單片射頻器件大大方便了一定范圍內(nèi)無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用,采用合適的微控制器和天線并結(jié)合此收發(fā)器件即可構(gòu)成完整的無線通信鏈路。它們可以集成在一塊很小的電路板上,應(yīng)用于無線數(shù)字音頻、數(shù)字視頻數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),無線遙控和遙測系統(tǒng),無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),無線網(wǎng)絡(luò)以及無線安全防范系統(tǒng)等眾多領(lǐng)域。
1 數(shù)字電路與模擬電路的潛在矛盾
如果模擬電路(射頻) 和數(shù)字電路(微控制器) 單獨(dú)工作可能各自工作良好,但是一旦將兩者放在同一塊電路板上,使用同一個(gè)電源供電一起工作,整個(gè)系統(tǒng)很可能就會(huì)不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)頻繁的在地和正電源(大小3 V) 之間擺動(dòng),而且周期特別短,常常是ns 級(jí)的。由于較大的振幅和較小的切換時(shí)間,使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量的且獨(dú)立于切換頻率的高頻成分。而在模擬部分,從天線調(diào)諧回路傳到無線設(shè)備接收部分的信號(hào)一般小于1μV。因此數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)之間的差別將達(dá)到10-6(120 dB) 。顯然,如果數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)不能很好的分離,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 RF 電路和數(shù)字電路做在同塊PCB 上的常見問題
不能充分的隔離敏感線路和噪聲信號(hào)線是常常出現(xiàn)的問題。如上所述,數(shù)字信號(hào)具有高的擺幅并包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數(shù)字信號(hào)布線鄰近敏感的模擬信號(hào),高頻諧波可能會(huì)耦合過去。RF 器件的最敏感節(jié)點(diǎn)通常為鎖相環(huán)( PLL) 的環(huán)路濾波電路,外接的壓控振蕩器(VCO) 電感,晶振基準(zhǔn)信號(hào)和天線端子,電路的這些部分應(yīng)該特別仔細(xì)處理。
(1) 供電電源噪聲
由于輸入/ 輸出信號(hào)有幾V 的擺幅,數(shù)字電路對(duì)于電源噪聲(小于50 mV) 一般可以接受。而模擬電路對(duì)于電源噪聲卻相當(dāng)敏感,尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。因此,在包含RF(或其他模擬) 電路的PCB 板上的電源線布線必須比在普通數(shù)字電路板上布線更加仔細(xì),應(yīng)避免采用自動(dòng)布線。同時(shí)也應(yīng)注意到,微控制器(或其他數(shù)字電路) 會(huì)在每個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期內(nèi)短時(shí)間突然吸入大部分電流,這是由于現(xiàn)代微控制器都采用CMOS 工藝設(shè)計(jì)。因此,假設(shè)一個(gè)微控制器以1 MHz 的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行,它將以此頻率從電源提取(脈沖) 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)重的可能導(dǎo)致工作失效,因此必須保證將模擬電源線與數(shù)字電路區(qū)域隔開。
(2) 不合理的地線
RF 電路板應(yīng)該總是布有與電源負(fù)極相連的地線層,如果處理不當(dāng),可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對(duì)于一個(gè)數(shù)字電路設(shè)計(jì)者來說這也許難于理解,因?yàn)榧词箾]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,即使一根很短的線也會(huì)如電感一樣作用。粗略計(jì)算,每mm 長度的電感量約為1 nH , 434 MHz 時(shí)10 mmPCB 線路的感抗約為27 Ω。如果不采用地線層,大多數(shù)地線將會(huì)較長,電路將無法保證設(shè)計(jì)特性。
(3) 天線對(duì)其他模擬部分的輻射
在包含射頻和其他部分的電路中,這一點(diǎn)經(jīng)常被忽略。除了RF 部分,板上通常還有其他模擬電路。例如,許多微控制器內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 用于測量模擬輸入以及電池電壓或其他參數(shù)。如果射頻發(fā)送器的天線位于此PCB 附近(或就在此PCB 上) ,發(fā)出的高頻信號(hào)可能會(huì)到達(dá)ADC 的模擬輸入端。不要忘記任何電路線路都可能如天線一樣發(fā)出或接收RF 信號(hào)。如果ADC 輸入端處理不合理,RF 信號(hào)可能在ADC 輸入的ESD 二極管內(nèi)自激,從而引起ADC 的偏差。
3 RF 電路和數(shù)字電路做在同塊PCB 上的解決方案
以下給出在大多數(shù)RF 應(yīng)用中的一些通用設(shè)計(jì)和布線策略。然而,遵循實(shí)際應(yīng)用中RF 器件的布線建議更為重要。
(1) 一個(gè)可靠的地線層面
當(dāng)設(shè)計(jì)有RF 元件的PCB 時(shí),應(yīng)該總是采用一個(gè)可靠的地線層。其目的是在電路中建立一個(gè)有效的0 V 電位點(diǎn),使所有的器件容易去耦。供電電源的0 V 端子應(yīng)直接連接在此地線層。由于地線層的低阻抗,已被去耦的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間將不會(huì)產(chǎn)生信號(hào)耦合。對(duì)于板上多個(gè)信號(hào)幅值可能相差120 dB ,這一點(diǎn)非常重要。在表面貼裝的PCB 上,所有信號(hào)布線在元件安裝面的同一面,地線層則在其反面。理想的地線層應(yīng)覆蓋整個(gè)PCB ( 除了天線PCB 下方) 。如果采用兩層以上的PCB ,地線層應(yīng)放置在鄰近信號(hào)層的層上(如元件面的下一層) 。另一個(gè)好方法是將信號(hào)布線層的空余部分也用地線平面填充,這些地線平面必須通過多個(gè)過孔與主地線層面連接。需要注意的是:由于接地點(diǎn)的存在會(huì)引起旁邊的電感特性改變,因此選擇電感值和布置電感是必須仔細(xì)考慮的。
(2) 縮短與地線層的連接距離
所有對(duì)地線層的連接必須盡量短,接地過孔應(yīng)放置在(或非常接近) 元件的焊盤處。決不要讓兩個(gè)地信號(hào)共用一個(gè)接地過孔,這可能導(dǎo)致由于過孔連接阻抗在兩個(gè)焊盤之間產(chǎn)生串?dāng)_。