射频电路电源和接地的设计方法

若华

    射频(RF)电路的电路板布局应在理解电路板结构、电源布线和接地的基本原则的基础上进行。本文探讨了相关的基本原则，并提供了一些实用的、经过验证的电源布线、电源旁路和接地技术，可有效提高RF设计的性能指标。考虑到实际设计中PLL杂散信号对于电源耦合、接地和滤波器元件的位置非常敏感，本文着重讨论了有关PLL杂散信号抑制的方法。为便于说明问题，本文以MAX2827 802.11a/g收发器的PCB布局作为参考设计。

图1：星型拓扑的Vcc布线。

设计RF电路时，电源电路的设计和电路板布局常常被留到了高频信号通路的设计完成之后。对于没有经过认真考虑的设计，电路周围的电源电压很容易产生错误的输出和噪声，这会进一步影响到RF电路的性能。合理分配PCB的板层、采用星型拓扑的Vcc引线，并在Vcc引脚加上适当的去耦电容，将有助于改善系统的性能，获得最佳指标。

电源布线和旁路的基本原则

明智的PCB板层分配便于简化后续的布线处理，对于一个四层PCB板(WLAN中常用的电路板)，在大多数应用中用电路板的顶层放置元器件和RF引线，第二层作为系统地，电源部分放置在第三层，任何信号线都可以分布在第四层。第二层采用连续的地平面布局对于建立阻抗受控的RF信号通路非常必要，它还便于获得尽可能短的地环路，为第一层和第三层提供高度的电气隔离，使得两层之间的耦合最小。当然，也可以采用其它板层定义的方式(特别是在电路板具有不同的层数时)，但上述结构是经过验证的一个成功范例。

图2：不同频率下的电容阻抗变化。

大面积的电源层能够使Vcc布线变得轻松，但是，这种结构常常是引发系统性能恶化的导火索，在一个较大平面上把所有电源引线接在一起将无法避免引脚之间的噪声传输。反之

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接地层确定后，将所有的信号地以最短的路径连接到地层非常关键，通常用过孔将顶层的地线连接到地层，需要注意的是，过孔呈现为感性。图3所示为过孔精确的电气特性模型，其中Lvia为过孔电感，Cvia为过孔PCB焊盘的寄生电容。如果采用这里所讨论的地线布局技术，可以忽略寄生电容。一个1.6mm深、孔径为0.2mm的过孔具有大约0.75nH的电感，在2.5GHz/5.0GHz WLAN波段的等效电抗大约为12Ω/24Ω。因此，一个接地过孔并不能够为RF信号提供真正的接地，对于高品质的电路板设计，应该在RF电路部分提供尽可能多的接地过孔，特别是对于通用的IC封装中的裸露接地焊盘。不良的接地还会在接收前端或功率放大器部分产生有害的辐射，降低增益和噪声系数指标。还需注意的是，接地焊盘的不良焊接会引发同样的问题。除此之外，功率放大器的功耗也需要多个连接地层的过孔。

图4. 以MAX2827参考设计板为例的PLL滤波器元件布局。

滤除其它级电路的噪声、抑制本地产生的噪声，从而消除级与级之间通过电源线的交叉干扰，这是Vcc去耦带来的好处。如果去耦电容使用了同一接地过孔，由于过孔与地之间的电感效应，这些连接点的过孔将会承载来自两个电源的全部RF干扰，不仅丧失了去耦电容的功能，而且还为系统中的级间噪声耦合提供了另外一条通路。

在本文的后面部分将会看到，PLL的实现在系统设计中总是面临巨大挑战，要想获得满意的杂散特性必须有良好的地线布局。目前，IC设计中将所有的PLL和VCO都集成到了芯片内部，大多数PLL都利用数字电流电荷泵输出通过一个环路滤波器控制VCO。通常，需要用二阶或三阶的RC环路滤波器滤除电荷泵的数字脉冲电流，得到模拟控制电压。靠近电荷泵输出的两个电容必须直接与电荷泵电路的地连接。这样，可以隔离地回路的脉冲电流通路，尽量减小LO中相应的杂散频率。第三个电容(对于三阶滤波器)应该直接与VCO的地层连接，以避免控制电压随数字电流浮动。如果违背这些原则，将会导致相当大的杂散成分。

图4所示为PCB布线的一个范例，在接地焊盘上有许多接地过孔，允许每个Vcc去耦电容有其独立的接地过孔。方框内的电路是PLL环路滤波器，第一个电容直接与GND_CP相连，第二个电容(与一个R串联)旋转180度，返回到相同的GND_CP，第三个电容则与GND_VCO相连。这种接地方案可以获得较高的系统性能。

通过适当的电源和接地抑制PLL杂散信号

满足802.11a/b/g系统发送频谱模板的要求是设计过程中的一个难点，必须对线性指标和功耗进行平衡，并留出一定裕量，确保在维持足够的发射功率的前提下符合IEEE和FCC规范。IEEE 802.11g系统在天线端所要求的典型输出功率为+15dBm，频率偏差20MHz时为-28dBr。频带内相邻信道的功率抑制比(ACPR)是器件线性特性的函数，这在一定前提下、对于特定的应用是正确的。在发送通道优化ACPR特性的大量工作是靠凭借经验对Tx IC和PA的偏置进行调节，并对PA的输入级、输出级和中间级的匹配网络进行调谐实现的。

图5：采用环路滤波器的效果。

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图6：不合理的VCC_VCO去耦测试结果。

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易阳

这篇文章比较有价值。

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