談?wù)勆漕l電路設(shè)計(jì)，再奉上五條經(jīng)驗(yàn)

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,無線設(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、不合理的地線

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,每毫米長度的電感量約為l nH,433 MHz時(shí)10 toni 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,電路將無法具有設(shè)計(jì)的特性。

4、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的模擬淙攵恕R蛭 魏蔚緶廢唄范伎贍莧縑煜咭謊⒊齷蚪郵誖F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。

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:

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(hào)以及接地等的分區(qū)。

1、我們討論物理分區(qū)問題

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)整其朝向以將RF路徑的長度減到最小,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。

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(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)。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)之間相互隔離開來,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。

2、RF與IF走線應(yīng)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(duì)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手機(jī)PCB板設(shè)計(jì)中占大部分時(shí)間的原因。在手機(jī)PCB板設(shè)計(jì)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。

3、恰當(dāng)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(duì)電源的噪音非常敏感,通常每個(gè)芯片都需要采用高達(dá)四個(gè)電容和一個(gè)隔離電感來確保濾除所有的電源噪音。一塊集成電路或放大器常常帶有一個(gè)開漏極輸出,因此需要一個(gè)上拉電感來提供一個(gè)高阻抗RF負(fù)載和一個(gè)低阻抗直流電源,同樣的原則也適用于對(duì)這一電感端的電源進(jìn)行去耦。

有些芯片需要多個(gè)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(duì)它們進(jìn)行去耦處理,電感極少并行靠在一起,因?yàn)檫@將形成一個(gè)空芯變壓器并相互感應(yīng)產(chǎn)生干擾信號(hào),因此它們之間的距離至少要相當(dāng)于其中一個(gè)器件的高度,或者成直角排列以將其互感減到最小。

4、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

手機(jī)的某些部分采用不同工作電壓,并借助軟件對(duì)其進(jìn)行控制,以延長電池工作壽命。這意味著手機(jī)需要運(yùn)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(jìn)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(guān)或穩(wěn)壓器之后對(duì)其進(jìn)行分配。手機(jī)PCB板上大多數(shù)電路的直流電流都相當(dāng)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(dú)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(gè)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(duì)它進(jìn)行充分的去耦,那么高功率噪聲將會(huì)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(dāng)關(guān)鍵,并經(jīng)常需要為其設(shè)計(jì)一個(gè)金屬屏蔽罩。在大多數(shù)情況下,同樣關(guān)鍵的是確保RF輸出遠(yuǎn)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(dāng)?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(shí)際上,它們可能會(huì)變得不穩(wěn)定,并將噪音和互調(diào)信號(hào)添加到RF信號(hào)上。如果射頻信號(hào)線不得不從濾波器的輸入端繞回輸出端,這可能會(huì)嚴(yán)重?fù)p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(hào)線盡可能遠(yuǎn)離濾波器引腳也是個(gè)好方法。

5、要保證不增加噪聲必須從以下幾個(gè)方面考慮

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(gè)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。要確保RF走線下層的地是實(shí)心的,而且所有的元器件都牢固地連到主地上,并與其它可能帶來噪聲的走線隔離開來。

此外,要確保VCO的電源已得到充分去耦,由于VCO的RF輸出往往是一個(gè)相對(duì)較高的電平,VCO輸出信號(hào)很容易干擾其它電路,因此必須對(duì)VCO加以特別注意。事實(shí)上,VCO往往布放在RF區(qū)域的末端,有時(shí)它還需要一個(gè)金屬屏蔽罩。

諧振電路(一個(gè)用于發(fā)射機(jī),另一個(gè)用于接收機(jī))與VCO有關(guān),但也有它自己的特點(diǎn)。簡單地講,諧振電路是一個(gè)帶有容性二極管的并行諧振電路,它有助于設(shè)置VCO工作頻率和將語音或數(shù)據(jù)調(diào)制到RF信號(hào)上。所有VCO的設(shè)計(jì)原則同樣適用于諧振電路。由于諧振電路含有數(shù)量相當(dāng)多的元器件、板上分布區(qū)域較寬以及通常運(yùn)行在一個(gè)很高的RF頻率下,因此諧振電路通常對(duì)噪聲非常敏感。

信號(hào)通常排列在芯片的相鄰腳上,但這些信號(hào)引腳又需要與相對(duì)較大的電感和電容配合才能工作,這反過來要求這些電感和電容的位置必須靠得很近,并連回到一個(gè)對(duì)噪聲很敏感的控制環(huán)路上。要做到這點(diǎn)是不容易的。

自動(dòng)增益控制(AGC)放大器同樣是一個(gè)容易出問題的地方,不管是發(fā)射還是接收電路都會(huì)有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲,不過由于手機(jī)具備處理發(fā)射和接收信號(hào)強(qiáng)度快速變化的能力,因此要求AGC電路有一個(gè)相當(dāng)寬的帶寬,而這使某些關(guān)鍵電路上的AGC放大器很容易引入噪聲。設(shè)計(jì)AGC線路必須遵守良好的模擬電路設(shè)計(jì)技術(shù),而這跟很短的運(yùn)放輸入引腳和很短的反饋路徑有關(guān),這兩處都必須遠(yuǎn)離RF、IF或高速數(shù)字信號(hào)走線。

同樣,良好的接地也必不可少,而且芯片的電源必須得到良好的去耦。如果必須要在輸入或輸出端走一根長線,那么最好是在輸出端,通常輸出端的阻抗要低得多,而且也不容易感應(yīng)噪聲。通常信號(hào)電平越高,就越容易把噪聲引入到其它電路。在所有PCB設(shè)計(jì)中,盡可能將數(shù)字電路遠(yuǎn)離模擬電路是一條總的原則,它同樣也適用于RF PCB設(shè)計(jì)。公共模擬地和用于屏蔽和隔開信號(hào)線的地通常是同等重要的,因此在設(shè)計(jì)早期階段,仔細(xì)的計(jì)劃、考慮周全的元器件布局和徹底的布局*估都非常重要,同樣應(yīng)使RF線路遠(yuǎn)離模擬線路和一些很關(guān)鍵的數(shù)字信號(hào),所有的RF走線、焊盤和元件周圍應(yīng)盡可能多填接地銅皮,并盡可能與主地相連。如果RF走線必須穿過信號(hào)線,那么盡量在它們之間沿著RF走線布一層與主地相連的地。如果不可能的話,一定要保證它們是十字交叉的,這可將容性耦合減到最小,同時(shí)盡可能在每根RF走線周圍多布一些地,并把它們連到主地。

1、電源、地線的處理

對(duì)每個(gè)從事電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工程人員來說都明白地線與電源線之間噪音所產(chǎn)生的原因,現(xiàn)只對(duì)降低式抑制噪音作以表述:

2、數(shù)字電路與模擬電路的共地處理

現(xiàn)在有許多PCB不再是單一功能電路(數(shù)字或模擬電路),而是由數(shù)字電路和模擬電路混合構(gòu)成的。因此在布線時(shí)就需要考慮它們之間互相干擾問題,特別是地線上的噪音干擾。數(shù)字電路的頻率高,模擬電路的敏感度強(qiáng),對(duì)信號(hào)線來說,高頻的信號(hào)線盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件,對(duì)地線來說,整人PCB對(duì)外界只有一個(gè)結(jié)點(diǎn),所以必須在PCB內(nèi)部進(jìn)行處理數(shù)、模共地的問題,而在板內(nèi)部數(shù)字地和模擬地實(shí)際上是分開的它們之間互不相連,只是在PCB與外界連接的接口處(如插頭等)。數(shù)字地與模擬地有一點(diǎn)短接,請注意,只有一個(gè)連接點(diǎn)。也有在PCB上不共地的,這由系統(tǒng)設(shè)計(jì)來決定。

3、信號(hào)線布在電(地)層上

在多層印制板布線時(shí),由于在信號(hào)線層沒有布完的線剩下已經(jīng)不多,再多加層數(shù)就會(huì)造成浪費(fèi)也會(huì)給生產(chǎn)增加一定的工作量,成本也相應(yīng)增加了,為解決這個(gè)矛盾,可以考慮在電(地)層上進(jìn)行布線。首先應(yīng)考慮用電源層,其次才是地層。因?yàn)樽詈檬潜Ａ舻貙拥耐暾浴?

4、大面積導(dǎo)體中連接腿的處理

在大面積的接地(電)中,常用元器件的腿與其連接,對(duì)連接腿的處理需要進(jìn)行綜合的考慮,就電氣性能而言,元件腿的焊盤與銅面滿接為好,但對(duì)元件的焊接裝配就存在一些不良隱患。所以兼顧電氣性能與工藝需要,做成十字花焊盤,稱之為熱隔離(heat shield)俗稱熱焊盤(Thermal),這樣,可使在焊接時(shí)因截面過分散熱而產(chǎn)生虛焊點(diǎn)的可能性大大減少。多層板的接電(地)層腿的處理相同。

5、布線中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用

在許多CAD系統(tǒng)中,布線是依據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)決定的。網(wǎng)格過密,通路雖然有所增加,但步進(jìn)太小,圖場的數(shù)據(jù)量過大,這必然對(duì)設(shè)備的存貯空間有更高的要求,同時(shí)也對(duì)象計(jì)算機(jī)類電子產(chǎn)品的運(yùn)算速度有極大的影響。而有些通路是無效的,如被元件腿的焊盤占用的或被安裝孔、定們孔所占用的等。網(wǎng)格過疏,通路太少對(duì)布通率的影響極大。所以要有一個(gè)疏密合理的網(wǎng)格系統(tǒng)來支持布線的進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)元器件兩腿之間的距離為0.1英寸(2.54mm),所以網(wǎng)格系統(tǒng)的基礎(chǔ)一般就定為0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍數(shù),如:0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。

1、傳輸線拐角要采用45°角,以降低回?fù)p

2、要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴(yán)格受控的高性能絕緣電路板。這種方法有利于對(duì)絕緣材料與鄰近布線之間的電磁場進(jìn)行有效管理。

3、要完善有關(guān)高精度蝕刻的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范。要考慮規(guī)定線寬總誤差為+/-0.0007英寸、對(duì)布線形狀的下切(undercut)和橫斷面進(jìn)行管理并指定布線側(cè)壁電鍍條件。對(duì)布線(導(dǎo)線)幾何形狀和涂層表面進(jìn)行總體管理,對(duì)解決與微波頻率相關(guān)的趨膚效應(yīng)問題及實(shí)現(xiàn)這些規(guī)范相當(dāng)重要。

4、突出引線存在抽頭電感,要避免使用有引線的組件。高頻環(huán)境下,最好使用表面安裝組件。

5、對(duì)信號(hào)過孔而言,要避免在敏感板上使用過孔加工(pth)工藝,因?yàn)樵摴に嚂?huì)導(dǎo)致過孔處產(chǎn)生引線電感。

6、要提供豐富的接地層。要采用模壓孔將這些接地層連接起來防止3維電磁場對(duì)電路板的影響。

7、要選擇非電解鍍鎳或浸鍍金工藝,不要采用HASL法進(jìn)行電鍍。

8、阻焊層可防止焊錫膏的流動(dòng)。但是,由于厚度不確定性和絕緣性能的未知性,整個(gè)板表面都覆蓋阻焊材料將會(huì)導(dǎo)致微帶設(shè)計(jì)中的電磁能量的較大變化。一般采用焊壩(solder dam)來作阻焊層的電磁場。

這種情況下,我們管理著微帶到同軸電纜之間的轉(zhuǎn)換。在同軸電纜中,地線層是環(huán)形交織的,并且間隔均勻。在微帶中,接地層在有源線之下。這就引入了某些邊緣效應(yīng),需在設(shè)計(jì)時(shí)了解、預(yù)測并加以考慮。當(dāng)然,這種不匹配也會(huì)導(dǎo)致回?fù)p,必須最大程度減小這種不匹配以避免產(chǎn)生噪音和信號(hào)干擾。

電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進(jìn)行工作的能力。電磁兼容性設(shè)計(jì)的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾,使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作,同時(shí)又能減少電子設(shè)備本身對(duì)其它電子設(shè)備的電磁干擾。

1、選擇合理的導(dǎo)線寬度

由于瞬變電流在印制線條上所產(chǎn)生的沖擊干擾主要是由印制導(dǎo)線的電感成分造成的,因此應(yīng)盡量減小印制導(dǎo)線的電感量。印制導(dǎo)線的電感量與其長度成正比,與其寬度成反比,因而短而精的導(dǎo)線對(duì)抑制干擾是有利的。時(shí)鐘引線、行驅(qū)動(dòng)器或總線驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)線常常載有大的瞬變電流,印制導(dǎo)線要盡可能地短。對(duì)于分立元件電路,印制導(dǎo)線寬度在1.5mm左右時(shí),即可完全滿足要求;對(duì)于集成電路,印制導(dǎo)線寬度可在0.2~1.0mm之間選擇。

2、采用正確的布線策略

采用平等走線可以減少導(dǎo)線電感,但導(dǎo)線之間的互感和分布電容增加,如果布局允許,最好采用井字形網(wǎng)狀布線結(jié)構(gòu),具體做法是印制板的一面橫向布線,另一面縱向布線,然后在交叉孔處用金屬化孔相連。

3、有效地抑制串?dāng)_

為了抑制印制板導(dǎo)線之間的串?dāng)_,在設(shè)計(jì)布線時(shí)應(yīng)盡量避免長距離的平等走線,盡可能拉開線與線之間的距離,信號(hào)線與地線及電源線盡可能不交叉。在一些對(duì)干擾十分敏感的信號(hào)線之間設(shè)置一根接地的印制線,可以有效地抑制串?dāng)_。

4、為了避免高頻信號(hào)通過印制導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射,在印制電路板布線時(shí),還應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

5、抑制反射干擾

為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾,除了特殊需要之外,應(yīng)盡可能縮短印制線的長度和采用慢速電路。必要時(shí)可加終端匹配,即在傳輸線的末端對(duì)地和電源端各加接一個(gè)相同阻值的匹配電阻。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)一般速度較快的TTL電路,其印制線條長于10cm以上時(shí)就應(yīng)采用終端匹配措施。匹配電阻的阻值應(yīng)根據(jù)集成電路的輸出驅(qū)動(dòng)電流及吸收電流的最大值來決定。

6、電路板設(shè)計(jì)過程中采用差分信號(hào)線布線策略

布線非?？拷牟罘中盘?hào)對(duì)相互之間也會(huì)互相緊密耦合,這種互相之間的耦合會(huì)減小EMI發(fā)射,通常(當(dāng)然也有一些例外)差分信號(hào)也是高速信號(hào),所以高速設(shè)計(jì)規(guī)則通常也都適用于差分信號(hào)的布線,特別是設(shè)計(jì)傳輸線的信號(hào)線時(shí)更是如此。這就意味著我們必須非常謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)信號(hào)線的布線,以確保信號(hào)線的特征阻抗沿信號(hào)線各處連續(xù)并且保持一個(gè)常數(shù)。

在差分線對(duì)的布局布線過程中,我們希望差分線對(duì)中的兩個(gè)PCB線完全一致。這就意味著,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡最大的努力來確保差分線對(duì)中的PCB線具有完全一樣的阻抗并且布線的長度也完全一致。差分PCB線通?？偸浅蓪?duì)布線,而且它們之間的距離沿線對(duì)的方向在任意位置都保持為一個(gè)常數(shù)不變。通常情況下,差分線對(duì)的布局布線總是盡可能地靠近。