一塊PCB板上如何安置RF電路和數(shù)字電路

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，使用同一個電源供電一起工作，整個系統(tǒng)很可能就會不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>數(shù)字信號頻繁的在地和正電源（大小3 V） 之間擺動，而且周期特別短，常常是ns 級的。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)備接收部分的信號一般小于1μV。因此數(shù)字信號與射頻信號之間的差別將達(dá)到10-6（120 dB） 。顯然，如果數(shù)字信號與射頻信號不能很好的分離，微弱的射頻信號可能遭到破壞，這樣一來，無線設(shè)備工作性能就會惡化，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線是常常出現(xiàn)的問題。如上所述，數(shù)字信號具有高的擺幅并包含大量高頻諧波。如果PCB 板上的數(shù)字信號布線鄰近敏感的模擬信號，高頻諧波可能會耦合過去。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)信號和天線端子，電路的這些部分應(yīng)該特別仔細(xì)處理。
　?。?） 供電電源噪聲
　　由于輸入/ 輸出信號有幾V 的擺幅，數(shù)字電路對于電源噪聲（小于50 mV） 一般可以接受。而模擬電路對于電源噪聲卻相當(dāng)敏感，尤其是對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)避免采用自動布線。同時(shí)也應(yīng)注意到，微控制器（或其他數(shù)字電路） 會在每個內(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。
　?。?） 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。對于一個數(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)地線將會較長，電路將無法保證設(shè)計(jì)特性。
　　（3） 天線對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)出的高頻信號可能會到達(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。如果ADC 輸入端處理不合理，RF 信號可能在ADC輸入的ESD二極管內(nèi)自激，從而引起ADC 的偏差。