- 基于 RF 電路設(shè)計(jì)中的常見問題及解決方案
- 采用合適的微控制器和天線
- 去耦的引腳處都應(yīng)采用電容去耦
單片射頻器件大大方便了一定范圍內(nèi)無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用,采用合適的微控制器和天線并結(jié)合此收發(fā)器件即可構(gòu)成完整的無線通信鏈路。它們可以集成在一塊很小的電路板上,應(yīng)用于無線數(shù)字音頻、數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),無線遙控和遙測(cè)系統(tǒng),無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),無線網(wǎng)絡(luò)以及無線安全防范系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。
1 數(shù)字電路與模擬電路的潛在矛盾
如果模擬電路(射頻) 和數(shù)字電路(微控制器) 單獨(dú)工作可能各自工作良好,但是一旦將兩者放在同一塊電路板上,使用同一個(gè)電源供電一起工作,整個(gè)系統(tǒng)很可能就會(huì)不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)頻繁的在地和正電源(大小3 V) 之間擺動(dòng),而且周期特別短,常常是ns 級(jí)的。由于較大的振幅和較小的切換時(shí)間,使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量的且獨(dú)立于切換頻率的高頻成分。而在模擬部分,從天線調(diào)諧回路傳到無線設(shè)備接收部分的信號(hào)一般小于1μV。因此數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)之間的差別將達(dá)到10-6(120 dB) 。顯然,如果數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)不能很好的分離,微弱的射頻信號(hào)可能遭到破壞,這樣一來,無線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化,甚至完全不能工作。
2 RF 電路和數(shù)字電路做在同塊PCB 上的常見問題
不能充分的隔離敏感線路和噪聲信號(hào)線是常常出現(xiàn)的問題。如上所述,數(shù)字信號(hào)具有高的擺幅并包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數(shù)字信號(hào)布線鄰近敏感的模擬信號(hào),高頻諧波可能會(huì)耦合過去。RF 器件的最敏感節(jié)點(diǎn)通常為鎖相環(huán)( PLL) 的環(huán)路濾波電路,外接的壓控振蕩器(VCO) 電感,晶振基準(zhǔn)信號(hào)和天線端子,電路的這些部分應(yīng)該特別仔細(xì)處理。
(1) 供電電源噪聲
由于輸入/ 輸出信號(hào)有幾V 的擺幅,數(shù)字電路對(duì)于電源噪聲(小于50 mV) 一般可以接受。而模擬電路對(duì)于電源噪聲卻相當(dāng)敏感,尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。因此,在包含RF(或其他模擬) 電路的PCB 板上的電源線布線必須比在普通數(shù)字電路板上布線更加仔細(xì),應(yīng)避免采用自動(dòng)布線。同時(shí)也應(yīng)注意到,微控制器(或其他數(shù)字電路) 會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸入大部分電流,這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS 工藝設(shè)計(jì)。因此,假設(shè)一個(gè)微控制器以1 MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行,它將以此頻率從電源提取(脈沖) 電流,如果不采取合適的電源去耦,必將引起電源線上的電壓毛刺。如果這些電壓毛刺到達(dá)電路RF 部分的電源引腳,嚴(yán)重的可能導(dǎo)致工作失效,因此必須保證將模擬電源線與數(shù)字電路區(qū)域隔開。
(2) 不合理的地線
RF 電路板應(yīng)該總是布有與電源負(fù)極相連的地線層,如果處理不當(dāng),可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對(duì)于一個(gè)數(shù)字電路設(shè)計(jì)者來說這也許難于理解,因?yàn)榧词箾]有地線層,大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在RF 頻段,即使一根很短的線也會(huì)如電感一樣作用。粗略計(jì)算,每mm 長度的電感量約為1 nH , 434 MHz 時(shí)10 mmPCB 線路的感抗約為27 Ω。如果不采用地線層,大多數(shù)地線將會(huì)較長,電路將無法保證設(shè)計(jì)特性。
(3) 天線對(duì)其他模擬部分的輻射
在包含射頻和其他部分的電路中,這一點(diǎn)經(jīng)常被忽略。除了RF 部分,板上通常還有其他模擬電路。例如,許多微控制器內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 用于測(cè)量模擬輸入以及電池電壓或其他參數(shù)。如果射頻發(fā)送器的天線位于此PCB 附近(或就在此PCB 上) ,發(fā)出的高頻信號(hào)可能會(huì)到達(dá)ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線路都可能如天線一樣發(fā)出或接收RF 信號(hào)。如果ADC 輸入端處理不合理,RF 信號(hào)可能在ADC 輸入的ESD 二極管內(nèi)自激,從而引起ADC 的偏差。
3 RF 電路和數(shù)字電路做在同塊PCB 上的解決方案
以下給出在大多數(shù)RF 應(yīng)用中的一些通用設(shè)計(jì)和布線策略。然而,遵循實(shí)際應(yīng)用中RF 器件的布線建議更為重要。
(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多個(gè)過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)接地過孔,這可能導(dǎo)致由于過孔連接阻抗在兩個(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,過孔的感抗也在同樣范圍。串聯(lián)的電容和過孔對(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。
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(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(如圖1所示) 。星形布線———電路板上各模塊具有各自的來自公共供電電源點(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)隔開來自數(shù)字
部分和來自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)器或開關(guān)電源穩(wěn)壓器。
圖1 電源的星形布線
(5) 合理安排PCB 布局
為減小來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,線纜長度應(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線數(shù)字音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),無線遙控、遙測(cè)系統(tǒng),無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),無線網(wǎng)絡(luò)以及無線安全防范系統(tǒng)等設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員解決無線應(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發(fā)者縮短開發(fā)周期,避免走不必要的彎路,節(jié)省人力和財(cái)力。
