字音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),無(wú)線遙控、遙測(cè)系統(tǒng),無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線安全防范系統(tǒng)等設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員解決無(wú)線應(yīng)用的瓶頸提供了最大的可能。同時(shí),射頻電路的設(shè)計(jì)又要求設(shè)計(jì)者具有一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和工程設(shè)計(jì)能力。本文是筆者在實(shí)際開(kāi)發(fā)中總結(jié)的經(jīng)驗(yàn),希望可以幫助眾多射頻集成電路開(kāi)發(fā)者縮短開(kāi)發(fā)周期,避免走不必要的彎路,節(jié)省人力和財(cái)力。