RF電路板分區(qū)設計中PCB布局布線技巧介紹

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?，F(xiàn)在業(yè)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(shù)字和RF電路都緊密地擠在一起，用來隔開各自問題區(qū)域的空間非常小，而且考慮到成本因素，電路板層數(shù)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(shù)字信號非?？拷?，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(jù)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。
　　在設計RF布局時，有幾個總的原則必須優(yōu)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(fā)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(qū)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(jù)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(xiàn)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(shù)字信號和RF信號。
　　如何進行分區(qū)？
　　設計分區(qū)可以分解為物理分區(qū)和電氣分區(qū)。物理分區(qū)主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽等問題；電氣分區(qū)可以繼續(xù)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(qū)。
　　首先我們討論物理分區(qū)問題。元器件布局是實現(xiàn)一個優(yōu)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(qū)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(qū)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?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB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?zhèn)鬟f到另一面，常用的技術是在兩面都使用盲孔?？梢酝ㄟ^將直通過孔安排在PCB板兩面都不受RF干擾的區(qū)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(qū)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(guī)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(shù)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)。
　　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(jù)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(fā)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，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(chǎn)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(qū)原則大體上與物理分區(qū)相同，但還包含一些其它因素。現(xiàn)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(jīng)過一組開關或穩(wěn)壓器之后對其進行分配。
　　蜂窩電話里大多數(shù)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(jīng)常需要為其設計一個金屬屏蔽罩。
　　在大多數(shù)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?shù)南辔缓驼穹答伒剿鼈兊妮斎攵?，那么它們就有可能產(chǎn)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(wěn)定地工作。實際上，它們可能會變得不穩(wěn)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(qū)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(fā)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(tài)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?？偟膩碚f，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。