如何在PCB板上同時(shí)安置RF電路和數(shù)字電路？

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)?a target="_blank">數(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。

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。

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)。

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(zhǎng)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(zhǎng)，電路將無法保證設(shè)計(jì)特性。

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(cè)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。

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)_。去耦電容應(yīng)該放置在盡可能靠近引腳的位置，每個(gè)需要去耦的引腳處都應(yīng)采用電容去耦。采用高品質(zhì)的陶瓷電容，介電類型最好是“ NPO” ， “ X7R” 在大多數(shù)應(yīng)用中也能較好工作。理想的選擇電容值應(yīng)使其串聯(lián)諧振等于信號(hào)頻率。

例如 434 MHz 時(shí)，SMD 貼裝的 100 p F 電容將良好工作，此頻率時(shí)，電容的容抗約為 4 Ω，過孔的感抗也在同樣范圍。串聯(lián)的電容和過孔對(duì)于信號(hào)頻率形成一個(gè)陷波濾波器，使之能有效的去耦。868 MHz 時(shí)，33 p F 電容是一個(gè)理想的選擇。除了 RF 去耦的小值電容，一個(gè)大值電容也應(yīng)放置在電源線路上去耦低頻，可選擇一個(gè) 2. 2 μF 陶瓷或 10μF 的鉭電容。

星形布線是模擬電路設(shè)計(jì)中眾所周知的技巧 。星形布線———電路板上各模塊具有各自的來自公共供電電源點(diǎn)的電源線路。在這種情況下，星形布線意味著電路的數(shù)字部分和 RF 部分應(yīng)有各自的電源線路，這些電源線應(yīng)在靠近 IC 處分別去耦。這是一個(gè)隔開來自數(shù)字

部分和來自 RF 部分電源噪聲的有效方法。如果將有嚴(yán)重噪聲的模塊置于同一電路板上，可以將電感(磁珠) 或小阻值電阻(10 Ω) 串聯(lián)在電源線和模塊之間，并且必須采用至少 10 μF 的鉭電容作這些模塊的電源去耦。這樣的模塊如 RS 232 驅(qū)動(dòng)器或開關(guān)電源穩(wěn)壓器。

為減小來自噪聲模塊及周邊模擬部分的干擾，各電路模塊在板上的布局是重要的。應(yīng)總是將敏感的模塊( RF 部分和天線) 遠(yuǎn)離噪聲模塊(微控制器和 RS 232 驅(qū)動(dòng)器)以避免干擾。如上所述，RF 信號(hào)在發(fā)送時(shí)會(huì)對(duì)其他敏感模擬電路模塊如 ADC 造成干擾。大多數(shù)問題發(fā)生在較低的工作頻段(如 27 MHz) 以及高的功率輸出水平。用 RF 去耦電容(100p F) 連接到地來去耦敏感點(diǎn)是一個(gè)好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。

如果用電纜將 RF 電路板連接到外部數(shù)字電路，應(yīng)使用雙絞線纜。每一根信號(hào)線必須和 GND 線雙絞在一起(DIN/ GND ， DOUT/ GND ， CS/ GND ， PWR _ UP/ GND) 。切記將 RF 電路板和數(shù)字應(yīng)用電路板用雙絞線纜的 GND 線連接起來，線纜長(zhǎng)度應(yīng)盡量短。給 RF 電路板供電的線路也必須與 GND 雙絞(VDD/ GND) 。

審核編輯 黃昊宇