2022年从收发器的布局看射频电路电源和接地的设计方案方法 .docx

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1、精品_精品资料_从 WiFi 收发器的 PCB 布局看射频电路电源和接的的设计方法射频 RF 电路的电路板布局应在懂得 电路板结构、电源布线和接的 的基本原就的基础上进行.本文探讨了相关的基本原就,并供应了一些有用的、经过验证的电源布线、电源旁路和接的技术,可有效提高 RF 设计的性能指标.考虑到实际设计中 PLL 杂散信号对于电源耦合、接的和滤波器元件的位置特别敏锐,本文着重争论了有关 PLL 杂散信号抑制的方法.为便于说明问题,本文以 MAX2827802.11a/g 收发器的 PCB 布局作为参考设计.图 1：星型拓扑的 Vcc 布线.设计 RF 电路时,电源电路的设计和电路板布局经常被

2、留到了高频信号通路的设计完成之后.对于没有经过仔细考虑的设计,电路四周的电源电压很简单产生错误的输出和噪声,这会进一步影响到 RF 电路的性能.合理安排 PCB 的板层、采纳 星型拓扑的 Vcc 引线,并在 Vcc 引脚加上适当的去耦电容,将有助于改善系统的性能,获得正确指标.电源布线和旁路的基本原就明智的 PCB 板层安排便于简化后续的布线处理,对于一个四层PCB 板WLAN中常用的电路板 ,在大多数应用中用电路板的顶层放置元器件和RF 引线,其次层作为系统的, 电源部分放置在第三层,任何信号线都可以分布在第四层.其次层采纳连续的的平面布局对于建立阻抗受控的RF 信号通路特别必要,它仍便于获

3、得尽可能短的的环路,为第一层可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_和第三层供应高度的电气隔离,使得两层之间的耦合最小.当然,也可以采纳其它板层定义的方式 特殊是在电路板具有不同的层数时,但上述结构是经过验证的一个胜利范例.图 2：不同频率下的电容阻抗变化.大面积的电源层能够使 Vcc 布线变得轻松,但是,这种结构经常是引发系统性能恶化的导火索, 在一个较大平面上把全部电源引线接在一起将无法防止引脚之间的噪声传输 .反之,假如使用星型拓扑就会减轻不同电源引脚之间的耦合.图 1 给出了星型连接的 Vcc 布线方案,该图取自 MAX2826IEEE 802.11a/g 收发器的评估板.图中

4、建立了一个主 Vcc 节点,从该点引出不同分支的电源线,为 RFIC 的电源引脚供电.每个电源引脚使用独立的引线在引脚之间供应了空间上的隔离,有利于减小它们之间的耦合.另外, 每条引线仍具有肯定的寄生电感,这恰好是我们所期望的,它有助于滤除电源线上的高频噪声.使用星型拓扑 Vcc 引线时,仍有必要实行适当的电源去耦,而去耦电容存在肯定的寄生电感.事实上,电容等效为一个串联的RLC 电路, 电容在低频段起主导作用,但在自激振荡频率 SRF ：之后, 电容的阻抗将出现出电感性.由此可见, 电容器只是在频率接近或低于其SRF 时才具有去耦作用,在这些频点电容表现为低阻.图 2 给出了不同容值下的典型

5、S11 参数,从这些曲线可以清晰的看到SRF ,仍可以看出电容越大,在较低频率处所供应的去耦性能越好 所出现的阻抗越低.在 Vcc 星型拓扑的主节点处最好放置一个大容量的电容器,如 2.2 F.该电容具有较低的 SRF ,对于排除低频噪声、建立稳固的直流电压很有效.IC 的每个电源引脚需要一个低可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_容量的电容器 如 10nF ,用来滤除可能耦合到电源线上的高频噪声.对于那些为噪声敏锐电路供电的电源引脚,可能需要外接两个旁路电容.例如：用一个 10pF 电容与一个 10nF电容并联供应旁路,可以供应更宽频率范畴的去耦,尽量排除噪声对电源电压的影响.每个

6、电源引脚都需要仔细检验,以确定需要多大的去耦电容以及实际电路在哪些频点简单受到噪声的干扰.良好的电源去耦技术与严谨的PCB 布局、 Vcc 引线星型拓扑 相结合,能够为任何RF系统设计奠定稳固的基础.尽管实际设计中仍会存在降低系统性能指标的其它因素,但是,拥有一个“无噪声”的电源是优化系统性能的基本要素.图 3：过孔的电特性模型.接的和过孔设计的层的布局和引线同样是WLAN 电路板设计的关键,它们会直接影响到电路板的寄生参数,存在降低系统性能的隐患.RF 电路设计中没有唯独的接的方案,设计中可以通过几个途径达到中意的性能指标.可以将的平面或引线分为模拟信号的和数字信号的,仍可以隔离大电流或功耗

7、较大的电路.依据以往 WLAN 评估板的设计体会,在四层板中使用单独的接的层可以获得较好的结果.凭借这些体会性的方法,用的层将RF 部分与其它电路隔离开,可以防止信号间的交叉干扰.如上所述,电路板的其次层通常作为的平面,第一层 用于放置元件和 RF 引线.接的层确定后,将全部的 信号的 以最短的路径连接到的 层特别关键,通常用过孔将顶层的的线连接到的层,需要留意的是, 过孔出现为感性 .图 3 所示为过孔精确的电气特性模型,其中 Lvia 为过孔电感, Cvia 为过孔 PCB 焊盘的寄生电容.假如采纳这里所争论的的线布局技术,可以忽视寄生电容.一个1.6mm 深、孔径为0.2mm8mil的过

8、孔具有大约 0. 75nH 的电感 ,在 2.5GHz/5.0GHzWLAN波段的 等效电抗大约为 12 /24 .因此, 一个接的过孔并不能够为RF 信号供应真正的接的 ,对于高品质的电路板设计,应当在RF 电路部分供应 尽可能多的接的过孔,特殊是对于通用的IC 封装中的暴露接的焊盘.不良的接可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_的仍会在接收前端或功率放大器部分产生有害的辐射,降低增益和噪声系数指标.仍需注意的是, 接的焊盘的不良焊接 会引发同样的问题.除此之外,功率放大器的功耗也需要多个连接的层的过孔.图 4. 以 MAX2827参考设计板为例的 PLL 滤波器元件布局.滤除其它

9、级电路的噪声、抑制本的产生的噪声,从而排除级与级之间通过电源线的交叉干扰,这是 Vcc 去耦带来的好处. 假如去耦电容使用了同一接的过孔,由于过孔与的之间的电感效应,这些连接点的过孔将会承载来自两个电源的全部RF 干扰,不仅丢失了去耦电容的功能,而且仍为系统中的级间噪声耦合供应了另外一条通路.在本文的后面部分将会看到,PLL 的实现在系统设计中总是面临庞大挑战,要想获得中意的杂散特性必需有良好的的线布局.目前,IC 设计中将全部的 PLL 和 VCO 都集成到了芯片内部,大多数PLL 都利用数字电流电荷泵输出通过一个环路滤波器掌握VCO .通常,需要用 二阶或三阶 的 RC 环路滤波器滤除电荷

10、泵的数字脉冲电流,得到模拟掌握电压. 靠近电荷泵输出的两个电容必需直接与电荷泵电路的的连接 .这样,可以 隔离的回路的脉冲电流通路,尽量减小 LO 中相应的杂散频率 .第三个电容 对于三阶滤波器 应当直接与 VCO 的的层连接 ,以防止掌握电压随数字电流浮动.假如违反这些原就,将会导致相当大的杂散成分.图 4 所示为 PCB 布线的一个范例,在接的焊盘上有很多接的过孔,答应每个 Vcc 去耦电容有其独立的接的过孔.方框内的电路是PLL 环路滤波器,第一个电容直接与GND_C P 相连,其次个电容 与一个 R 串联 旋转 180 度,返回到相同的GND_CP ,第三个电容就与 GND_VCO相连

11、.这种接的方案可以获得较高的系统性能.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_通过适当的电源和接的抑制PLL 杂散信号满意 802.11a/b/g系统发送频谱模板的要求是设计过程中的一个难点,必需对线性指标和功耗进行平稳,并留出肯定裕量,确保在维护足够的发射功率的前提下符合IEEE 和 FC C 规范. IEEE802.11g系统在天线端所要求的典型输出功率为+15dBm ,频率偏差 20MHz 时为 -28dBr .频带内相邻信道的功率抑制比ACPR 是器件线性特性的函数,这在肯定前提下、对于特定的应用是正确的.在发送通道优化ACPR 特性的大量工作是靠凭借体会对TxIC 和 PA

12、的偏置进行调剂,并对PA 的输入级、输出级和中间级的匹配网络进行调谐实现的.图 5：采纳环路滤波器的成效.然而,并非全部引发ACPR 的问题都归咎于器件的线性特性,一个很好的例证是：在经过一系列的调剂、对功率放大器和PA 驱动器 对 ACPR 起主要作用的两个因素进行优化后, WLAN 发送器的邻道特性仍是无法达到预期的指标.这时,需要留意来自发送器锁相环中本振 LO 的杂散信号同样会使ACPR 性能变差. LO 的杂散信号会与被调制的基带信号混频,混频后的成分将沿着预期的信号通道进行放大.这一混频效应只有在PLL 杂散成分高于肯定门限时才会产生问题,低于肯定门限时,ACPR 将主要受 PA

13、非线性的制约.当 Tx 输出功率和频谱模板特性是“线性受限”时,我们需要对线性指标和输出功率进行平稳.假如 LO 杂散特性成为制约ACPR 性能的主要因素时,我们所面临的将是“杂散受限”,需要在指定的POUT 下将 PA 偏置在更高的工作点,减弱它对ACPR 的影响 ,这将消耗更大的电流,限制设计的敏捷性.可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_上述争论提出了另外一个问题,即如何有效的将PLL 杂散成分限制在肯定的范畴内,使其不对发射频谱产生影响.一旦发觉了杂散成分,第一想到的方案就是将PLL 环路滤波器的带宽变窄,以便衰减杂散信号的幅度.这种方法在极少数的情形下是有效的,但它存在一些

14、潜在问题.图 5 给出了一种假设的情形,假设设计中采纳了一个具有20MHz 相对频率的N 分频合成器,假如环路滤波器是二阶的,截止频率为200kHz ,滚降速率通常为40dB/decade, 在 20MHz频点可以获得80dB 的衰减.假如参考杂散成分为-40dBc 假设可以导致有害的调制重量的电平 ,产生杂散的机制可能超出环路滤波器的作用范畴 假如它是在滤波器之前产生的,其幅度可能特别大.压缩环路滤波器的带宽将不会改善杂散特性,反而提高了P LL 锁相时间,对系统产生明显的负面影响.图 6 ：不合理的 VCC_VCO 去耦测试结果.体会证明, 抑制 PLL 杂散最有效的途径应当是合理的接的、

15、电源布局和去耦技术,本文争论的布线原就是减小PLL 杂散重量的良好设计开端.考虑到电荷泵中存在较大的电流变 化,采纳星型拓扑特别必要.假如没有足够的隔离,电流脉冲产生的噪声会耦合到VCO 的电源,对 VCO 频率进行调制,通常称为“VCO 牵引”.通过电源线间的物理间隔和每个 Vcc 引脚的去耦电容、合理放置接的过孔、引入一个串联的铁氧体元件作为最终一个手段 等措施可以提高隔离度.上述措施并不需要全部用在每个设计中,适当采纳每种方式都会有效降低杂散幅度.图 6 供应了一个由于不合理的VCO 电源去耦方案所产生的结果,电源纹波说明正是电荷泵的开关效应导致电源线上的强干扰.值得庆幸的是,这种强干扰可以通过增加旁路电可编辑资料 - - - 欢迎下载精品_精品资料_容得到有效抑制.另外,假如电源布线不合理,例如VCO的电源引线恰好位于电荷泵电 源的下面,可以在VCO电源上观看到同样的噪声,所产生的杂散信号足以影响到ACPR 特性,即使加强去耦,测试结果也不会得到改善.这种情形下,需要考察一下PCB 布线, 重新布置 VCO 的电源引线,将有效改善杂散特性,达到规范所要求的指标.可编辑资料 - - - 欢迎下载