射頻(RF)電路的電路板布局應(yīng)在理解電路板結(jié)構(gòu)、電源布線和接地的基本原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本文探討了相關(guān)的基本原則，并提供了一些實(shí)用的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的電源布線、電源旁路和接地技術(shù)，可有效提高RF設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)。考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)中PLL雜散信號(hào)對(duì)于電源耦合、接地和濾波器元件的位置非常敏感，本文著重討論了有關(guān)PLL雜散信號(hào)抑制的方法。為便于說(shuō)明問(wèn)題，本文以MAX2827 802.11a/g收發(fā)器的PCB布局作為參考設(shè)計(jì)。
圖1：星型拓?fù)涞腣cc布線。
設(shè)計(jì)RF電路時(shí)，電源電路的設(shè)計(jì)和電路板布局常常被留到了高頻信號(hào)通路的設(shè)計(jì)完成之后。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)認(rèn)真考慮的設(shè)計(jì)，電路周圍的電源電壓很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出和噪聲，這會(huì)進(jìn)一步影響到RF電路的性能。合理分配PCB的板層、采用星型拓?fù)涞腣cc引線，并在Vcc引腳加上適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙?，將有助于改善系統(tǒng)的性能，獲得最佳指標(biāo)。
電源布線和旁路的基本原則
明智的PCB板層分配便于簡(jiǎn)化后續(xù)的布線處理，對(duì)于一個(gè)四層PCB板(WLAN中常用的電路板)，在大多數(shù)應(yīng)用中用電路板的頂層放置元器件和RF引線，第二層作為系統(tǒng)地，電源部分放置在第三層，任何信號(hào)線都可以分布在第四層。第二層采用連續(xù)的地平面布局對(duì)于建立阻抗受控的RF信號(hào)通路非常必要，它還便于獲得盡可能短的地環(huán)路，為第一層和第三層提供高度的電氣隔離，使得兩層之間的耦合最小。當(dāng)然，也可以采用其它板層定義的方式(特別是在電路板具有不同的層數(shù)時(shí))，但上述結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的一個(gè)成功范例。
圖2：不同頻率下的電容阻抗變化。
大面積的電源層能夠使Vcc布線變得輕松，但是，這種結(jié)構(gòu)常常是引發(fā)系統(tǒng)性能惡化的導(dǎo)火索，在一個(gè)較大平面上把所有電源引線接在一起將無(wú)法避免引腳之間的噪聲傳輸。反之，如果使用星型拓?fù)鋭t會(huì)減輕不同電源引腳之間的耦合。圖1給出了星型連接的Vcc布線方案，該圖取自MAX2826 IEEE 802.11a/g收發(fā)器的評(píng)估板。圖中建立了一個(gè)主Vcc節(jié)點(diǎn)，從該點(diǎn)引出不同分支的電源線，為RF IC的電源引腳供電。每個(gè)電源引腳使用獨(dú)立的引線在引腳之間提供了空間上的隔離，有利于減小它們之間的耦合。另外，每條引線還具有一定的寄生電感，這恰好是我們所希望的，它有助于濾除電源線上的高頻噪聲。
使用星型拓?fù)銿cc引線時(shí)，還有必要采取適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ睿ヱ铍娙荽嬖谝欢ǖ募纳姼?。事?shí)上，電容等效為一個(gè)串聯(lián)的RLC電路，電容在低頻段起主導(dǎo)作用，但在自激振蕩頻率(SRF)：
之后，電容的阻抗將呈現(xiàn)出電感性。由此可見(jiàn)，電容器只是在頻率接近或低于其SRF時(shí)才具有去耦作用，在這些頻點(diǎn)電容表現(xiàn)為低阻。圖2給出了不同容值下的典型S11參數(shù)，從這些曲線可以清楚地看到SRF，還可以看出電容越大，在較低頻率處所提供的去耦性能越好(所呈現(xiàn)的阻抗越低)。
在Vcc星型拓?fù)涞闹鞴?jié)點(diǎn)處最好放置一個(gè)大容量的電容器，如2.2μF。該電容具有較低的SRF，對(duì)于消除低頻噪聲、建立穩(wěn)定的直流電壓很有效。IC的每個(gè)電源引腳需要一個(gè)低容量的電容器(如10nF)，用來(lái)濾除可能耦合到電源線上的高頻噪聲。對(duì)于那些為噪聲敏感電路供電的電源引腳，可能需要外接兩個(gè)旁路電容。例如：用一個(gè)10pF電容與一個(gè)10nF電容并聯(lián)提供旁路，可以提供更寬頻率范圍的去耦，盡量消除噪聲對(duì)電源電壓的影響。每個(gè)電源引腳都需要認(rèn)真檢驗(yàn)，以確定需要多大的去耦電容以及實(shí)際電路在哪些頻點(diǎn)容易受到噪聲的干擾。
良好的電源去耦技術(shù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腜CB布局、Vcc引線(星型拓?fù)?相結(jié)合，能夠?yàn)槿魏蜶F系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。盡管實(shí)際設(shè)計(jì)中還會(huì)存在降低系統(tǒng)性能指標(biāo)的其它因素，但是，擁有一個(gè)“無(wú)噪聲”的電源是優(yōu)化系統(tǒng)性能的基本要素。
圖3：過(guò)孔的電特性模型。
接地和過(guò)孔設(shè)計(jì)
地層的布局和引線同樣是WLAN電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它們會(huì)直接影響到電路板的寄生參數(shù)，存在降低系統(tǒng)性能的隱患。RF電路設(shè)計(jì)中沒(méi)有唯一的接地方案，設(shè)計(jì)中可以通過(guò)幾個(gè)途徑達(dá)到滿意的性能指標(biāo)?？梢詫⒌仄矫婊蛞€分為模擬信號(hào)地和數(shù)字信號(hào)地，還可以隔離大電流或功耗較大的電路。根據(jù)以往WLAN評(píng)估板的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在四層板中使用單獨(dú)的接地層可以獲得較好的結(jié)果。憑借這些經(jīng)驗(yàn)性的方法，用地層將RF部分與其它電路隔離開(kāi)，可以避免信號(hào)間的交叉干擾。如上所述，電路板的第二層通常作為地平面，第一層用于放置元件和RF引線。
接地層確定后，將所有的信號(hào)地以最短的路徑連接到地層非常關(guān)鍵，通常用過(guò)孔將頂層的地線連接到地層，需要注意的是，過(guò)孔呈現(xiàn)為感性。圖3所示為過(guò)孔精確的電氣特性模型，其中Lvia為過(guò)孔電感，Cvia為過(guò)孔PCB焊盤(pán)的寄生電容。如果采用這里所討論的地線布局技術(shù)，可以忽略寄生電容。一個(gè)1.6mm深、孔徑為0.2mm的過(guò)孔具有大約0.75nH的電感，在2.5GHz/5.0GHz WLAN波段的等效電抗大約為12Ω/24Ω。因此，一個(gè)接地過(guò)孔并不能夠?yàn)镽F信號(hào)提供真正的接地，對(duì)于高品質(zhì)的電路板設(shè)計(jì)，應(yīng)該在RF電路部分提供盡可能多的接地過(guò)孔，特別是對(duì)于通用的IC封裝中的裸露接地焊盤(pán)。不良的接地還會(huì)在接收前端或功率放大器部分產(chǎn)生有害的輻射，降低增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)。還需注意的是，接地焊盤(pán)的不良焊接會(huì)引發(fā)同樣的問(wèn)題。除此之外，功率放大器的功耗也需要多個(gè)連接地層的過(guò)孔。
圖4. 以MAX2827參考設(shè)計(jì)板為例的PLL濾波器元件布局。
