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1、射频(RF)电路板分区设计中PCB布局布线技巧.txt小时候觉得父亲不简单，后来觉得自己不简单，再后来觉得自己孩子不简单。越是想知道自己是不是忘记的时候，反而记得越清楚。 本文由lzhmemory贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 射频(RF) 射频(RF)电路板分区设计中 PCB 布局布线技巧 日期:09-03-12 来源:http:/ 作者:Jenny 热度:36 么是 RF,IF 信号. 楼上的回答意思是对的,但我觉得不是很专业. 1,信号不一定就是电流,现在通讯行业,很多信号是以电压的形式存在. 2,对射频和中频的区分不详细. 在
2、无线通讯系统中,根据频率,可以分成射频,中频和基带信号.射频重要用于信号在空间 的传输, 基带信号是基站等数字设备可以处理的信号, 中频是从射频变化到基带信号的过渡 频率.以前的系统一般是从射频直接变到基带.现在的新的系统是 射频-中频-基带 称为 两次变频. 射频: 500M Hz 中频:50MHz 500MHz 基带: 50MHz 上面的分类只是提供参考,这三种频段并没有一个绝对的界线. 今天的蜂窝电话设计以各种方式将所有的东西集成在一起,这对 RF 电路板设计来说很不利.现在业 界竞争非常激烈,人人都在找办法用最小的尺寸和最小的成本集成最多的功能.模拟,数字和 RF 电路都 紧密地挤在一
3、起,用来隔开各自问题区域的空间非常小,而且考虑到成本因素,电路板层数往往又减到最 小.令人感到不可思议的是,多用途芯片可将多种功能集成在一个非常小的裸片上,而且连接外界的引脚 之间排列得又非常紧密,因此 RF,IF,模拟和数字信号非常靠近,但它们通常在电气上是不相干的.电源 分配可能对设计者来说是一个噩梦,为了延长电池寿命,电路的不同部分是根据需要而分时工作的,并由 软件来控制转换.这意味着你可能需要为你的蜂窝电话提供 5 到 6 种工作电源. 在设计 RF 布局时,有几个总的原则必须优先加以满足: 尽可能地把高功率 RF 放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔离开来,简单地说,就是让高功
4、率 RF 发射 电路远离低功率 RF 接收电路.如果你的 PCB 板上有很多物理空间,那么你可以很容易地做到这一点,但 通常元器件很多,PCB 空间较小,因而这通常是不可能的.你可以把他们放在 PCB 板的两面,或者让它 们交替工作,而不是同时工作.高功率电路有时还可包括 RF 缓冲器和压控制振荡器(VCO). 确保 PCB 板上高功率区至少有一整块地,最好上面没有过孔,当然,铜皮越多越好.稍后,我们将讨 论如何根据需要打破这个设计原则,以及如何避免由此而可能引起的问题. 芯片和电源去耦同样也极为重要,稍后将讨论实现这个原则的几种方法. RF 输出通常需要远离 RF 输入,稍后我们将进行详细讨
5、论. 敏感的模拟信号应该尽可能远离高速数字信号和 RF 信号. 如何进行分区? 设计分区可以分解为物理分区和电气分区.物理分区主要涉及元器件布局,朝向和屏蔽等问题;电气 分区可以继续分解为电源分配,RF 走线,敏感电路和信号以及接地等的分区. 首先我们讨论物理分区问题.元器件布局是实现一个优秀 RF 设计的关键,最有效的技术是首先固定 位于 RF 路径上的元器件,并调整其朝向以将 RF 路径的长度减到最小,使输入远离输出,并尽可能远地分 离高功率电路和低功率电路. 最有效的电路板堆叠方法是将主接地面(主地)安排在表层下的第二层,并尽可能将 RF 线走在表层上. 将 RF 路径上的过孔尺寸减到最
6、小不仅可以减少路径电感,而且还可以减少主地上的虚焊点,并可减少 RF 能量泄漏到层叠板内其他区域的机会. 在物理空间上,像多级放大器这样的线性电路通常足以将多个 RF 区之间相互隔离开来,但是双工器, 混频器和中频放大器/混频器总是有多个 RF/IF 信号相互干扰,因此必须小心地将这一影响减到最小.RF 与 IF 走线应尽可能走十字交叉,并尽可能在它们之间隔一块地.正确的 RF 路径对整块 PCB 板的性能而言 非常重要,这也就是为什么元器件布局通常在蜂窝电话 PCB 板设计中占大部分时间的原因. 在蜂窝电话 PCB 板上,通常可以将低噪音放大器电路放在 PCB 板的某一面,而高功率放大器放在
7、另 一面,并最终通过双工器把它们在同一面上连接到 RF 端和基带处理器端的天线上.需要一些技巧来确保 直通过孔不会把 RF 能量从板的一面传递到另一面,常用的技术是在两面都使用盲孔.可以通过将直通过 孔安排在 PCB 板两面都不受 RF 干扰的区域来将直通过孔的不利影响减到最小. 有时不太可能在多个电路块之间保证足够的隔离,在这种情况下就必须考虑采用金属屏蔽罩将射频能 量屏蔽在 RF 区域内,但金属屏蔽罩也存在问题,例如:自身成本和装配成本都很贵; 外形不规则的金属屏蔽罩在制造时很难保证高精度,长方形或正方形金属屏蔽罩又使元器件布局受到 一些限制;金属屏蔽罩不利于元器件更换和故障定位;由于金属
8、屏蔽罩必须焊在地上,必须与元器件保持 一个适当距离,因此需要占用宝贵的 PCB 板空间. 尽可能保证屏蔽罩的完整非常重要,进入金属屏蔽罩的数字信号线应该尽可能走内层,而且最好走线 层的下面一层 PCB 是地层.RF 信号线可以从金属屏蔽罩底部的小缺口和地缺口处的布线层上走出去,不 过缺口处周围要尽可能地多布一些地,不同层上的地可通过多个过孔连在一起. 尽管有以上的问题,但是金属屏蔽罩非常有效,而且常常还是隔离关键电路的唯一解决方案. 此外,恰当和有效的芯片电源去耦也非常重要.许多集成了线性线路的 RF 芯片对电源的噪音非常敏 感,通常每个芯片都需要采用高达四个电容和一个隔离电感来确保滤除所有的
9、电源噪音). 最小电容值通常取决于其自谐振频率和低引脚电感,C4 的值就是据此选择的.C3 和 C2 的值由于其自 身引脚电感的关系而相对较大一些,从而 RF 去耦效果要差一些,不过它们较适合于滤除较低频率的噪声 信号.电感 L1 使 RF 信号无法从电源线耦合到芯片中.记住:所有的走线都是一条潜在的既可接收也可发 射 RF 信号的天线,另外将感应的射频信号与关键线路隔离开也很必要. 这些去耦元件的物理位置通常也很关键,这几个重要元件的布局原则是:C4 要尽可能靠近 IC 引脚并 接地,C3 必须最靠近 C4,C2 必须最靠近 C3,而且 IC 引脚与 C4 的连接走线要尽可能短,这几个元件的
10、 接地端(尤其是 C4)通常应当通过下一地层与芯片的接地引脚相连.将元件与地层相连的过孔应该尽可能靠 近 PCB 板上元件焊盘,最好是使用打在焊盘上的盲孔以将连接线电感减到最小,电感应该靠近 C1. 一块集成电路或放大器常常带有一个开漏极输出,因此需要一个上拉电感来提供一个高阻抗 RF 负载 和一个低阻抗直流电源,同样的原则也适用于对这一电感端的电源进行去耦.有些芯片需要多个电源才能 工作,因此你可能需要两到三套电容和电感来分别对它们进行去耦处理,如果该芯片周围没有足够空间的 话,那么可能会遇到一些麻烦. 记住电感极少并行靠在一起,因为这将形成一个空芯变压器并相互感应产生干扰信号,因此它们之间
11、 的距离至少要相当于其中一个器件的高度,或者成直角排列以将其互感减到最小. 电气分区原则大体上与物理分区相同,但还包含一些其它因素.现代蜂窝电话的某些部分采用不同工 作电压,并借助软件对其进行控制,以延长电池工作寿命.这意味着蜂窝电话需要运行多种电源,而这给 隔离带来了更多的问题.电源通常从连接器引入,并立即进行去耦处理以滤除任何来自线路板外部的噪声, 然后再经过一组开关或稳压器之后对其进行分配. 蜂窝电话里大多数电路的直流电流都相当小,因此走线宽度通常不是问题,不过,必须为高功率放大 器的电源单独走一条尽可能宽的大电流线,以将传输压降减到最低.为了避免太多电流损耗,需要采用多 个过孔来将电流
12、从某一层传递到另一层.此外,如果不能在高功率放大器的电源引脚端对它进行充分的去 耦,那么高功率噪声将会辐射到整块板上,并带来各种各样的问题.高功率放大器的接地相当关键,并经 常需要为其设计一个金属屏蔽罩. 在大多数情况下,同样关键的是确保 RF 输出远离 RF 输入.这也适用于放大器,缓冲器和滤波器.在 最坏情况下,如果放大器和缓冲器的输出以适当的相位和振幅反馈到它们的输入端,那么它们就有可能产 生自激振荡.在最好情况下,它们将能在任何温度和电压条件下稳定地工作.实际上,它们可能会变得不 稳定,并将噪音和互调信号添加到 RF 信号上. 如果射频信号线不得不从滤波器的输入端绕回输出端,这可能会严
13、重损害滤波器的带通特性.为了使 输入和输出得到良好的隔离,首先必须在滤波器周围布一圈地,其次滤波器下层区域也要布一块地,并与 围绕滤波器的主地连接起来.把需要穿过滤波器的信号线尽可能远离滤波器引脚也是个好方法.此外,整 块板上各个地方的接地都要十分小心,否则你可能会在不知不觉之中引入一条你不希望发生的耦合通道. 图 3 详细说明了这一接地办法. 有时可以选择走单端或平衡 RF 信号线,有关交叉干扰和 EMC/EMI 的原则在这里同样适用.平衡 RF 信号线如果走线正确的话,可以减少噪声和交叉干扰,但是它们的阻抗通常比较高,而且要保持一个合理 的线宽以得到一个匹配信号源,走线和负载的阻抗,实际布
14、线可能会有一些困难. 缓冲器可以用来提高隔离效果,因为它可把同一个信号分为两个部分,并用于驱动不同的电路,特别 是本振可能需要缓冲器来驱动多个混频器.当混频器在 RF 频率处到达共模隔离状态时,它将无法正常工 作.缓冲器可以很好地隔离不同频率处的阻抗变化,从而电路之间不会相互干扰. 缓冲器对设计的帮助很大,它们可以紧跟在需要被驱动电路的后面,从而使高功率输出走线非常短, 由于缓冲器的输入信号电平比较低,因此它们不易对板上的其它电路造成干扰. 还有许多非常敏感的信号和控制线需要特别注意,但它们超出了本文探讨的范围,因此本文仅略作论 述,不再进行详细说明. 压控振荡器(VCO)可将变化的电压转换为
15、变化的频率,这一特性被用于高速频道切换,但它们同样也 将控制电压上的微量噪声转换为微小的频率变化,而这就给 RF 信号增加了噪声.总的来说,在这一级以 后你再也没有办法从 RF 输出信号中将噪声去掉.那么困难在哪里呢?首先,控制线的期望频宽范围可能 从 DC 直到 2MHz,而通过滤波来去掉这么宽频带的噪声几乎是不可能的;其次,VCO 控制线通常是一个 控制频率的反馈回路的一部分,它在很多地方都有可能引入噪声,因此必须非常小心处理 VCO 控制线. 要确保 RF 走线下层的地是实心的,而且所有的元器件都牢固地连到主地上,并与其它可能带来噪声 的走线隔离开来.此外,要确保 VCO 的电源已得到充
16、分去耦,由于 VCO 的 RF 输出往往是一个相对较高 的电平,VCO 输出信号很容易干扰其它电路,因此必须对 VCO 加以特别注意.事实上,VCO 往往布放在 RF 区域的末端,有时它还需要一个金属屏蔽罩. 编辑本段 编辑本段 编辑本段 简介 锁相环 (phase-locked loop) PLL 原理框图 为无线电发射中使频率较为稳定的一种方法,主要有 VCO(压控振荡器)和 PLL IC ,压 控振荡器给出一个信号,一部分作为输出,另一部分通过分频与 PLL IC 所产生的本振 信号作相位比较,为了保持频率不变,就要求相位差不发生改变,如果有相位差的变化, 则 PLL IC 的电压输出端的电压发生变化,去控制 VCO,直到相位差恢复!达到锁频的目 的!能使受控振荡器的频率和相位均与输入信号保持确定关系的闭环电子电路. 锁相环由鉴相器,环路滤波器和压控振荡器组成.鉴相器用来鉴别输入信号 Ui 与输
