高频PCB设计.docx
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高频PCB设计.docx
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高频PCB设计
高频PCB技巧
1) 高频电路往往集成度较高,布线密度大,采用多层板既是布线所必须的,也是降低干扰的有效手段。
ProtelforWindowsV1.5能提供16个铜线层和4个电源层,合理选择层数能大幅度降低印板尺寸,能充分利用中间层来设置屏蔽,能更好地实现就近接地,能有效地降低寄生电感,能有效缩短信号的传输长度,能大幅度地降低信号间的交叉干扰等等,所有这些都对高频电路的可靠工作有利。
有资料显示,同种材料时,四层板要比双面板的噪声低20dB。
但是,板层数越高,制造工艺越复杂,成本越高。
2) 高速电路器件管脚间的引线弯折越少越好。
高频电路布线的引线最好采用全直线,需要转折,可用45度折线或圆弧转折,这种要求在低频电路中仅仅用于提高钢箔的固着强度,而在高频电路中,满足这一要求却可以减少高频信号对外的发射和相互间的耦合。
用Protel布线时可在以下两处预先设置,一是在"Options"菜单的"TrackMode"子菜单中预约以45/90Line或90Arc/Line方式布线,二是在"Auto"菜单的"SetupAutorouter…"项所打开的RoutingPasses"对话框中选定"AddArcs",以便自动布线结束时使转角圆弧化。
3) 高频电路器件管脚间的引线越短越好。
Protel满足布线最短化的最有效手段是在自动市线前对个别重点的高速网络进行"布线"预约。
首先,打开"Netlst"菜单的"EditNet"子菜单,会出现一?
quot;ChangeNet"对话框,把此对话框中的"OptimizeMethod(布线优化模式)"选为"Shortest(最短化)"Rp可。
其次,从整体考虑,元件布局时用"Auto"中PlacementTools-Shove'和"Auto"中的"Density(密度检查)"来对比调整,使元件排列紧凑,并配合"Netlist"菜单中的"Length"功能和"Info"菜单中的Lengthofselection"功能,对所选定的需最短化的重点网络进行布线长度测量。
4) 高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好。
所谓"引线的层间交替越少越好"是指元件连接过程中所用的过孔(Via)越少越好,据测,一个过孔可带来约0.5pF的分布电容,减少过孔数能显著提高速度。
Protel软件专门提供了这一功能,它在Auto菜单的SetupAutorouter…"项所打开的RoutingPasses"对话框中,有一个"Advanced"栏目,把其中的"Smoothing"设为接通即可。
5) 高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的"交叉干扰",若无法避免平行分布,可在平行信号线的反面布置大面积"地"来大幅度减少干扰。
同一层内的平行走线几乎无法避免,但是在相邻的两个层,走线的方向务必取为相互垂直,这在Protel中不难办到但却容易忽视。
在"Auto"菜单的"SetupAutorouter…项所打开的RoutingLagers对话框中允许对每一层的走线方向进行预定,供预选的方向有三种:
quot;Horizontal、Vertical和NoPrefer-ence",不少用户习惯选用"NoPreference(无特定取向)",认为这样布通率高,但是,在高频电路布线中最好在相邻层分别取水平和竖直布线交替进行。
同一层内的平行走线无法避免,但可以在印板反面大面积敷设地线来降低干扰(这是针对常用的双面板而言,多层板可利用中间的电源层来实现这一功能),Protel软件过去只提供了简单的"Fill"功能来应付这种需求,现在Windows下的Protel除此之外还在"Edit"菜单的"Place"选项中提供了更强大的放置"PolygonPlane"的功能,即:
多边形栅格(条)铜箔面,如果在放置它时就把多边形取为整个印板的一个面,并把此栅格(条)与电路的GND网络连通,那么,该功能将能实现整块电路板的某一面的"铺铜"操作,经过"铺铜"的电路板除能提高刚才所讲的高频抗干扰能力外,还对散热、印板强度等有很大好处,另外,在电路板金属机箱上的固定处若加上镀锡栅条,不仅可以提高固定强度,保障接触良好,更可利用金属机箱构成合适的公共线。
在软件菜单中打开此功能后可见到一个"PlacePolygonPlane对话框,它会问你是否要把所放置的多边形栅格(条)与网络接通(connectnet),若接通该项,退出对话框时将提示你给出欲接通的网络名,给定接通GND网络将能起到屏蔽层的作用。
同时还会问你"铺铜"的图案是用水平条(horizonta)、竖直条(vertica)还是栅格(两者都选即可)。
选用栅格将会有较好的屏蔽效果,同时,栅格网的尺寸(习惯称作为"目")确定依据所要重点屏蔽的干扰频率而定。
6) 对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施。
该措施在Protel软件中也能自动实现,它就是"Edit"菜单的"Place"下的"OutlineSelect-edItems",即:
绘制所选对象的外轮廓线。
利用此功能,可以自动地对所选定的重要信号线进行所谓的"包地"处理,当然,把此功能用于时钟等单元局部进行包地处理对高速系统也将非常有益。
7) 各类信号走线不能形成环路,地线也不能形成电流环路。
Protel自动布线的走线原则除了前面所讲的最短化原则外,还有基于X方向、基于Y方向和菊花状(daisy)走线方式,采用菊花状走线能有效避免布线时形成环路。
具体可打开'Netlist"菜单的"EditNet"子菜单,出现一个"ChangeNet"对话框,把此对话框中的"OptimizeMethod(布线优化模式)"选为"DaisyChain"即可。
8) 每个集成电路块的附近应设置一个高频退耦电容。
由于Protel软件在自动放置元件时并不考虑退耦电容与被退耦的集成电路间的位置关系,任由软件放置,使两者相距太远,退耦效果大打折扣,这时必须用手工移动元件("Edit"、"Move""component")的办法事先干预两者位置,使之靠近。
9) 模拟地线、数字地线等接往公共地线时要用高频扼流环节。
在实际装配高频扼流环节时用的往往是中心孔穿有导线的高频铁氧体磁珠,在电路原理图上对它一般不予表达,由此形成的网络表(netlist)就不包含这类元件,布线时就会因此而忽略它的存在。
针对此现实,可在原理图中把它当作电感,在PCB元件库中单独为它定义一个元件封装,布线前把它手工移动到靠近公共地线汇合点的合适位置上。
工程师们有时开玩笑说,电缆是把另外两个隐患源连接进来的隐患源。
如今,有了价廉、易用的单片RF系统,如果你的工程项目,传输信号的距离不是很远,那就可以省去招惹是非的电缆了。
有一些应用场合,避免使用电缆反而会使设备的使用状况更好。
例如,在手持式控制盒与其所控制的设备之间,如果使用电缆链接,效果未必会好。
又如汽车或住房的遥控无钥匙输入(RKE)锁也是无电缆连接的。
有时有许多方式可以用廉价和易用的RF链接实现新的应用,而用接线连接,反而往往行不通。
像无线表头的读数、能量的控制,以及供暖、通风和空调这类应用,现在都可以形成系统,但在不久前,这种系统还是难以建立的,主要原因是成本太高了。
促成无线链接技术和系统发展有几方面原因,首先是最终用户要求使用方便。
市场已有不少产品,如人们随处可见的电视红外遥控器,就已开拓出自己发展的前程,也就是说这些产品和系统已经不用电缆来链接,而且,人们已习以为常。
其次,IC的生产厂家已把他们的生产工艺、产品和钟频提高到兆赫级,甚至是千兆赫级的范围,这样一来,用户所需要的RF频带,自然就包括在他们装置的工频范围之内了。
对于在此频率范围内上变频和下变频变换,这些IC往往都用不着再专门外接别的电路部件。
就能胜任工作。
用把分立元件――常常还是些恼人的有源和无源元件――来装配RF连接的时代已经结束。
更为难得的是,这些用IC做的RF连接器耗电极低,它工作的频带还没有具体的专利特许,也几乎没有什么现存的规定。
只要最终用户是处在指定的频率和功率电平范围内,就不用再做设计。
当然,切莫以为把这种最新一代的RFIC有效地用在专用的和点到点的连接器上是一件轻而易举的小事。
如果你要确保实现承诺,还得仔细地研究各种问题,因为不同型号的RFIC在许多相关参数,如频率、完备性和整体性能上,是不尽相同的。
向外伸出到达接收器用户的首要考虑是需要可靠地达到的距离。
这些含有末级功放的IC只耗毫瓦级功率电平,就可以使通信距离至少能够达到几米的量级,外部环境条件好时甚至能达到100米或更远一些。
如果你想要达到更长的距离,可以再外加一级RF放大器就可以了。
但是,请注意,加了这一级又会引出一些别的问题来,其中包括受规定限制的问题、功耗增大、增加器件数和成本,以及当你靠近时,接收器上的信号超载等问题,都要考虑(你也可以使用宽程自动增益的接收器,但其复杂程度就会增加)。
另一种方案是采用定向无线。
但是同样,由于某些原因,这种简单的方法往往也不现实;它会在目标方向上加大有效辐射功率(ERP),而这种ERP一般必须保持在规定限额以下。
虽然对没有受规定限制的接收器,你可以使用定向天线,但这又会限制用户移动的自由度(附文"这是罗德尼(Rodney)危险场情况")。
用户还需要考虑在简单、单向、单工链接与双向、半双工链接之间的权衡。
有许多应用,如RF识别(RFID)和RKE,只需要一种单工链接,但却从双向信号通道中受益。
单工链接对系统是否收到信号不提供确认功能。
当你对汽车上锁或开锁时,汽车喇叭会发出声音反馈给你,这样你也就完成了设定。
但是如果你在离家时对住所设定报警系统,你可能就需要对报警是否已确切收到待命信号并做了设定安排进行确认,或是报警系统工作的反馈,如在某一报警区的正确设置与否。
这种单向链接也限制了某些保安处理的算法的应用(附文"恰当的保安措施保你更平安")。
虽然半双工系统比单工系统需要用的元件多一些,但幸运的是,在这些低功耗的链接上却没有额外增加什么设计的复杂性。
唯一的公用系统部件是天线,而且因为链接不是全双工的,所以在发送器加电工作时,接收器的前端就用不着加电。
因此,设计上就不需要使用滤波器以及把接收和发送频带分开,而且发送器的加电状态也不会使接收器的前端出现饱和。
大多数这种低功耗、近距离的RF链接器,都是以低的或分散的占空比以及短信息进行运作的,因此对发送器功耗的计算就与对接收器计算不一样,因为后者至少要经常处于待机、收听或是轮询的模式。
一台标准的RKE机一天可能要用好几次,但每次使用时间只有几毫秒,所以电池的实际寿命可用1~2年。
虽然各种产品的应用情况不尽相同,但大多数对电池工作寿命的要求,都需要至少是二至三年。
请注意,如果你的应用涉及周期性信息,例如报警系统的一个输入点要回授其中央控制器以确认一切仍然正常,因而对发送器的功耗和工作电压要求十分严格。
你必须仔细斟酌你的设计在这方面的情况,或许应更换容量更大的电池,或采用更高的工作电压。
另外,在你的功耗预算中,一定别忘了把微控制器的功耗计算在内。
无线链路的这种固有特性,使它能比较随便地应用在场所不固定的场合之中。
不定的应用环境,有时还容易受到过冷过热和粗心操作等的影响。
因此,集成度高就有明显的优势。
因为集成度越高,就会省掉一些元件,那么,不仅延长了平均故障间隔时间,而且还对链路的工作距离有利。
当然,也正由于这种特性,RF电路也容易受失谐、漂移及灵敏度等的影响,因而,其标称的长期工作的距离,也可能会随着不可避免的用户的滥用及使用环境的恶劣影响而急剧缩短。
因此,用户需要在实际工作条件下对产品做寿命试验,这样,在12至18个月内,就不会因产品不好使而引起用户向你投拆,说他们车库门的遥控器作用距离在迅速缩短,或链路工作时好时坏。
由于其他一些原因,一般来说接收器的设计和装配比发送器的难度要大一些。
发送器有明确的任务:
只是在用户要求时,取一个已知的信号,将其编码并调制到已知的载波上,并提供足够的RF功率就可以了。
与此形成鲜明对照的是,接收器却要完成费力不讨好的信号处理任务,要时时保持警觉,或在频谱中出现失真、充满噪声信号而需调谐时,还要不断地轮询。
要求能在SNR低、有干扰、而且器件参数发生漂移的情况下仍能检出有用的信号。
因为这些以及其他的原因,许多生产RFIC的厂家就把精力集中在链路的接收器这一端。
也可以说,接收器是制造厂家获得最大的增值的地方,同时,也是用户受益最大的电路技术,还能减少设计工程师的大多数麻烦。
当然,发送器和接收器之间的这种差别,不应该误导人们,就此以为发送器的实施方案看得很简单。
除非你对产品自行设计开发和质量认证的能力有绝对的把握,否则你仍然要慎重地确定接收器厂家提供的发送器是否匹配,或有没有为了降低风险而可以借鉴的参考设计。
用户还要考虑适合你的应用和市场要求的频率,通常,频率较低的产品设计,容易布线布局,容易排障调试,但也有其缺点。
主要是它们需要的无源元件较多(有些无源元件是不可避免的),而且要在更加拥挤的频带上工作。
前几年RF连接电路的工作频率从200~300MHz升到300~400MHz频区,甚至高到900MHz。
工业、科研和医疗(ISM)甚至要求器件可工作于2.4GHz频段。
值得注意的是:
在2.4GHz频段工作的优点主要在于技术性规定方面。
其工作频率和约束因素在世界各地几乎都是统一的,所以某个设计产品,或该设计变动不大的产品,在任何地方你都可以使用。
用不同的层次结构来补救在接收器领域,EHArmstrong在30年代就开发出历史悠久的超外差式结构。
至今,在大多数应用中这种结构仍然是占支配地位的设计。
超外差把接收到的任何载波变成一个固定的中频,接收器再根据需要加以解调和处理。
这种优良的结构,多年来伴随着其生存得到了许多工程师的精炼与提高,同时也解决了不少的矛盾的问题(只是近几年,直接变换、零中周(Zero-IF)结构才在某些应用中实现)。
可惜的是,全超外差结构对于只要求单信道、单调制信号的低成本和低功耗接收器来说,如杀鸡用牛刀。
因此,RFIC生产厂家便根据接收器在这种功能有限的应用中对灵活性要求不高的情况,把凡是用户不需要的功能都加以删除。
有时对某些更为简单的设计,甚至干脆舍弃超外差方式。
当然,这只能是为有限功能而且只有一项作业的优化。
具有讽剌意味的是,上述变通设计中的一种竟是超再生接收器,也是Armstrong在做超外差机之前开发出来的那种超再生接收器(他本人很快就发现了这种超再生机的局限性,即使再简单,对通用性也是大问题)。
与对大多数器件和系统的情况一样,对某些规范技术的细节,用户必须有所了解。
对接收器灵敏度的技术规格更应该加以注意。
在规定最大数据速率(如确定用何种位误码率(BER)值)、输入带宽、调制系数及进行测量的占空度方面,存在着多种合理但难以比较的方法。
如果你的运行接近于链接器的最大潜力,你就需要就测试配置询问厂家。
目前用户能得到的最好RFIC产品应该是MicrelMICRF接收器系列,包括418~433MHz和900MHz带宽的器件。
用于较低频带的163引脚的MICRF002和8引脚的MICRF022,以及用于较高频带(除频带外其他一样)16引脚的MICRF003和8引脚的MICRF033电路,它们所采用的结构对每个单元无须手动调谐(图1)。
这些超外差接收器的目标是键控通/断,或移幅键控(ASK)式的,要求的外部元器件极少,只包括47nF的电容器,一只4.7μF电容器及一只便宜的6~7MHz的陶瓷谐振器。
这些IC不要滤波器,也不用电感器。
用于频率再高一些的产品有售价为4.50美元(批量1000只)的MICRF003/033,它们支持的数据速率可高达20kbps,并由CMOS逻辑接口提供数据。
正常运行时,IC由5V电源供电,耗电为4mA,在关机状态时,耗电为此数值的百分之一。
用户可以把接收器设置为定期唤醒并能检查进来的信号。
这种面向循环的运行方式,使整体功耗接近于关机状态的数值。
最近,德州仪器(TI)公司推出了TRF6900型收发器,用于850~950MHz频段,以及相关的MSP430超低功耗、16位μC,用于脉冲模式运行和低功耗。
相对比较复杂的48脚收发器,支持FM、FSK、键控通/断,以及ASK运作,并使用2.2~3.6V的电源供电,能产生高达6dBm的输出功率。
在一块RFIC中含有一个跳频信道、24位的直接数字式合成器、带11位的DAC,分辨率为230Hz;有一个基准振荡器和一个VCO;一个接收信号强度指示器(RSSI)模块;以及一个连接μC的串行接口。
这种IC发送数据的速度可以快到200kbps;为了降低功耗,用户可以对这个内部电路块进行通/断选择。
要使其技术发挥作用,IC内的这些电路块便在500ms内接通和断开,并且可以使待机功耗低到微安级。
随着详细的数据资料,TI公司还提供应用说明书、基于μC和基于PC的软件、参考设计、材料清单以及RF的设计布线布局文档。
要完成你在设计中的RF部分,还需要一个VHF滤波器、一个IF滤波器和一个晶体振荡器,外加几个电阻器、电容器和电感器,价格在1~5美元之间,取决于应用的实际情况。
Mitel公司正在用KESRX05这类IC扩展其发送器和接收器系列,KESRX05是老型号ESRX04PLL控制接收器的升级产品,通过一个内部除以64的预定标器而锁定在某个基准晶体振荡器上。
这种工作于260~470MHz频段的接收器采用ASK调制,允许数据速率高达100kbps,而普通的数据速率还不到5kbps。
在433MHz、2kbps数据率和50%的占空度时,接收器的灵敏度为-160~-109dBm。
Mitel公司还用抗干扰电路重新设计了接收器,这种电路能抑制在433.92MHz处相邻信道的干扰,例如那些来自附近业余无线电转发器的信号。
有了这样的特性,你就可以用一个便宜的LC前端滤波器代替价格昂贵的SAW滤波器。
重新设计后的接收器也把工作温度从前一代产品的85℃延伸到105℃;这种延伸对许多实际应用是重要的筹码,因为环境温度再加上阳光直晒会使IC的温度升得很高。
InfineonTechnologies公司(其前身是SiemensComponents公司)也在把其次400MHz的产品,扩展成频带更高的产品。
该公司针对868~870MHz和433~435MHz两个频带提供TDA5100ASK/FSK发送器;对欧洲市场提供互补式TDA5200ASK超外差接收器。
Infineon公司还提供面向美国市场的TDA5101和TDA5251,使用的工作频带为3.5~345MHz。
发送器是一种以16引脚TSSOPO封装的IC,售价为1.50美元(批量50000个),工作电压为2.1~4V。
IC上集成有VCO、PLL、晶体振监器、电源稳压器和功率放大器。
你可以采用带有μC的发送器,而μC是采用与发送器件共同的钟频晶振运作的。
接收器用的是5V电源,也包括一个VCO、PLL、限幅器、几个滤波器和一个数字比较器;灵敏度为1μC。
售价0.85美元(批量50,000)的IC采用28引脚的TSSOP封装。
Motorola公司也提供宽带RFIC,它可与基频信号处理器一道用于RF信道。
该公司的MC13146电路从直流到1.8GHz的发送器,在1dB压缩点可泵升10dBm输出。
该发送器包括一个线性混频器、VCO、双模预定标器和功率放大器。
工作电压为2.7~6.5V,消耗电流在1.8GHz时低于25mA;关机模式时,可降至66μA。
相配的MC13145接收器有一个低噪声放大器、两个混频器、一个VCO、一个双模预定标器、一个中频放大器和限幅器,一个RSS1电路和一个无电感FM/FSK调制解调器。
发送器采用24脚的LQFP封装;而接收器是采用48脚的LQFP封装。
ChipconComponentsAS公司的收发器IC引起了们极大的注意,因为它的输出功率相当高,因而作用距离也随之加大。
用于300~500MHzISM场合的CC400FSK数据传输率为9.6kbps,半双工运行时距离可达2000米(图2)。
输出功率范围从-5dBm至+14dBm,这样你就可以按1dB档次编程;接收器灵敏度在1.2kbps和10-3BER时为-112dBm。
IC以28引脚SSOP封装,工作电压为2.7~3.3V,接收器全天通电时的电流要求为18mA,用于轮询方式时平均工作电流为180μA。
厂家也提供全套开发配置,包括PC可配置的无线电模块、电缆和接插件,以及在PC上运行的软件。
最近,RFMicroDexices公司推出了一对用于902~928MHzISM频带的扩频发送器和接收器IC。
RF2908包括一个双变换接收器、一个正交调制器、双中频放大器、滤波器、数字比较器和一个PLL合成器。
这种68脚LQFP封装的IC售价为5.25美元(批量10000)。
相配的RF2909支持直接调制控制,用户可设置这种24引脚SSOP封装的电路的输出功率电平,从1mW到80mW,售价为2.35美元(批量10000)。
也有用于900MHz的,LevelOne公司的LXT810型,是32ksps扩频收发器,作用距离为100米(输出功率为1mW至100mW),不需要调谐、调整或滤波器。
用这种IC做的完整设计,所用分立元件不到30个。
如果你不想用清一色的IC来设计,也能考虑混合方式的话,就会发现有些厂家,如RFMonolithics公司提供的一些器件也只比封装的IC稍大一点,但却会扫清设计障碍,使设计绝对简单化。
产品系列包括运行在433MHz和916MHz频段的发送器、接收器和收发器,而且已被认证的不同型号可用于世界的不同地区。
例如,该公司售价15.20美元(批量1000)的3VRX6000放大器按序混合(ASH)接收器,支持的数据率可达115.2kbps,所用结构带有一个宽动态量程算法检测器、一个数字限幅器、数字式AGC、用于带外抑制的两级SAW滤波,并能支持几乎在任何天线阻抗下的稳定性(图3)。
在许多RF链路应用中,这种稳定系数是非常重要的,因为天线在其面向和对其周围传导面的邻近度改变时,实际阻抗也会改变。
ASH接收器的设计极大地提高了频道捕捉效应,而在RF场合内最强的信号就能对接收器起主导作用并进行全面捕捉。
同时,对不感兴趣的和较弱的信号,接收器就加以忽略,而这样并不使解调BER的功能降低(虽然这些特性看起来像是达尔文式(Darwinian)的,也是反映RF稠密律的,但却有利于建立好的链接!
)。
参考文献1介绍了独特的ASH结构及其特性的很有见地的讨论,并介绍了有关生产厂家之外的许多关键设计和应用问题。
你可能不久就会看到PhilsarElectronics公司的一种全双工收发器IC,工作频率为200~928MHz。
这种多用途32引脚SSOP封装的RF支持的数据率达到10kbps,包含有PLL、VCO和晶体振荡器以及其他主要功能的部件。
它要求约10个非关键的外部无源元件,并用一个有源滤波器使设计达到最佳功能。
这种3V的IC在接收模式时要求2.5mA电流(待机时为1μA),发送模式时则为6mA,能产生-12dBm的RF输出电平,在1000个取样/秒时灵敏度为-115dBm。
为了工作于2.4GHzISM频带,NationalSemiconductor公司提供一种LMX3162收发器,它能提供一个进家庭和小办公室LAN的输入点(图4)。
其中的接收器,RF灵敏度为-93dBm,RSSI灵敏度可达-100dBm。
85dB增益的中频放大器组紧跟这个前端,前端的系统噪声系数为6.5dB。
可用未经调整的3~5.5V电源供电,以48引脚封装。
在售价为5.60美元(批量1000个)的单变换收发器中,有一个收发功能共用的1.3GHzPLL、一个2.4GHz的倍频器、一个低噪声放大器、几个缓冲器、一个混频器、以及各种相关接收信道的功能和基本发送信号通道。
NationalSemiconductor公司与系统集成器伙伴
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