射頻集成電路設(shè)計(jì)中的常見問(wèn)題及方案解析

1. RF無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)中的常見問(wèn)題

射頻(RF) PCB設(shè)計(jì)，在目前公開出版的理論上具有很多不確定性，常被形容為一種“黑色藝術(shù)”。通常情況下，對(duì)于微波以下頻段的電路( 包括低頻和低頻數(shù)字電路) ，在全面掌握各類設(shè)計(jì)原則前提下的仔細(xì)規(guī)劃是一次性成功設(shè)計(jì)的保證。對(duì)于微波以上頻段和高頻的PC類數(shù)字電路，則需要2~3個(gè)版本的PCB方能保證電路品質(zhì)。而對(duì)于微波以上頻段的RF電路，則往往需要更多版本的PCB設(shè)計(jì)并不斷完善，而且是在具備相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)的前提下。由此可知RF電設(shè)計(jì)上的困難。

數(shù)字電路模塊和模擬電路模塊之間的干擾

如果模擬電路( 射頻) 和數(shù)字電路單獨(dú)工作，可能各自工作良好。但是，一旦將二者放在同一塊電路板上 使用同一個(gè)電源一起工作， 整個(gè)系統(tǒng)很可能就不穩(wěn)定。這主要是因?yàn)閿?shù)字信號(hào)頻繁地在地和正電源( >3 V) 之間擺動(dòng)，而且周期特別短，常常是納秒級(jí)的。由于較大的振幅和較短的切換時(shí)間， 使得這些數(shù)字信號(hào)包含大量且獨(dú)立于切換頻率的高頻成分。在模擬部分，從無(wú)線調(diào)諧回路傳到無(wú)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)之間的差別會(huì)達(dá)到120dB。顯然， 如果不能使數(shù)字信號(hào)與射頻信號(hào)很好地分離，微弱的射頻信號(hào)可能遭到破壞，這樣一來(lái)，無(wú)線設(shè)備工作性能就會(huì)惡化，甚至完全不能工作。

供電電源的噪聲干擾

射頻電路對(duì)于電源噪聲相當(dāng)敏感，尤其是對(duì)毛刺電壓和其他高頻諧波。微控制器會(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工藝制造。因此，假設(shè)一個(gè)微控制器以1MHz的內(nèi)部時(shí)鐘頻率運(yùn)行，它將以此頻率從電源提取電流。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)重時(shí)可能導(dǎo)致工作失效。

不合理的地線

如果RF 電路的地線處理不當(dāng)，可能產(chǎn)生一些奇怪的現(xiàn)象。對(duì)于數(shù)字電路設(shè)計(jì)，即使沒有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在RF 頻段，即使一根很短的地線也會(huì)如電感器一樣作用。粗略地計(jì)算，每毫米長(zhǎng)度的電感量約為1nH，433MHz時(shí)10mmPCB線路的感抗約27Ω。如果不采用地線層，大多數(shù)地線將會(huì)較長(zhǎng)，電路將無(wú)法具有設(shè)計(jì)的特性。

天線對(duì)其他模擬電路部分的輻射干擾

在PCB電路設(shè)計(jì)中，板上通常還有其他模擬電路。例如，許多電路上都有模/數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)。射頻發(fā)送器的天線發(fā)出的高頻信號(hào)可能會(huì)到達(dá)ADC的模擬輸入端。因?yàn)槿魏坞娐肪€路都可能如 天線一樣發(fā)出或接收RF信號(hào)。如果ADC輸入端的處理不合理，RF信號(hào)可能在ADC輸入的ESD二極管內(nèi)自激，從而引起ADC偏差。

2. RF電路設(shè)計(jì)原則及方案

RF布局概念

在設(shè)計(jì)RF布局時(shí)，必須優(yōu)先滿足以下幾個(gè)總原則：

( 1)盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來(lái)，簡(jiǎn)單地說(shuō) 就是讓高功率RF發(fā)射電路遠(yuǎn)離低功率RF 接收電路;

( 2)確保PCB板上高功率區(qū)至少有一整塊地，最好上面沒有過(guò)孔，當(dāng)然，銅箔面積越大越好;

( 3)電路和電源去耦同樣也極為重要;

( 4)RF輸出通常需要遠(yuǎn)離RF輸入;

( 5)敏感的模擬信號(hào)應(yīng)該盡可能遠(yuǎn)離高速數(shù)字信號(hào)和RF信號(hào)。