由于理论上射频电路板设计存在诸多不确定性,因此常被形容为黑色艺术RF电路板设计也有许多标准和不可忽视的规则。
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然而,在实际设计中,真正实用的技能是当这些标准和规则由于各种设计限制而无法准确实施时,如何妥协。
当然,有很多重要的RF设计主题值得讨论,包括阻抗和阻抗匹配、绝缘层材料和层压板、波长和驻波。在充分掌握各种设计原则的前提下,仔细规划是一次性成功设计的保证。
1.数字电路模块与模拟电路模块之间的干扰
若模拟电路(射频)和数字电路单独工作,各自可能工作良好。EDA365电子论坛提醒大家,一旦把两者放在同一块电路板上,用同一个电源一起工作,整个系统很可能会不稳定。
这主要是因为数字信号频繁在地和正电源(>3 V)它们之间摆动,周期特别短,通常是纳秒级的。由于振幅大,切换时间短。这些数字信号包含大量独立于切换频率的高频成分。
在模拟部分,从无线调谐回路到无线设备接收部分的信号通常小于lμV。因此,数字信号和射频信号之间的差异将达到120 dB。
显然,如果数字信号不能很好地与射频信号分离。可能会损坏微弱的射频信号,使无线设备的工作性能恶化,甚至根本无法工作。
2.电源噪声干扰
射频电路对电源噪声非常敏感,特别是毛刺电压和其他高频谐波。由于现代微控制器使用,微控制器在每个内部时钟周期内突然吸收大部分电流CMOS工艺制造。
因此,假设微控制器lMHz当内部时钟频率运行时,它将从电源中提取电流。如果不采用适当的电源去耦.会导致电源线上的电压毛刺。如果这些电压毛刺到达电路RF严重时,部分电源引脚可能导致工作故障。
地线不合理
如果RF电路的地线处理不当,可能产生一些奇怪的现象。对于数字电路设计,即使没有地线层,大多数数字电路功能也表现良好。
而在RF频段,即使是很短的地线也会像电感器一样工作。粗略计算,每毫米长度的电感量约为l nH,433 MHz时10 toni PCB线感抗约27Ω。如果不使用地线层,大部分地线会更长,电路不会有设计特性。
4.天线对其他模拟电路的辐射干扰
在PCB在电路设计中,板上通常还有其他模拟电路。例如,许多电路都有模具和数字转换(ADC)或数/模转换器(DAC)。
射频发送器天线发出的高频信号可能会到达ADC的模拟淙攵恕R蛭 魏蔚废范妓赡苋⒊#
如果ADC输入端处理不合理,RF信号可能在ADC输入的ESD二极管内自激。从而引起。ADC偏差。
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EDA365电子论坛 一 射频电路布局原则
在设计RF必须优先考虑以下一般原则:
(1) 尽可能高功率RF放大器(HPA)低噪声放大器(LNA)简单来说,隔离就是让高功率RF远离低功率的发射电路RF接收电路; (2) 确保PCB板上至少有一整块高功率区,最好上面没有过孔,铜箔面积越大越好; (3) 电路和电源去耦也很重要; (4) RF输出通常需要远离RF输入; (5) 敏感的模拟信号应尽可能远离高速数字信号和RF信;
EDA365电子论坛 二 物理分区、电气分区设计分区
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接线、敏感电路、信号、接地等分区。
1.我们讨论物理分区
元器件的布局是为了实现卓越RF最有效的技术是设计的关键RF路径上的部件,并调整其方向RF尽量减少路径长度,使输入远离输出,并尽可能远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地面(主地)布置在表面下的第二层,并尽可能多地堆叠RF线走在表层上。将RF尽量减少路径上的过孔尺寸,不仅可以减少路径电感,还可以减少主地上的虚焊点,减少RF能量泄漏到层叠板其他区域的机会。
在物理空间中,多级放大器等线性电路通常足以使多个电路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,所以这种影响必须小心减少。
2、RF与IF走线应尽可能交叉,并尽可能分开
EDA365电子论坛再次提醒您:正确RF路径对整块PCB板的性能非常重要,这就是为什么部件布局通常在手机上PCB板设计中占大部分时间的原因。
在手机PCB在板设计中,低噪声放大器电路通常可以放置PCB板的一侧,高功率放大器放在另一侧,最后通过双工器连接到同一侧RF天线上的端和基带处理器端。
3当有效的芯片电源去耦也很重要
许多集成了线性线路的线性线路RF芯片对电源噪声非常敏感,通常每个芯片都需要使用高达四个电容和一个隔离电感,以确保所有电源噪声的过滤。
集成电路或放大器通常有一个泄漏极输出,因此需要一个上拉电感来提供高阻抗RF负载和低阻抗直流电源,同样的原理也适用于去耦这个电感端的电源。
有些芯片需要多个电源才能工作,所以你可能需要两到三套电容器和电感器分别去耦,电感器很少并行靠在一起,因为它会形成空芯变压器并相互感应产生干扰信号,所以它们之间的距离至少相当于其中一个设备的高度,或者直角排列以减少相互感应。
4.电气分区的原则一般与物理分区相同,但也包含其他一些因素
手机的某些部分使用不同的工作电压,并在软件的帮助下控制,以延长电池的工作寿命。这意味着手机需要运行各种电源,这给隔离带来了更多的问题。
电源通常从连接器引入,并立即去耦,以过滤电路板外的任何噪声,然后通过一组开关或稳压器分配。
手机PCB板上大多数电路的直流电流都很小,所以接线宽度通常不是问题。然而,高功率放大器的电源必须采用尽可能宽的大电流线,以最大限度地降低传输压力。
为了避免过多的电流损耗,需要使用多个孔将电流从一层传输到另一层。此外,如果高功率放大器的电源引脚端不能完全去耦,则高功率噪声将辐射到整个板上,并带来各种问题。
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。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其输入端,则可能产生自激振荡。在最佳情况下,它们将能够在任何温度和电压下稳定工作。
事实上,它们可能会变得不稳定,并添加噪声和互调信号RF信号。假如射频信号线必须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。
为了很好地隔离输入和输出,必须首先在滤波器周围布置一个圆圈,然后在滤波器的下层布置一块地,并与滤波器周围的主要位置连接。这也是一个很好的方法,尽可能远离滤波器的引脚。
5.必须考虑以下几个方面,以确保噪声不会增加
首先,控制线的预期频宽范围可能从DC直到2MHz,这种宽频带的噪声几乎不可能通过滤波去除;其次,VCO控制线通常是控制频率反馈电路的一部分,可能会在许多地方引入噪声,因此必须非常小心VCO控制线。
要确保RF离线下层的地面是实心的,所有部件都牢固地连接到主地面,并与其他可能带来噪音的接线隔离。
另外,要保证VCO由于电源已完全去耦,VCO的RF输出通常是一个相对较高的电平,VCO因此,输出信号很容易干扰其他电路VCO特别注意。事实上,VCO往往布放在RF在区域的末端,有时需要金属屏蔽。
谐振电路与VCO它是相关的,但它也有自己的特点。简单地说,谐振电路是一种带有容性二极管的并行谐振电路,有助于设置VCO工作频率,调整语音或数据RF信号VCO谐振电路也适用于设计原理。
由于谐振电路中含有大量的元件,板上的分布面积较宽,通常在高位运行RF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,但这些信号引脚需要配合相对较大的电感和电容器工作,这反过来要求电感和电容器的位置必须非常接近,并连接到一个对噪声非常敏感的控制环。这并不容易。
自动增益控制(AGC)放大器也是一个容易出现问题的地方,无论是发射还是接收电路AGC放大器。AGC放大器通常能有效地过滤噪音,但由于手机有能力处理发射和接收信号强度的快速变化,因此需要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音。
设计AGC线路必须遵循良好的模拟电路设计技术,这与运输输入引脚短、反馈路径短有关,EDA365电子论坛认为两者都必须远离RF、IF或高速数字信号线。
同样,良好的接地也是必不可少的,芯片的电源必须去耦。如果你必须在输入或输出端走一条长线,最好在输出端。通常,输出端的阻抗要低得多,不易感应噪声。通常,信号电平越高,噪声越容易引入其他电路。
在所有PCB在设计中,将数字电路尽可能远离模拟电路是一个总体原则,也适用于RF PCB设计。用于屏蔽和分隔信号线的公共模拟和土地通常同样重要。因此,在设计的早期阶段,仔细规划,考虑全面的组件布局和彻底的布局*估计很重要,也应该RF远离模拟线和一些关键的数字信号RF接地铜皮应尽可能多地填充,并尽可能与主地连接。
如果RF走线必须穿过信号线,所以尽量沿着它们RF布一层与主地相连的地面。如果不可能,一定要保证它们是交叉的,这样可以最大限度地减少容性耦合,同时尽可能多地在每一层RF走线周围有更多的土地,并将它们连接到主地
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EDA365电子论坛 三 PCB板设计时应注意几个方面
1、电源、地线的处理
对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因,现只对降低式抑制噪音作以表述:
(1) 众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容; (2) 尽量加宽电源、地线宽度,最好是地线比电源线宽,它们的关系是:地线>电源线>信号线,通常信号线宽为:0.2~0.3mm,最经细宽度可达0.05~0.07mm,电源线为1.2~2.5 mm。对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用); (3) 用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板,电源,地线各占用一层。
2、数字电路与模拟电路的共地处理
现在有许多PCB不再是单一功能电路(数字或模拟电路),而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题,特别是地线上的噪音干扰。
数字电路的频率高,模拟电路的敏感度强,对信号线来说,高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件,对地线来说,整人PCB对外界只有一个结点,所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题,而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连,只是在PCB与外界连接的接口处(如插头等)。
数字地与模拟地有一点短接,请注意,只有一个连接点。也有在PCB上不共地的,这由系统设计来决定。
3、信号线布在电(地)层上
在多层印制板布线时,由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多,再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量,成本也相应增加了,为解决这个矛盾,可以考虑在电(地)层上进行布线。
首先应考虑用电源层,其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。
4、大面积导体中连接腿的处理
在大面积的接地(电)中,常用元器件的腿与其连接,对连接腿的处理需要进行综合的考虑,就电气性能而言,元件腿的焊盘与铜面满接为好,但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患。
所以兼顾电气性能与工艺需要,做成十字花焊盘,称之为热隔离(heat shield)俗称热焊盘(Thermal),这样,可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电(地)层腿的处理相同。
5、布线中网络系统的作用
在许多CAD系统中,布线是依据网络系统决定的。网格过密,通路虽然有所增加,但步进太小,图场的数据量过大,这必然对设备的存贮空间有更高的要求,同时也对象计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。
而有些通路是无效的,如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定们孔所占用的等。网格过疏,通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。
标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍数,如:0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。
EDA365电子论坛 四 高频PCB设计技巧和方法
1、传输线拐角要采用45°角,以降低回损。
2、要采用绝缘常数值按层次严格受控的高性能绝缘电路板。这种方法有利于对绝缘材料与邻近布线之间的电磁场进行有效管理。
3、要完善有关高精度蚀刻的PCB设计规范。要考虑规定线宽总误差为+/-0.0007英寸、对布线形状的下切(undercut)和横断面进行管理并指定布线侧壁电镀条件。对布线(导线)几何形状和涂层表面进行总体管理,对解决与微波频率相关的趋肤效应问题及实现这些规范相当重要。
4、突出引线存在抽头电感,要避免使用有引线的组件。高频环境下,最好使用表面安装组件。
5、对信号过孔而言,要避免在敏感板上使用过孔加工(pth)工艺,因为该工艺会导致过孔处产生引线电感。
6、要提供丰富的接地层。要采用模压孔将这些接地层连接起来防止3维电磁场对电路板的影响。
7、要选择非电解镀镍或浸镀金工艺,不要采用HASL法进行电镀。
8、阻焊层可防止焊锡膏的流动。但是,由于厚度不确定性和绝缘性能的未知性,整个板表面都覆盖阻焊材料将会导致微带设计中的电磁能量的较大变化。一般采用焊坝(solder dam)来作阻焊层的电磁场。
这种情况下,我们管理着微带到同轴电缆之间的转换。在同轴电缆中,地线层是环形交织的,并且间隔均匀。在微带中,接地层在有源线之下。
这就引入了某些边缘效应,需在设计时了解、预测并加以考虑。当然,这种不匹配也会导致回损,必须最大程度减小这种不匹配以避免产生噪音和信号干扰。
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EDA365电子论坛 五 电磁兼容性设计
电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。
电磁兼容性设计的目的是使电子设备既能抑制各种外来的干扰,使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作,同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。
1、选择合理的导线宽度
由于瞬变电流在印制线条上所产生的冲击干扰主要是由印制导线的电感成分造成的,因此应尽量减小印制导线的电感量。印制导线的电感量与其长度成正比,与其宽度成反比,因而短而精的导线对抑制干扰是有利的。
时钟引线、行驱动器或总线驱动器的信号线常常载有大的瞬变电流,印制导线要尽可能地短。对于分立元件电路,印制导线宽度在1.5mm左右时,即可完全满足要求;对于集成电路,印制导线宽度可在0.2~1.0mm之间选择。
2、采用正确的布线策略
采用平等走线可以减少导线电感,但导线之间的互感和分布电容增加,如果布局允许,最好采用井字形网状布线结构,具体做法是印制板的一面横向布线,另一面纵向布线,然后在交叉孔处用金属化孔相连。
3、有效地抑制串扰
为了抑制印制板导线之间的串扰,在设计布线时应尽量避免长距离的平等走线,尽可能拉开线与线之间的距离,信号线与地线及电源线尽可能不交叉。
在一些对干扰十分敏感的信号线之间设置一根接地的印制线,可以有效地抑制串扰。
4、为了避免高频信号通过印制导线时产生的电磁辐射,在印制电路板布线时,还应注意以下几点:
a. 尽量减少印制导线的不连续性,例如导线宽度不要突变,导线的拐角应大于90度禁止环状走线等。
b. 时钟信号引线最容易产生电磁辐射干扰,走线时应与地线回路相靠近,驱动器应紧挨着连接器。
c. 总线驱动器应紧挨其欲驱动的总线。对于那些离开印制电路板的引线,驱动器应紧紧挨着连接器。
d. 数据总线的布线应每两根信号线之间夹一根信号地线。最好是紧紧挨着最不重要的地址引线放置地回路,因为后者常载有高频电流。
e. 在印制板布置高速、中速和低速逻辑电路时,应按照图1的方式排列器件。
5、抑制反射干扰
为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰,除了特殊需要之外,应尽可能缩短印制线的长度和采用慢速电路。
必要时可加终端匹配,即在传输线的末端对地和电源端各加接一个相同阻值的匹配电阻。根据经验,对一般速度较快的TTL电路,其印制线条长于10cm以上时就应采用终端匹配措施。
匹配电阻的阻值应根据集成电路的输出驱动电流及吸收电流的最大值来决定。
6、电路板设计过程中采用差分信号线布线策略
布线非常靠近的差分信号对相互之间也会互相紧密耦合,这种互相之间的耦合会减小EMI发射,通常(当然也有一些例外)差分信号也是高速信号,所以高速设计规则通常也都适用于差分信号的布线,特别是设计传输线的信号线时更是如此。
这就意味着我们必须非常谨慎地设计信号线的布线,以确保信号线的特征阻抗沿信号线各处连续并且保持一个常数。
在差分线对的布局布线过程中,我们希望差分线对中的两个PCB线完全一致。这就意味着,在实际应用中应该尽最大的努力来确保差分线对中的PCB线具有完全一样的阻抗并且布线的长度也完全一致。
差分PCB线通常总是成对布线,而且它们之间的距离沿线对的方向在任意位置都保持为一个常数不变。通常情况下,差分线对的布局布线总是尽可能地靠近。