RF電(diàn)路和(hé)數(shù)字電(diàn)路如何在同塊PCB上(shàng)和(hé)諧相處？

       單片射頻器(qì)件大(dà)大(dà)方便了一定範圍內(nèi)無線通(tōng)信領域的應用，采用合适的微控制(zhì)器(qì)和(hé)天線并結合此收發器(qì)件即可(kě)構成完整的無線通(tōng)信鏈路。它們可(kě)以集成在一塊很(hěn)小(xiǎo)的電(diàn)路闆上(shàng)，應用于無線數(shù)字音(yīn)頻、數(shù)字視(shì)頻數(shù)據傳輸系統，無線遙控和(hé)遙測系統，無線數(shù)據采集系統，無線網絡以及無線安全防範系統等衆多(duō)領域。 

    1 數(shù)字電(diàn)路與模拟電(diàn)路的潛在矛盾 

    如果模拟電(diàn)路（射頻）和(hé)數(shù)字電(diàn)路（微控制(zhì)器(qì)）單獨工作(zuò)可(kě)能各自工作(zuò)良好，但(dàn)是一旦将兩者放在同一塊電(diàn)路闆上(shàng)，使用同一個(gè)電(diàn)源供電(diàn)一起工作(zuò)，整個(gè)系統很(hěn)可(kě)能就會(huì)不穩定。這主要是因為(wèi)數(shù)字信号頻繁的在地和(hé)正電(diàn)源（大(dà)小(xiǎo)3V）之間(jiān)擺動，而且周期特别短(duǎn)，常常是ns級的。由于較大(dà)的振幅和(hé)較小(xiǎo)的切換時(shí)間(jiān)，使得(de)這些(xiē)數(shù)字信号包含大(dà)量的且獨立于切換頻率的高(gāo)頻成分。而在模拟部分，從天線調諧回路傳到無線設備接收部分的信号一般小(xiǎo)于1μV。因此數(shù)字信号與射頻信号之間(jiān)的差别将達到10-6（120dB）。顯然，如果數(shù)字信号與射頻信号不能很(hěn)好的分離，微弱的射頻信号可(kě)能遭到破壞，這樣一來(lái)，無線設備工作(zuò)性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作(zuò)。 

    2 RF電(diàn)路和(hé)數(shù)字電(diàn)路做(zuò)在同塊PCB上(shàng)的常見問題 

    不能充分的隔離敏感線路和(hé)噪聲信号線是常常出現的問題。如上(shàng)所述，數(shù)字信号具有(yǒu)高(gāo)的擺幅并包含大(dà)量高(gāo)頻諧波。如果PCB闆上(shàng)的數(shù)字信号布線鄰近敏感的模拟信号，高(gāo)頻諧波可(kě)能會(huì)耦合過去。RF器(qì)件的最敏感節點通(tōng)常為(wèi)鎖相環（PLL）的環路濾波電(diàn)路，外接的壓控振蕩器(qì)（VCO）電(diàn)感，晶振基準信号和(hé)天線端子，電(diàn)路的這些(xiē)部分應該特别仔細處理(lǐ)。 

    （1）供電(diàn)電(diàn)源噪聲 

    由于輸入/輸出信号有(yǒu)幾V的擺幅，數(shù)字電(diàn)路對于電(diàn)源噪聲（小(xiǎo)于50mV）一般可(kě)以接受。而模拟電(diàn)路對于電(diàn)源噪聲卻相當敏感，尤其是對毛刺電(diàn)壓和(hé)其他高(gāo)頻諧波。因此，在包含RF（或其他模拟）電(diàn)路的PCB闆上(shàng)的電(diàn)源線布線必須比在普通(tōng)數(shù)字電(diàn)路闆上(shàng)布線更加仔細，應避免采用自動布線。同時(shí)也應注意到，微控制(zhì)器(qì)（或其他數(shù)字電(diàn)路）會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鍾周期內(nèi)短(duǎn)時(shí)間(jiān)突然吸入大(dà)部分電(diàn)流，這是由于現代微控制(zhì)器(qì)都采用CMOS工藝設計(jì)。因此，假設一個(gè)微控制(zhì)器(qì)以1MHz的內(nèi)部時(shí)鍾頻率運行(xíng)，它将以此頻率從電(diàn)源提取（脈沖）電(diàn)流，如果不采取合适的電(diàn)源去耦，必将引起電(diàn)源線上(shàng)的電(diàn)壓毛刺。如果這些(xiē)電(diàn)壓毛刺到達電(diàn)路RF 部分的電(diàn)源引腳，嚴重的可(kě)能導緻工作(zuò)失效，因此必須保證将模拟電(diàn)源線與數(shù)字電(diàn)路區(qū)域隔開(kāi)。 

    （2）不合理(lǐ)的地線 

    RF電(diàn)路闆應該總是布有(yǒu)與電(diàn)源負極相連的地線層，如果處理(lǐ)不當，可(kě)能産生(shēng)一些(xiē)奇怪的現象。對于一個(gè)數(shù)字電(diàn)路設計(jì)者來(lái)說這也許難于理(lǐ)解，因為(wèi)即使沒有(yǒu)地線層，大(dà)多(duō)數(shù)數(shù)字電(diàn)路功能也表現良好。而在RF頻段，即使一根很(hěn)短(duǎn)的線也會(huì)如電(diàn)感一樣作(zuò)用。粗略計(jì)算(suàn)，每mm長度的電(diàn)感量約為(wèi)1nH，434MHz時(shí)10mmPCB線路的感抗約為(wèi)27Ω。如果不采用地線層，大(dà)多(duō)數(shù)地線将會(huì)較長，電(diàn)路将無法保證設計(jì)特性。 

    （3）天線對其他模拟部分的輻射 

    在包含射頻和(hé)其他部分的電(diàn)路中，這一點經常被忽略。除了RF部分，闆上(shàng)通(tōng)常還(hái)有(yǒu)其他模拟電(diàn)路。例如，許多(duō)微控制(zhì)器(qì)內(nèi)置模數(shù)轉換器(qì)（ADC）用于測量模拟輸入以及電(diàn)池電(diàn)壓或其他參數(shù)。如果射頻發送器(qì)的天線位于此PCB附近（或就在此PCB上(shàng)），發出的高(gāo)頻信号可(kě)能會(huì)到達ADC的模拟輸入端。不要忘記任何電(diàn)路線路都可(kě)能如天線一樣發出或接收RF信号。如果ADC輸入端處理(lǐ)不合理(lǐ)，RF信号可(kě)能在ADC輸入的ESD二極管內(nèi)自激，從而引起ADC的偏差。 

    3 RF電(diàn)路和(hé)數(shù)字電(diàn)路做(zuò)在同塊PCB上(shàng)的解決方案 

    以下給出在大(dà)多(duō)數(shù)RF應用中的一些(xiē)通(tōng)用設計(jì)和(hé)布線策略。然而，遵循實際應用中RF器(qì)件的布線建議更為(wèi)重要。 

    （1）一個(gè)可(kě)靠的地線層面 

    當設計(jì)有(yǒu)RF元件的PCB時(shí)，應該總是采用一個(gè)可(kě)靠的地線層。其目的是在電(diàn)路中建立一個(gè)有(yǒu)效的0V電(diàn)位點，使所有(yǒu)的器(qì)件容易去耦。供電(diàn)電(diàn)源的0V端子應直接連接在此地線層。由于地線層的低(dī)阻抗，已被去耦的兩個(gè)節點間(jiān)将不會(huì)産生(shēng)信号耦合。對于闆上(shàng)多(duō)個(gè)信号幅值可(kě)能相差120dB ，這一點非常重要。在表面貼裝的PCB上(shàng)，所有(yǒu)信号布線在元件安裝面的同一面，地線層則在其反面。理(lǐ)想的地線層應覆蓋整個(gè)PCB（除了天線PCB下方）。如果采用兩層以上(shàng)的PCB，地線層應放置在鄰近信号層的層上(shàng)（如元件面的下一層）。另一個(gè)好方法是将信号布線層的空(kōng)餘部分也用地線平面填充，這些(xiē)地線平面必須通(tōng)過多(duō)個(gè)過孔與主地線層面連接。需要注意的是：由于接地點的存在會(huì)引起旁邊的電(diàn)感特性改變，因此選擇電(diàn)感值和(hé)布置電(diàn)感是必須仔細考慮的。 

    （2）縮短(duǎn)與地線層的連接距離 

    所有(yǒu)對地線層的連接必須盡量短(duǎn)，接地過孔應放置在（或非常接近）元件的焊盤處。決不要讓兩個(gè)地信号共用一個(gè)接地過孔，這可(kě)能導緻由于過孔連接阻抗在兩個(gè)焊盤之間(jiān)産生(shēng)串擾。 

    （3）RF去耦 

    去耦電(diàn)容應該放置在盡可(kě)能靠近引腳的位置，每個(gè)需要去耦的引腳處都應采用電(diàn)容去耦。采用高(gāo)品質的陶瓷電(diàn)容，介電(diàn)類型最好是“ NPO”，“ X7R”在大(dà)多(duō)數(shù)應用中也能較好工作(zuò)。理(lǐ)想的選擇電(diàn)容值應使其串聯諧振等于信号頻率。例如434MHz時(shí)，SMD貼裝的100pF電(diàn)容将良好工作(zuò)，此頻率時(shí)，電(diàn)容的容抗約為(wèi)4Ω，過孔的感抗也在同樣範圍。串聯的電(diàn)容和(hé)過孔對于信号頻率形成一個(gè)陷波濾波器(qì)，使之能有(yǒu)效的去耦。868MHz時(shí)，33pF電(diàn)容是一個(gè)理(lǐ)想的選擇。除了RF去耦的小(xiǎo)值電(diàn)容，一個(gè)大(dà)值電(diàn)容也應放置在電(diàn)源線路上(shàng)去耦低(dī)頻，可(kě)選擇一個(gè)2.2μF陶瓷或10μF的钽電(diàn)容。 

    （4）電(diàn)源的星形布線 

    星形布線是模拟電(diàn)路設計(jì)中衆所周知的技(jì)巧（如圖1所示）。星形布線———電(diàn)路闆上(shàng)各模塊具有(yǒu)各自的來(lái)自公共供電(diàn)電(diàn)源點的電(diàn)源線路。在這種情況下，星形布線意味着電(diàn)路的數(shù)字部分和(hé)RF部分應有(yǒu)各自的電(diàn)源線路，這些(xiē)電(diàn)源線應在靠近IC處分别去耦。這是一個(gè)隔開(kāi)來(lái)自數(shù)字部分和(hé)來(lái)自RF部分電(diàn)源噪聲的有(yǒu)效方法。如果将有(yǒu)嚴重噪聲的模塊置于同一電(diàn)路闆上(shàng)，可(kě)以将電(diàn)感（磁珠）或小(xiǎo)阻值電(diàn)阻（10Ω）串聯在電(diàn)源線和(hé)模塊之間(jiān)，并且必須采用至少(shǎo)10μF的钽電(diàn)容作(zuò)這些(xiē)模塊的電(diàn)源去耦。這樣的模塊如RS 232驅動器(qì)或開(kāi)關電(diàn)源穩壓器(qì)。 

電(diàn)源的星形布線

（5）合理(lǐ)安排PCB布局 

    為(wèi)減小(xiǎo)來(lái)自噪聲模塊及周邊模拟部分的幹擾，各電(diàn)路模塊在闆上(shàng)的布局是重要的。應總是将敏感的模塊（RF部分和(hé)天線） 遠離噪聲模塊（微控制(zhì)器(qì)和(hé)RS 232驅動器(qì)）以避免幹擾。 

    （6）屏蔽RF信号對其他模拟部分的影(yǐng)響 

    如上(shàng)所述，RF信号在發送時(shí)會(huì)對其他敏感模拟電(diàn)路模塊如ADC造成幹擾。大(dà)多(duō)數(shù)問題發生(shēng)在較低(dī)的工作(zuò)頻段（如27MHz） 以及高(gāo)的功率輸出水(shuǐ)平。用RF去耦電(diàn)容（100pF） 連接到地來(lái)去耦敏感點是一個(gè)好的設計(jì)習慣。 

    （7）在闆環形天線的特别考慮 

    天線可(kě)以整體(tǐ)做(zuò)在PCB上(shàng)。對比傳統的鞭狀天線，不僅節省空(kōng)間(jiān)和(hé)生(shēng)産成本，機構上(shàng)也更穩固可(kě)靠。慣例中，環形天線（loop antenna）設計(jì)應用于相對較窄的帶寬，這有(yǒu)助于抑制(zhì)不需要的強信号以免幹擾接收器(qì)。應注意到環形天線（正如所有(yǒu)其他天線）可(kě)能收到由附近噪聲信号線路容性耦合的噪聲。它會(huì)幹擾接收器(qì)，也可(kě)能影(yǐng)響發送器(qì)的調制(zhì)。因此在天線附近一定不要布數(shù)字信号線路，并建議在天線周圍保持自由空(kōng)間(jiān)。接近天線的任何物體(tǐ)都将構成調諧網絡的一部分，而導緻天線調諧偏離預想的頻點，使收發輻射範圍（距離）減小(xiǎo)。對于所有(yǒu)的各類天線必須注意這一事實，電(diàn)路闆的外殼（外圍包裝）也可(kě)能影(yǐng)響天線調諧。同時(shí)應注意去除天線面積處的地線層面，否則天線不能有(yǒu)效工作(zuò)。 

    （8）電(diàn)路闆的連接 

    如果用電(diàn)纜将RF電(diàn)路闆連接到外部數(shù)字電(diàn)路，應使用雙絞線纜。每一根信号線必須和(hé)GND線雙絞在一起（DIN/GND，DOUT/GND，CS/GND，PWR_UP/GND）。切記将RF電(diàn)路闆和(hé)數(shù)字應用電(diàn)路闆用雙絞線纜的GND線連接起來(lái)，線纜長度應盡量短(duǎn)。給RF電(diàn)路闆供電(diàn)的線路也必須與GND雙絞（VDD/GND）。 

    4 結論 

    迅速發展的射頻集成電(diàn)路為(wèi)從事無線數(shù)字音(yīn)頻、視(shì)頻數(shù)據傳輸系統，無線遙控、遙測系統，無線數(shù)據采集系統，無線網絡以及無線安全防範系統等設計(jì)的工程技(jì)術(shù)人(rén)員解決無線應用的瓶頸提供了最大(dà)的可(kě)能。同時(shí)，射頻電(diàn)路的設計(jì)又要求設計(jì)者具有(yǒu)一定的實踐經驗和(hé)工程設計(jì)能力。本文是筆者在實際開(kāi)發中總結的經驗，希望可(kě)以幫助衆多(duō)射頻集成電(diàn)路開(kāi)發者縮短(duǎn)開(kāi)發周期，避免走不必要的彎路，節省人(rén)力和(hé)财力。