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PCB布线抗干扰RFPCB布线技巧.doc

PCB布线抗干扰RFPCB布线技巧

风的记忆
2018-09-06 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《PCB布线抗干扰RFPCB布线技巧doc》,可适用于工程科技领域

RF设计过程中降低信号耦合的PCB布线技巧新一轮蓝牙设备、无绳电话和蜂窝电话需求高潮正促使中国电子工程师越来越关注RF电路设计技巧。RF电路板的设计是最令设计工程师感到头疼的部分如想一次获得成功仔细规划和注重细节是必须加以高度重视的两大关键设计规则。   射频(RF)电路板设计由于在理论上还有很多不确定性因此常被形容为一种“黑色艺术”但这个观点只有部分正确RF电路板设计也有许多可以遵循的准则和不应该被忽视的法则。不过在实际设计时真正实用的技巧是当这些准则和法则因各种设计约束而无法准确地实施时如何对它们进行折衷处理。   当然有许多重要的RF设计课题值得讨论包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层叠板以及波长和驻波不过本文将集中探讨与RF电路板分区设计有关的各种问题。   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到种工作电源。   RF布局概念   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RFIF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C的值就是据此选择的。C和C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L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:C要尽可能靠近IC引脚并接地C必须最靠近CC必须最靠近C而且IC引脚与C的连接走线要尽可能短这几个元件的接地端(尤其是C)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C。   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EMCEMI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MHz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。   谐振电路(一个用于发射机另一个用于接收机)与VCO有关但也有它自己的特点。简单地讲谐振电路是一个带有容性二极管的并行谐振电路它有助于设置VCO工作频率和将语音或数据调制到RF信号上。   所有VCO的设计原则同样适用于谐振电路。由于谐振电路含有数量相当多的元器件、板上分布区域较宽以及通常运行在一个很高的RF频率下因此谐振电路通常对噪声非常敏感。信号通常排列在芯片的相邻脚上但这些信号引脚又需要与相对较大的电感和电容配合才能工作这反过来要求这些电感和电容的位置必须靠得很近并连回到一个对噪声很敏感的控制环路上。要做到这点是不容易的。   自动增益控制(AGC)放大器同样是一个容易出问题的地方不管是发射还是接收电路都会有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地滤掉噪声不过由于蜂窝电话具备处理发射和接收信号强度快速变化的能力因此要求AGC电路有一个相当宽的带宽而这使某些关键电路上的AGC放大器很容易引入噪声。   设计AGC线路必须遵守良好的模拟电路设计技术而这跟很短的运放输入引脚和很短的反馈路径有关这两处都必须远离RF、IF或高速数字信号走线。同样良好的接地也必不可少而且芯片的电源必须得到良好的去耦。如果必须要在输入或输出端走一根长线那么最好是在输出端通常输出端的阻抗要低得多而且也不容易感应噪声。通常信号电平越高就越容易把噪声引入到其它电路。   在所有PCB设计中尽可能将数字电路远离模拟电路是一条总的原则它同样也适用于RFPCB设计。公共模拟地和用于屏蔽和隔开信号线的地通常是同等重要的问题在于如果没有预见和事先仔细的计划每次你能在这方面所做的事都很少。因此在设计早期阶段仔细的计划、考虑周全的元器件布局和彻底的布局评估都非常重要由于疏忽而引起的设计更改将可能导致一个即将完成的设计又必须推倒重来。这一因疏忽而导致的严重后果无论如何对你的个人事业发展来说不是一件好事。   同样应使RF线路远离模拟线路和一些很关键的数字信号所有的RF走线、焊盘和元件周围应尽可能多填接地铜皮并尽可能与主地相连。类似面包板的微型过孔构造板在RF线路开发阶段很有用如果你选用了构造板那么你毋须花费任何开销就可随意使用很多过孔否则在普通PCB板上钻孔将会增加开发成本而这在大批量生产时会增加成本。   如果RF走线必须穿过信号线那么尽量在它们之间沿着RF走线布一层与主地相连的地。如果不可能的话一定要保证它们是十字交叉的这可将容性耦合减到最小同时尽可能在每根RF走线周围多布一些地并把它们连到主地。此外将并行RF走线之间的距离减到最小可以将感性耦合减到最小。一个实心的整块接地面直接放在表层下第一层时隔离效果最好尽管小心一点设计时其它的做法也管用。我曾试过把接地面分成几块来隔离模拟、数字和RF线路但我从未对结果感到满意过因为最终总是有一些高速信号线要穿过这些分开的地这不是一件好事。   在PCB板的每一层应布上尽可能多的地并把它们连到主地面。尽可能把走线靠在一起以增加内部信号层和电源分配层的地块数量并适当调整走线以便你能将地连接过孔布置到表层上的隔离地块。应当避免在PCB各层上生成游离地因为它们会像一个小天线那样拾取或注入噪音。在大多数情况下如果你不能把它们连到主地那么你最好把它们去掉。   本文小结   在拿到一张工程更改单(ECO)时要冷静不要轻易消除你所有辛辛苦苦才完成的工作。一张ECO很轻易使你的工作陷入混乱不管需要做的修改是多么的微小。当你必须在某个时间段里完成一份工作时你很容易就会忘记一些关键的东西更不用说要作出更改了。   不论是不是“黑色艺术”遵守一些基本的RF设计规则和留意一些优秀的设计实例将可帮助你完成RF设计工作。成功的RF设计必须仔细注意整个设计过程中每个步骤及每个细节才有可能实现这意味着必须在设计开始阶段就要进行彻底的、仔细的规划并对每个设计步骤的工作进展进行全面持续地评估。   作者AndyKowalewski是NorthTexasChapter公司总裁拥有多年PCB设计经验设计领域包括高频、甚高频、超高频通信、雷达和航海导航目前与NEC美国公司合作设计蜂窝电话他还是IPC执行董事并担任NorthTexasChapter公司总裁。

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