RF和混合信號PCB的一般布局指南

 

引言

本應用筆記提供關(guan) 於(yu) 射頻(RF)印刷電路板(PCB)設計和布局的指導及建議，包括關(guan) 於(yu) 混合信號應用的一些討論，例如相同PCB上的數字、模擬和射頻元件。內(nei) 容按主題進行組織，提供“實踐”指南，應結合所有其它設計和製造指南加以應用，這些指南可能適用於(yu) 特定的元件、PCB製造商以及材料。

射頻傳(chuan) 輸線

許多Maxim射頻元件要求阻抗受控的傳(chuan) 輸線，將射頻功率傳(chuan) 輸至PCB上的IC引腳(或從(cong) 其傳(chuan) 輸功率)。這些傳(chuan) 輸線可在外層(頂層或底層)實現或埋在內(nei) 層。關(guan) 於(yu) 這些傳(chuan) 輸線的指南包括討論微帶線、帶狀線、共麵波導(地)以及特征阻抗。也介紹傳(chuan) 輸線彎角補償(chang) ，以及傳(chuan) 輸線的換層。

● 微帶線

這種類型的傳(chuan) 輸線包括固定寬度金屬走線(導體(ti) )以及(相鄰層)正下方的接地區域。例如，第1層(頂部金屬)上的走線要求在第2層上有實心接地區域(圖1)。走線的寬度、電介質層的厚度以及電介質的類型決(jue) 定特征阻抗(通常為(wei) 50Ω或75Ω)。

● 帶狀線

這種線包括內(nei) 層固定寬度的走線，和上方和下方的接地區域。導體(ti) 可位於(yu) 接地區域中間(圖2)或具有一定偏移(圖3)。這種方法適合內(nei) 層的射頻走線。

● 共麵波導(接地)

共麵波導提供鄰近射頻線之間以及其它信號線之間較好的隔離(端視圖)。這種介質包括中間導體(ti) 以及兩(liang) 側(ce) 和下方的接地區域(圖4)。

建議在共麵波導的兩(liang) 側(ce) 安裝過孔“柵欄”，如圖5所示。該頂視圖提供了在中間導體(ti) 每側(ce) 的頂部金屬接地區域安裝一排接地過孔的示例。頂層上引起的回路電流被短路至下方的接地層。

● 特征阻抗 

有多種計算工具可用於(yu) 正確設置信號導體(ti) 線寬，以實現目標阻抗。然而，在輸入電路板層的介電常數時應小心。典型PCB外基板層包含的玻璃纖維成分小於(yu) 內(nei) 層，所以介電常數較低。例如，FR4材質介電常數一般為(wei) εR = 4.2，而外基板(半固化板)層一般為(wei) εR = 3.8。下邊的例子僅(jin) 供參考，其中金屬厚度為(wei) 1oz銅(1.4 mils、0.036mm)。

● 傳(chuan) 輸線彎角補償(chang)

由於(yu) 布線約束而要求傳(chuan) 輸線彎曲時(改變方向)，使用的彎曲半徑應至少為(wei) 中間導體(ti) 寬度的3倍。也就是說：

彎曲半徑 ≥ 3 × (線寬)

這將彎角的特征阻抗變化降至小。

如果不可能實現逐漸彎曲，可將傳(chuan) 輸線進行直角彎曲(非曲線)，見圖6。然而，必須對此進行補償(chang) ，以減小通過彎曲點時本地有效線寬增大引起的阻抗突變。標準補償(chang) 方法為(wei) 角斜接，直角斜接由杜維爾和詹姆斯(Douville and James)公式給出：

式中，M為(wei) 斜接與(yu) 非斜接彎角之比(%)。該公式與(yu) 介電常數無關(guan) ，受約束條件為(wei) w/h ≥ 0.25。

其它傳(chuan) 輸線可采用類似的方法。如果對正確補償(chang) 方法存在任何不確定性，並且設計要求高性能傳(chuan) 輸線，則應利用電磁仿真器對彎角建模。

● 傳(chuan) 輸線的換層

如果布局約束要求將傳(chuan) 輸線換至不同的電路板層，建議每條傳(chuan) 輸線至少使用兩(liang) 個(ge) 過孔，將過孔電感負載降至小。一對過孔將傳(chuan) 輸電感有效減小50%，應該使用與(yu) 傳(chuan) 輸線寬相當的直徑過孔。例如，對於(yu) 15-mil微帶線，過孔直徑(拋光鍍層直徑)應為(wei) 15 mil至18 mil。如果空間不允許使用大過孔，則應使用三個(ge) 直徑較小的過渡過孔。

信號線隔離

必須小心防止信號線之間的意外耦合。以下是潛在耦合及預防措施的示例：

射頻傳(chuan) 輸線：傳(chuan) 輸線之間的距離應該盡量大，不應該在長距離範圍內(nei) 彼此接近。彼此間隔越小、平行走線距離越長，平行微帶線之間的耦合越大。不同層上的走線應該有接地區域將其保持分開。承載高功率的傳(chuan) 輸線應盡量遠離其它傳(chuan) 輸線。接地的共麵波導提供優(you) 異的線間隔離。小PCB上射頻線之間的隔離優(you) 於(yu) 大約-45dB是不現實的。

高速數字信號線：這些信號線應獨立布置在與(yu) 射頻信號線不同的電路板層上，以防止耦合。數字噪聲(來自於(yu) 時鍾、PLL等)會(hui) 耦合到RF信號線，進而調製到射頻載波。或者，有些情況下，數字噪聲會(hui) 被上變頻/下變頻。

VCC/bv伟德手机客户端平台線：這些線應布置在層上。應該在主VCC分配節點以及VCC分支安裝適當的去耦/旁路電容。必須根據射頻IC的總體(ti) 頻率響應以及時鍾和PLL引起的數字噪聲的預期頻率分布選擇旁路電容。這些走線也應與(yu) 射頻線保持隔離，後者將發射較大的射頻功率。

接地區域

如果第1層用於(yu) 射頻元件和傳(chuan) 輸線，建議在第2層使用實心(連續)接地區域。對於(yu) 帶狀線和偏移帶狀線，中間導體(ti) 上、下要求接地區域。這些區域不得共用也不得分配給信號或bv伟德手机客户端平台網絡，而必須全部分配給地。有時候受設計條件限製，某一層上有局部接地區域，則必須位於(yu) 全部射頻元件和傳(chuan) 輸線下方。接地區域不得在傳(chuan) 輸線下方斷開。

應在PCB的RF部分的不同層之間布置大量的接地過孔。這有助於(yu) 防止接地電流回路造成寄生接地電感增大。過孔也有助於(yu) 防止PCB上射頻信號線與(yu) 其它信號線的交叉耦合。

bv伟德手机客户端平台層和接地層的特殊考慮事項

對於(yu) 分配給係統bv伟德手机客户端平台(直流bv伟德手机客户端平台)和接地的電路板層，必須考慮元件的回路電流。總的原則是避免將信號線布置在bv伟德手机客户端平台層和接地層之間的電路板層上。

bv伟德手机客户端平台(偏壓)走線和bv伟德手机客户端平台去耦

如果元件有多個(ge) bv伟德手机客户端平台連接，常見做法是采用“星”型配置的bv伟德手机客户端平台布線(圖9)。在星型配置的“根”節點安裝較大的去耦電容(幾十µF)，在每個(ge) 分支上安裝較小的電容。這些小電容的值取決(jue) 於(yu) 射頻IC的工作頻率及其具體(ti) 功能(即級間與(yu) 主bv伟德手机客户端平台去耦)。下圖所示為(wei) 一個(ge) 示例。

相對於(yu) 連接至相同bv伟德手机客户端平台網絡的所有引腳串聯的配置，“星”型配置避免了長接地回路。長接地回路將引起寄生電感，會(hui) 造成意外的反饋環路。bv伟德手机客户端平台去耦的關(guan) 鍵考慮事項是必須將直流bv伟德手机客户端平台連接在電氣上定義(yi) 為(wei) 交流地。

去耦和旁路電容的選擇

由於(yu) 存在自諧頻率(SRF)，現實中電容的有效頻率範圍是有限的。可以從(cong) 製造商處獲得SRF，但有時候必須通過直接測量進行特征分析。SRF以上時，電容呈現感性，因此不具備去耦或旁路功能。如果需要寬帶去耦，標準做法是使用多個(ge) (電容值)增大的電容，全部並聯。小電容的SRF一般較大(例如，0.2pF、0402 SMT封裝電容的SRF = 14GHz)，大電容的SRF一般較小(例如，相同封裝2pF電容的SRF = 4GHz)。表2所列為(wei) 典型配置。

*有效頻率範圍的低端定義(yi) 為(wei) 低於(yu) 5Ω容抗。

旁路電容布局考慮事項

由於(yu) bv伟德手机客户端平台線必須為(wei) 交流地，減小交流地回路的寄生電感非常重要。元件布局或擺放方向可能會(hui) 引起寄生電感，例如去耦電容的地方向。旁路電容有兩(liang) 種擺放方法，分別如圖10和圖11所示：

這種配置下，將頂層上的VCC焊盤連接至內(nei) 層bv伟德手机客户端平台區域(層)的過孔可能妨礙交流地電流回路，強製形成較長的回路，造成寄生電感較高。流入VCC引腳的任何交流電流都通過旁路電容，到達其接地側(ce) ，然後返回至內(nei) 接地層。這種配置下，旁路電容和相關(guan) 過孔的總占位麵積小。

另外一種配置下，交流地回路不受bv伟德手机客户端平台區域過孔的限製。一般而言，這種配置要求的PCB麵積稍大。

短路器連接元件的接地

對於(yu) 短路器連接(接地)的元件(例如bv伟德手机客户端平台去耦電容)，推薦做法是每個(ge) 元件使用至少兩(liang) 個(ge) 接地過孔(圖12)，這可降低過孔寄生電感的影響。短路連接元件組可使用過孔接地“孤島”。

IC接地區域(“焊盤”)

大多數IC要求在元件正下方的元件層(PCB的頂層或底層)上的實心接地區域。該接地區域將承載直流和射頻回流，通過PCB流向分配的接地區域。該元件“接地焊盤”的第二功能是提供散熱器，所以焊盤應在PCB設計規則允許的情況下包括數量的過孔。下圖所示的例子中，在射頻IC正下方的中間接地區域(元件層上)安裝有5 × 5過孔陣列(圖13)。在其它布局考慮允許的情況下，應使用數量的過孔。這些過孔是理想的通孔(穿透整個(ge) PCB)。這些過孔必須電鍍。如果可能，使用導熱膠填充過孔，以提高散熱性能(在電鍍過孔之後、後電鍍電路板之前填充導熱膠)。