射頻集成電路的設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析

　　盡管貴為“電子之母”，過(guò)去國(guó)內(nèi)對(duì)PCB電路板產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的重視程度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家，所幸這種局面現(xiàn)在已有很大改觀。今年8月30日將在深圳會(huì)展中心舉辦的CS Show 2016作為國(guó)內(nèi)專業(yè)展示PCB產(chǎn)品技術(shù)和解決方案的平臺(tái)，憑借專業(yè)專注的辦展理念，以及超強(qiáng)鏈接上下游產(chǎn)業(yè)的能力，在業(yè)內(nèi)具有較強(qiáng)影響力。本屆展會(huì)主辦方將全面展示PCB、FPC、HDI、MPCB、IC載板等電路板，將再次填補(bǔ)國(guó)內(nèi)沒(méi)有專業(yè)電路板展會(huì)的空白。PCB電路板的布局設(shè)計(jì)一直是考驗(yàn)PCB工程師的一大難題，這其中射頻電路板的設(shè)計(jì)更加是難上加難，今天我們就先來(lái)分享一些RF電路的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

　　迅速發(fā)展的射頻集成電路為從事各類無(wú)線通信的工程技術(shù)人員提供了廣闊的前景。如果RF電路的地線處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對(duì)于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，即使沒(méi)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，即使一根很短的地線也會(huì)如電感器一樣作用。粗略地計(jì)算，每毫米長(zhǎng)度的電感量約為l nH，433 MHz時(shí)10 to PCB線路的感抗約27Ω。如果不采用地線層，大多數(shù)地線將會(huì)較長(zhǎng)，電路將無(wú)法具有設(shè)計(jì)的特性。由此可知RF電路設(shè)計(jì)上的困難。

　　RF電路設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題

　　1.數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾

　　如果模擬電路（射頻）和數(shù)字電路單獨(dú)工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上，使用同一個(gè)電源一起工作，整個(gè)系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)頻繁地在地和正電源（》3 V）之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是納秒級(jí)的。由于較大的振幅和較短的切換時(shí)間。使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量且獨(dú)立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無(wú)線調(diào)諧回路傳到無(wú)線設(shè)備接收部分的信號(hào)一般小于lμV。因此數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)之間的差別會(huì)達(dá)到120 dB。顯然，如果不能使數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)很好地分離。微弱的射頻信號(hào)可能遭到破壞，這樣一來(lái)，無(wú)線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作。

　　2. 供電電源的噪聲干擾

　　射頻電路對(duì)于電源噪聲相當(dāng)敏感，尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸人大部分電流，這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS工藝制造。因此，假設(shè)一個(gè)微控制器以lMHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行，它將以此頻率從電源提取電流。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)重時(shí)可能導(dǎo)致工作失效。

　　3. 天線對(duì)其他模擬電路部分的輻射干擾

　　在PCB電路設(shè)計(jì)中，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模，數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）。射頻發(fā)送器的天線發(fā)出的高頻信號(hào)可能會(huì)到達(dá)ADC的模擬輸入端。因?yàn)槿魏坞娐肪€路都可能如天線一樣發(fā)出或接收RF信號(hào)。如果ADC輸入端的處理不合理，RF信號(hào)可能在ADC輸入的 ESD二極管內(nèi)自激。從而引起ADC偏差。

　　RF電路設(shè)計(jì)原則及方案

　　1. RF布局概念

　　在設(shè)計(jì)RF布局時(shí)，必須優(yōu)先滿足以下幾個(gè)總原則：

　　盡可能地把高功率RF放大器（HPA）和低噪音放大器（LNA）隔離開(kāi)來(lái)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是讓高功率RF發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率RF接收電路：

　　確保PCB板上高功率區(qū)至少有一整塊地，最好上面沒(méi)有過(guò)孔，當(dāng)然，銅箔面積越大越好;

　　電路和電源去耦同樣也極為重要;

　　RF輸出通常需要遠(yuǎn)離RF輸入;

　　敏感的模擬信號(hào)應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)。

　　2. 物理分區(qū)和電氣分區(qū)設(shè)計(jì)原則

　　設(shè)計(jì)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、方向和屏蔽等;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(hào)以及接地等的分區(qū)。

　　3. 物理分區(qū)原則

　　元器件位置布局原則。元器件布局是實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)秀RF設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。最有效的技術(shù)是首先固定位于RF路徑上的元器件并調(diào)整其方向，以便將RF路徑的長(zhǎng)度減到最小，使輸入遠(yuǎn)離輸出。并盡可能遠(yuǎn)地分離高功率電路和低功率電路。

　　PCB堆疊設(shè)計(jì)原則。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線布置在表層上。將RF路徑上的過(guò)孔尺寸減到最小，這不僅可以減少路徑電感，而且還可以減少主地上的虛焊點(diǎn)，并可減少RF能量泄漏到層疊板內(nèi)其他區(qū)域的機(jī)會(huì)。

　　射頻器件及其RF布線布局原則。在物理空間上，像多級(jí)放大器這樣的線性電路通常足以將多個(gè)RF區(qū)之間相互隔離開(kāi)來(lái)，但是雙工器、混頻器和中頻放大器/混頻器總是有多個(gè)RF/IF信號(hào)相互干擾。因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與IF跡線應(yīng)盡可能十字交叉，并盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對(duì)整塊PCB的性能非常重要，這就是元器件布局通常在蜂窩電話PCB設(shè)計(jì)中占大部分時(shí)間的原因。

　　降低高/低功率器件干擾耦合的設(shè)計(jì)原則。在蜂窩電話PCB上，通?？梢詫⒌驮胍舴糯笃麟娐贩旁赑CB的某一面，而將高功率放大器放在另一面，并最終通過(guò)雙工器把它們?cè)谕幻嫔线B接到RF端和基帶處理器端的天線上。要用技巧來(lái)確保通孔不會(huì)把RF能量從板的一面?zhèn)鬟f到另一面，常用的技術(shù)是在二面都使用盲孔?？梢酝ㄟ^(guò)將通孔安排在PCB板二面都不受RF干擾的區(qū)域來(lái)將通孔的不利影響減到最小。

　　射頻電路的設(shè)計(jì)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。本文總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)可以幫助射頻集成電路開(kāi)發(fā)者縮短開(kāi)發(fā)周期。避免走不必要的彎路，節(jié)省人力物力。

　　作為電子部件、電子元器件的重要支撐體，PCB電路板在電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的作用十分重要，行業(yè)人士稱其為“電子航母”。伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，PCB電路板的應(yīng)用范圍將越來(lái)越廣泛。一定程度上，電路板的生產(chǎn)技術(shù)水平已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平高低的重要指標(biāo)。為了更好的捕捉國(guó)際領(lǐng)先的PCB制造技術(shù)，全方位展示國(guó)內(nèi)電路板產(chǎn)業(yè)制造水準(zhǔn)，8月30日至9月1日，2016深圳國(guó)際電路板采購(gòu)展覽會(huì)（CS Show 2016）將在深圳會(huì)展中心正式拉開(kāi)帷幕，吹響一年一度PCB行業(yè)騰飛的號(hào)角。