RF和@@混合信号@@PCB布局@@设计指南@@@@

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作者@@:杨多多@@

 本文章提供@@关于射频@@@@(RF)印刷电路板@@(PCB)设计和@@布局@@的@@指导及建议@@,包括关于混合信号应用的@@一些讨论@@,例如@@相同@@PCB上的@@@@数字@@、模拟和@@射频@@@@188足彩外围@@app 。内容按主题进行组织@@,提供@@“最佳实践@@”指南@@,应结合所有其它设计和@@制造指南@@加以应用@@,这些指南@@可能适用于特定的@@@@188足彩外围@@app 、PCB制造商以及@@材料@@。

射频@@传输线@@

 许多射频@@@@188足彩外围@@app 要求阻抗受控的@@传输线@@,将射频@@功率传输至@@@@PCB上的@@@@IC引脚@@(或@@从其传输功率@@)。这些传输线可在外层@@@@(顶层@@或@@底层@@@@)实现或@@埋在内层@@@@。关于这些传输线的@@指南@@包括讨论微带线@@@@、带状线@@、共面波导@@(地@@)以及@@特征阻抗@@。也介绍传输线弯角补偿@@,以及@@传输线的@@换层@@@@。

微带线@@
这种类型的@@传输线包括固定宽度金属走线@@(导体@@)以及@@(相邻层@@@@)正下方的@@@@接地@@@@区域@@@@。例如@@,第@@1层@@(顶部金属@@)上的@@@@走线要求在@@第@@@@2层@@上@@有实心接地@@@@区域@@@@(图@@1)。走线的@@宽度@@、电介质层@@的@@厚度以及@@电介质的@@类型决定特征阻抗@@(通常为@@50Ω或@@75Ω)。

图@@1. 微带线@@示例@@(立体图@@@@)

图@@1. 微带线@@示例@@(立体图@@@@)

带状线@@
这种线包括内层@@固定宽度的@@走线@@,和@@上方和@@下方的@@接地@@@@@@区域@@@@。导体@@可位于接地@@@@区域@@中间@@(图@@2)或@@具有一定偏移@@(图@@3)。这种方法适合内层@@的@@射频@@走线@@。

图@@2. 带状线@@(端视图@@@@)

图@@2. 带状线@@(端视图@@@@)。

图@@3. 偏移带状线@@@@

图@@3. 偏移带状线@@@@。带状线@@的@@一种变体@@,适用于层@@厚度不相同的@@@@PCB(端视图@@@@)。

共面波导@@(接地@@@@)

共面波导@@提供@@邻近射频@@线之间以及@@其它信号线@@之间较好的@@隔离@@(端视图@@@@)。这种介质包括中间导体@@以及@@两侧和@@下方的@@接地@@@@@@区域@@@@(图@@4)。

图@@4. 共面波导@@提供@@邻近射频@@线以及@@其它信号线@@之间较好的@@隔离@@

图@@4. 共面波导@@提供@@邻近射频@@线以及@@其它信号线@@之间较好的@@隔离@@。

建议在共面波导@@的@@两侧安装过孔@@“栅栏@@”,如图@@@@5所示@@。该@@顶视图@@提供@@了在中间导体@@每侧的@@顶部金属@@接地@@@@区域@@安装一排接地@@@@过孔的@@示例@@。顶层@@上@@引起的@@回路电流@@被短路至@@下方的@@接地@@@@@@层@@@@。

图@@5. 建议在共面波导@@的@@两侧安装过孔@@栅栏@@@@

图@@5. 建议在共面波导@@的@@两侧安装过孔@@栅栏@@@@。

有多种计算工具可用于正确设置信号导体@@线宽@@@@,以实现目标阻抗@@。然而@@,在输入电路板层@@的@@介电常数时应小@@心@@。典型@@PCB外基板层@@包含的@@玻璃纤维成分小@@于内层@@@@,所以介电常数较低@@。例如@@,FR4材质介电常数一般为@@εR = 4.2,而外基板@@(半固化板@@)层@@一般为@@εR = 3.8。下边的@@例子仅供参考@@,其中金属厚度为@@1oz铜@@(1.4 mils、0.036mm)。

表@@1. 特征阻抗示例@@

表@@1. 特征阻抗示例@@

 

传输线弯角补偿由于布线约束而要求传输线弯曲时@@(改变方向@@),使用的@@弯曲半径@@应至@@少为中间导体@@宽度的@@@@3倍@@。也就是说@@:

弯曲半径@@ ≥ 3 × (线宽@@)

这将弯角的@@特征阻抗变化降至@@最小@@@@。

如果@@不可能实现逐渐弯曲@@,可将传输线进行直角弯曲@@(非曲线@@),见图@@@@6。然而@@,必须对此进行补偿@@,以减小@@通过@@弯曲点时本地@@有效线宽@@增大引起的@@阻抗突变@@。标准补偿方法为角斜接@@,如下图@@所示@@@@。最佳的@@微带直角斜接由杜维尔和@@詹姆斯@@(Douville and James)公式@@给出@@:

最佳的@@微带直角斜接由杜维尔和@@詹姆斯@@(Douville and James)公式@@

式中@@,M为斜接与非斜接弯角之比@@(%)。该@@公式@@与介电常数无关@@,受约束条件为@@w/h ≥ 0.25。

其它传输线可采用类似的@@方法@@。如果@@对正确补偿方法存在任何不确定性@@,并且设计要求高性能传输线@@,则应利用电磁仿真器对弯角建模@@。

图@@6. 如果@@不可能实现逐渐弯曲@@,可将传输线进行直角弯曲@@

图@@6. 如果@@不可能实现逐渐弯曲@@,可将传输线进行直角弯曲@@。

传输线的@@换层@@如果@@布局@@约束要求将传输线换至@@不同的@@电路板层@@@@,建议每条传输线至@@少使用两个过孔@@,将过孔电感负载降至@@最小@@@@。一对过孔将传输电感有效减小@@@@50%,应该@@使用与传输线宽@@相当的@@最大直径过孔@@。例如@@,对于@@15-mil微带线@@,过孔直径@@(抛光镀层@@直径@@)应为@@15 mil至@@18 mil。如果@@空间@@不允许使用大过孔@@,则应使用三个直径较小@@的@@过渡过孔@@。

信号线@@隔离@@
必须小@@心防止信号线@@之间的@@意外耦合@@。以下是潜在耦合及预防措施的@@示例@@:

  • 射频@@传输线@@:传输线之间的@@距离应该@@尽量大@@,不应该@@在长距离范围内彼此接近@@。彼此间隔越小@@@@、平行走线距离越长@@,平行微带线@@之间的@@耦合越大@@。不同层@@上@@的@@@@走线应该@@有接地@@@@区域@@将其保持分开@@。承载高功率的@@传输线应尽量远离其它传输线@@。接地@@@@的@@共面波导@@提供@@优异的@@线间隔离@@。小@@PCB上射频@@线之间的@@隔离优于大约@@-45dB是不现实的@@@@。
  • 高速数字信号线@@@@:这些信号线@@应独立布置在与射频@@信号线@@不同的@@电路板层@@上@@@@,以防止耦合@@。数字噪声@@(来自于时钟@@@@、PLL等@@)会耦合到@@RF信号线@@,进而调制到射频@@载波@@。或@@者@@,有些情况下@@,数字噪声@@会被上变频@@/下变频@@。
  • VCC/电源@@线@@:这些线应布置在专用层@@上@@@@。应该@@在主@@VCC分配节点以及@@@@VCC分支安装适当的@@去耦@@/旁路电容@@。必须根@@据射频@@@@IC的@@总体@@频率响应以及@@时钟@@和@@@@PLL引起的@@数字噪声@@的@@预期频率分布选择旁路电容@@@@。这些走线也应与射频@@线保持隔离@@,后者将发射较大的@@射频@@功率@@。

接地@@@@区域@@
如果@@第@@@@1层@@用于射频@@@@188足彩外围@@app 和@@传输线@@,建议在第@@@@2层@@使用实心@@(连续@@)接地@@@@区域@@。对于@@带状线@@和@@偏移带状线@@@@@@,中间导体@@上@@、下要求接地@@@@区域@@@@。这些区域不得共用也不得分配给信号或@@电源@@网@@络@@,而必须全部分配给地@@@@。有时候受设计条件限制@@,某一层@@上@@有局部接地@@@@区域@@@@,则必须位于全部射频@@@@188足彩外围@@app 和@@传输线@@下方@@。接地@@@@区域@@不得在传输线下方断开@@。

应在@@PCB的@@RF部分的@@不同层@@之间布置大量的@@接地@@@@@@过孔@@。这有助于防止接地@@@@电流回路造成寄生接地@@@@电感增大@@。过孔也有助于防止@@PCB上射频@@信号线@@与其它信号线@@的@@交叉耦合@@。

电源@@层@@和@@接地@@@@层@@的@@特殊考虑事项@@
对于@@分配给系统电源@@@@(直流电源@@@@)和@@接地@@@@的@@电路板层@@@@,必须考虑@@188足彩外围@@app 的@@回路电流@@。总的@@原则是避免将信号线@@布置在电源@@层@@和@@接地@@@@层@@之间的@@电路板层@@上@@@@。

电源@@层@@和@@接地@@@@层@@的@@特殊考虑事项@@

7. 不正确的@@电路板层@@分配@@:电源@@层@@和@@接地@@@@层@@上@@的@@@@接地@@@@@@电流回路之间有信号层@@@@。偏压@@线噪声会耦合到@@信号层@@@@。

图@@8. 较好的@@电路板层@@分配@@:电源@@层@@和@@接地@@@@层@@之间没有信号层@@@@

图@@8. 较好的@@电路板层@@分配@@:电源@@层@@和@@接地@@@@层@@之间没有信号层@@@@。

电源@@(偏压@@)走线和@@电源@@去耦@@
如果@@188足彩外围@@app 有多个电源@@连接@@,常见做法是采用@@“星@@”型配置的@@电源@@布线@@(图@@9)。在星@@型配置的@@@@“根@@”节点安装较大的@@去耦电容@@(几十@@µF),在每个@@分支上安装较小@@的@@电容@@。这些小@@电容的@@@@@@值@@取决于射频@@@@IC的@@工作频率及其具体功能@@(即级间与主电源@@去耦@@)。下图@@所示@@为一个示例@@。

图@@9. 如果@@188足彩外围@@app
有多个电源@@连接@@,电源@@布线可采用星@@型配置@@

图@@9. 如果@@188足彩外围@@app 有多个电源@@连接@@,电源@@布线可采用星@@型配置@@。

相对于@@连接至@@相同电源@@网@@络的@@所有引脚@@串联的@@配置@@,“星@@”型配置避免了长接地@@@@回路@@。长接地@@@@回路将引起寄生电感@@,会造成意外的@@反馈环路@@。电源@@去耦的@@关键考虑事项是必须将直流电源@@@@连接在电气上定义为交流地@@@@。

去耦和@@旁路电容@@的@@选择@@
由于存在自谐频率@@(SRF),现实中电容的@@@@有效频率范围@@是有限的@@@@。可以从制造商处获得@@SRF,但有时候必须通过@@直接测量进行特征分析@@。SRF以上时@@,电容呈现感性@@,因此不具备@@去耦或@@旁路功能@@。如果@@需要宽带去耦@@,标准做法是使用多个@@(电容值@@@@)增大的@@电容@@,全部并联@@。小@@电容的@@@@@@SRF一般较大@@(例如@@,0.2pF、0402 SMT封装电容的@@@@@@SRF = 14GHz),大电容的@@@@@@SRF一般较小@@@@(例如@@,相同封装@@2pF电容的@@@@SRF = 4GHz)。表@@2所列为典型@@配置@@。

表@@2. 电容的@@@@有效频率范围@@

表@@2. 电容的@@@@有效频率范围@@

*有效频率范围的@@低端定义为低于@@5Ω容抗@@。

旁路电容@@布局@@考虑事项@@
由于电源@@线@@必须为交流地@@@@,最大程度减小@@交流地@@回路的@@寄生电感非常重要@@。188足彩外围@@app 布局@@或@@摆放方向可能会引起寄生电感@@,例如@@去耦电容的@@@@地@@方向@@。旁路电容@@有两种摆放方法@@,分别如图@@@@@@10和@@图@@@@11所示@@:

图@@10. 该@@配置下@@,旁路电容@@和@@相关过孔的@@总占位面积@@最小@@@@

图@@10. 该@@配置下@@,旁路电容@@和@@相关过孔的@@总占位面积@@最小@@@@。

这种配置下@@,将顶层@@上@@的@@@@@@VCC焊盘@@连接至@@内层@@电源@@区域@@(层@@)的@@过孔可能妨碍交流地@@电流回路@@,强制形成较长的@@回路@@,造成寄生电感较高@@。流入@@VCC引脚@@的@@任何交流电流都通过@@旁路电容@@@@,到达其接地@@@@侧@@,然后返回至@@内接地@@@@层@@@@。这种配置下@@,旁路电容@@和@@相关过孔的@@总占位面积@@最小@@@@。

图@@11. 该@@配置要求较大的@@@@PCB面积@@

图@@11. 该@@配置要求较大的@@@@PCB面积@@。

另外一种配置下@@,交流地@@回路不受电源@@区域过孔的@@限制@@。一般而言@@,这种配置要求的@@@@PCB面积@@稍大@@。

短路器连接@@188足彩外围@@app 的@@接地@@@@@@
对于@@短路器连接@@@@(接地@@@@)的@@188足彩外围@@app (例如@@电源@@去耦电容@@),推荐做法是每个@@@@188足彩外围@@app 使用至@@少两个接地@@@@过孔@@(图@@12),这可降低过孔寄生电感的@@影响@@。短路连接@@188足彩外围@@app 组可使用过孔接地@@@@@@“孤岛@@”。

图@@12. 每个@@188足彩外围@@app
使用至@@少两个接地@@@@过孔@@可降低过孔寄生电感的@@影响@@

图@@12. 每个@@188足彩外围@@app 使用至@@少两个接地@@@@过孔@@可降低过孔寄生电感的@@影响@@。

IC接地@@@@区域@@(“焊盘@@”)
大多数@@IC要求在@@188足彩外围@@app 正下方的@@@@188足彩外围@@app 层@@(PCB的@@顶层@@或@@底层@@@@@@)上的@@@@实心接地@@@@区域@@@@。该@@接地@@@@区域@@将承载直流和@@射频@@回流@@,通过@@PCB流向分配的@@接地@@@@@@区域@@@@。该@@188足彩外围@@app “接地@@@@焊盘@@@@”的@@第@@二功能是提供@@散热器@@,所以焊盘@@应在@@@@PCB设计规则允许的@@情况下包括最大数量的@@过孔@@。下图@@所示@@的@@例子中@@,在射频@@@@IC正下方的@@@@中间接地@@@@区域@@@@(188足彩外围@@app 层@@上@@)安装有@@5 × 5过孔阵列@@(图@@13)。在其它布局@@考虑允许的@@情况下@@,应使用最大数量的@@过孔@@。这些过孔是理想的@@通孔@@(穿透整个@@PCB)。这些过孔必须电镀@@。如果@@可能@@,使用导热胶填充过孔@@,以提高散热性能@@(在电镀过孔之后@@、最后电镀电路板之前填充导热胶@@)。

图@@13. 在射频@@@@IC正下方的@@@@中间接地@@@@区域@@@@上安放@@5 × 5过孔阵列@@

图@@13. 在射频@@@@IC正下方的@@@@中间接地@@@@区域@@@@上安放@@5 × 5过孔阵列@@

文章转载自@@:志博@@PCB

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