降低RF電路寄生信號的八個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)則

EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì) 2020-04-05 00:00

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RF電路布局要想降低寄生信號，需要RF工程師發(fā)揮創(chuàng)造性。記住以下這八條規(guī)則，不但有助于加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，而且還可提高工作日程的可預(yù)見性。

規(guī)則1：接地通孔應(yīng)位于接地參考層開關(guān)處

流經(jīng)所布線路的所有電流都有相等的回流。耦合策略固然很多，不過回流通常流經(jīng)相鄰的接地層或與信號線路并行布置的接地。在參考層繼續(xù)時(shí)，所有耦合都僅限于傳輸線路，一切都非常正常。不過，如果信號線路從頂層切換至內(nèi)部或底層時(shí)，回流也必須獲得路徑。

圖1就是一個(gè)實(shí)例。頂層信號線路電流下面緊挨著就是回流。當(dāng)它轉(zhuǎn)移到底層時(shí)，回流就通過附近的通孔。不過，如果附近沒有用于回流的通孔時(shí)，回流就要通過最近可用的接地通孔。更遠(yuǎn)的距離會產(chǎn)生電流環(huán)路，形成電感器。如果這種不必要的電流路徑偏移，碰巧又同另一條線路交叉，那么干擾就會更嚴(yán)重。這種電流環(huán)路其實(shí)相當(dāng)于形成了一個(gè)天線！

圖1：信號電流從器件引腳經(jīng)過通孔流到較低層。回流在被迫流向最近通孔改變至不同參考層之前位于信號之下。

接地參考是最佳策略，但高速線路有時(shí)候可布置在內(nèi)部層上。接地參考層上下都放置非常困難，半導(dǎo)體廠商可能會受到引腳限制，把電源線安放在高速線路旁邊。參考電流要是需要在非DC耦合的各層或各網(wǎng)之間切換，應(yīng)緊挨著開關(guān)點(diǎn)安放去耦電容。

規(guī)則2：將器件焊盤與頂層接地連接起來

許多器件在器件封裝底部都采用散熱接地焊盤。在RF器件上，這些通常都是電氣接地，而相鄰焊盤點(diǎn)有接地通孔陣列。可將器件焊盤直接連接至接地引腳，并通過頂層接地連接至任何灌銅。如有多個(gè)路徑，回流會按路徑阻抗比例拆分。通過焊盤進(jìn)行接地連接相對于引腳接地而言，路徑更短、阻抗更低。

電路板與器件焊盤之間良好的電氣連接至關(guān)重要。裝配時(shí)，電路板通孔陣列中的未填充通孔也可能會抽走器件的焊膏，留下空隙。填滿通孔是保證焊接到位的好辦法。在評測中，還要打開焊接掩模層確認(rèn)沒有焊接掩模在器件下方的電路板接地上，因?yàn)楹附友谀？赡軙Ц咂骷蚴蛊鋼u擺。

　規(guī)則3：無參考層間隙

器件周邊到處都是通孔。電源網(wǎng)分解成本地去耦，然后降至電源層，通常提供多個(gè)通孔以最大限度減少電感，提高載流容量，同時(shí)控制總線可降至內(nèi)層。所有這些分解最終都會在器件附近完全被鉗住。

每個(gè)這些通孔都會在內(nèi)接地層上產(chǎn)生大于通孔直徑自身的禁入?yún)^(qū)，提供制造空隙。這些禁入?yún)^(qū)很容易在回流路徑上造成中斷。一些通孔彼此靠近則會形成接地層溝，頂層CAD視圖看不見，這將導(dǎo)致情況進(jìn)一步復(fù)雜化。圖2兩個(gè)電源層通孔的接地層空隙可產(chǎn)生重疊的禁入?yún)^(qū)，并在返回路徑上造成中斷。回流只能轉(zhuǎn)道繞過接地層禁入?yún)^(qū)，形成現(xiàn)在常見的發(fā)射感應(yīng)路徑問題。

圖2：通孔周圍接地層的禁入?yún)^(qū)可能重疊，迫使回流遠(yuǎn)離信號路徑。即便沒有重疊，禁入?yún)^(qū)也會在接地層形成鼠咬阻抗中斷。

甚至“友好型”接地通孔也會為相關(guān)金屬焊盤帶來電路板制造工藝要求的最小尺寸規(guī)格。通孔如果非常靠近信號線路，就會產(chǎn)生好像頂層接地空隙被老鼠咬掉一塊一樣的侵蝕。圖2是鼠咬示意圖。

由于禁入?yún)^(qū)由CAD軟件自動(dòng)生成，通孔在系統(tǒng)電路板上的使用又很頻繁，因此先期布局過程幾乎總會出現(xiàn)一些返回路徑中斷問題。布局評測時(shí)要跟蹤每條高速線路，檢查相關(guān)回流層以避免中斷。讓所有可在任何區(qū)域產(chǎn)生接地層干擾的通孔更靠近頂層接地空隙是一個(gè)不錯(cuò)的方法。

規(guī)則4：保持差分線路的差分性

回流路徑對信號線路性能至關(guān)重要，其應(yīng)視為信號路徑的一部分。與此同時(shí)，差分對通常沒有緊密耦合，回流可能流經(jīng)相鄰層。兩個(gè)回流必須通過相等的電氣路徑布線。

即便在差分對的兩條線路不緊密耦合時(shí)，鄰近與共享型設(shè)計(jì)限制也會讓回流處于相同層。要真正保持低寄生信號，需要更好的匹配。差分組件下接地層的斷流器等任何計(jì)劃結(jié)構(gòu)都應(yīng)是對稱的。同樣，長度是否匹配可能也會產(chǎn)生信號線路中的波形曲線問題。回流不會引起波形曲線問題。一條差分線路的長度匹配情況應(yīng)在其它差分線路中體現(xiàn)。

規(guī)則5：RF信號線路附近沒有時(shí)鐘或控制線路

時(shí)鐘和控制線路有時(shí)可視為沒什么影響的鄰居，因?yàn)槠涔ぷ魉俣鹊停踔两咏麯C。不過，其開關(guān)特性幾乎接近方波，可在奇數(shù)諧波頻率下生成獨(dú)特的音調(diào)。方波發(fā)射能源的基本頻率雖然不會產(chǎn)生什么影響，但其銳利的邊緣可能會有影響。在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)折頻率可估算必須要考慮的最高頻率諧波，計(jì)算方式為：Fknee=0.5/Tr，這里的Tr是上升時(shí)間。請注意，是上升時(shí)間，而不是信號頻率。不過銳利邊緣的方波也有強(qiáng)大的高階奇數(shù)諧波，其可能只在錯(cuò)誤頻率下下降并耦合在RF線路上，違反嚴(yán)格的傳輸掩模要求。

時(shí)鐘和控制線路應(yīng)由內(nèi)部接地層或頂層接地灌流（ground pour）與RF信號線路隔離。如果不能使用接地隔離信號，那么線路布線應(yīng)確保直角交叉。因?yàn)闀r(shí)鐘或控制線路發(fā)射的磁通線路會圍繞干擾源線路的電流形成放射柱形等高線，它們將不會在接收器線路中產(chǎn)生電流。放慢上升時(shí)間不但可降低轉(zhuǎn)折頻率，而且還有助于減少干擾源的干擾，但時(shí)鐘或控制線路也可充當(dāng)接收器線路。接收器線路仍可作為將寄生信號導(dǎo)入器件的導(dǎo)管。

規(guī)則6：使用接地隔離高速線路

微波傳輸帶與帶線大多數(shù)都與相鄰接地層耦合。一些通量線路仍沿水平方向散發(fā)，并端接于相鄰跡線。一條高速線路或差分對上的音調(diào)在下一條跡線上終結(jié)，但信號層上的接地灌流會為通量線路帶來較低阻抗的終點(diǎn)，讓鄰近跡線不受音調(diào)干擾。

時(shí)鐘分布或合成器設(shè)備路由出來、用于承載相同頻率的跡線集群可能相鄰而行，因?yàn)楦蓴_源音調(diào)已經(jīng)存在于接收器線路上。不過，分組的線路最終會分散。分散時(shí)，應(yīng)在分散線路之間提供接地灌流，并在其開始分散的地方灌入通孔，以便感應(yīng)回流沿著額定回流路徑流回。在圖3中，接地島末端的通孔可使感應(yīng)電流流到參考層上。接地灌流上其它通孔之間的間隔不要超過一個(gè)波長的十分之一，以確保接地不會成為共振結(jié)構(gòu)。

圖3：差分線路分散處的頂層接地通孔為回流提供流動(dòng)路徑。

規(guī)則7：不要在噪聲較大的電源層進(jìn)行RF線路布線

音調(diào)進(jìn)入電源層就會擴(kuò)散到每個(gè)地方。如果雜散音調(diào)進(jìn)入電源、緩沖器、混頻器、衰減器和振蕩器，就會對干擾頻率進(jìn)行調(diào)制。同樣，當(dāng)電源到達(dá)電路板時(shí)，它還沒有徹底被清空而實(shí)現(xiàn)對RF電路系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)。應(yīng)最大限度減少RF線路在電源層的暴露，特別是未過濾的電源層。

鄰近接地的大型電源層可創(chuàng)建高質(zhì)量嵌入式電容，使寄生信號衰減，并用于數(shù)字通信系統(tǒng)與某些RF系統(tǒng)。另一種方法是使用最小化電源層，有時(shí)更像是肥大跡線而不能說是層，這樣RF線路更容易徹底避開電源層。這兩種方法都可行，不過決不能將二者的最差特性湊在一起，也就是既使用小型電源層，又在頂部走線RF線路。

規(guī)則8：讓去耦靠近器件

去耦不僅有助于避免雜散噪聲進(jìn)入器件，還可幫助消除器件內(nèi)部生成的音調(diào)，避免其耦合到電源層上。去耦電容越靠近工作電路系統(tǒng)，效率就越高。本地去耦受電路板跡線的寄生阻抗干擾較小，較短的跡線支持較小的天線，減少有害音調(diào)發(fā)射。電容器安放要結(jié)合最高自共振頻率，通常最小值、最小外殼尺寸、最靠近器件，以及越大的電容器，離器件越遠(yuǎn)。在RF頻率下，電路板背面的電容器會產(chǎn)生通孔串連接地路徑的寄生電感，損失大量噪聲衰減優(yōu)勢。

總結(jié)

通過電路板布局評測，我們可發(fā)現(xiàn)可能發(fā)射或接收雜散RF音調(diào)的結(jié)構(gòu)。要跟蹤每一條線路，有意識地明確其回流路徑，確保它能夠與線路并行，特別是要徹底檢查過渡。此外，還要將潛在干擾源與接收器隔離。按照一些簡單直觀的規(guī)則降低寄生信號，可加速產(chǎn)品發(fā)布，降低調(diào)試成本。

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