基于RF電路常見設(shè)計問題，在同塊PCB種數(shù)字電路與RF電路如何和諧相處？

　　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。這主要是因為數(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間，使得這些數(shù)字信號包含大量的且獨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)部時鐘周期內(nèi)短時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。因此，假設(shè)一個微控制器以1 MHz 的內(nèi)部時鐘頻率運行，它將以此頻率從電源提?。}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)計者來說這也許難于理解，因為即使沒有地線層，大多數(shù)數(shù)字電路功能也表現(xiàn)良好。而在RF 頻段，即使一根很短的線也會如電感一樣作用。粗略計算，每mm 長度的電感量約為1 nH ， 434 MHz 時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)計特性。

　?。?）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。

　　3 RF 電路和數(shù)字電路做在同塊PCB 上的解決方案

　　以下給出在大多數(shù)RF 應(yīng)用中的一些通用設(shè)計和布線策略。然而，遵循實際應(yīng)用中RF 器件的布線建議更為重要。

　　（1）一個可靠的地線層面

　　當(dāng)設(shè)計有RF 元件的PCB 時，應(yīng)該總是采用一個可靠的地線層。其目的是在電路中建立一個有效的0 V 電位點，使所有的器件容易去耦。供電電源的0 V 端子應(yīng)直接連接在此地線層。由于地線層的低阻抗，已被去耦的兩個節(jié)點間將不會產(chǎn)生信號耦合。對于板上多個信號幅值可能相差120 dB ，這一點非常重要。在表面貼裝的PCB 上，所有信號布線在元件安裝面的同一面，地線層則在其反面。理想的地線層應(yīng)覆蓋整個PCB （除了天線PCB 下方）。如果采用兩層以上的PCB ，地線層應(yīng)放置在鄰近信號層的層上（如元件面的下一層）。另一個好方法是將信號布線層的空余部分也用地線平面填充，這些地線平面必須通過多個過孔與主地線層面連接。需要注意的是：由于接地點的存在會引起旁邊的電感特性改變，因此選擇電感值和布置電感是必須仔細(xì)考慮的。

　　（2）縮短與地線層的連接距離

　　所有對地線層的連接必須盡量短，接地過孔應(yīng)放置在（或非常接近）元件的焊盤處。決不要讓兩個地信號共用一個接地過孔，這可能導(dǎo)致由于過孔連接阻抗在兩個焊盤之間產(chǎn)生串?dāng)_。

　　（3） RF 去耦

　　去耦電容應(yīng)該放置在盡可能靠近引腳的位置，每個需要去耦的引腳處都應(yīng)采用電容去耦。采用高品質(zhì)的陶瓷電容，介電類型最好是“ NPO” ， “ X7R” 在大多數(shù)應(yīng)用中也能較好工作。理想的選擇電容值應(yīng)使其串聯(lián)諧振等于信號頻率。例如434 MHz 時，SMD 貼裝的100 p F 電容將良好工作，此頻率時，電容的容抗約為4 Ω，過孔的感抗也在同樣范圍。串聯(lián)的電容和過孔對于信號頻率形成一個陷波濾波器，使之能有效的去耦。868 MHz 時，33 p F 電容是一個理想的選擇。除了RF 去耦的小值電容，一個大值電容也應(yīng)放置在電源線路上去耦低頻，可選擇一個2. 2 μF陶瓷或10μF 的鉭電容。