PCB新聞 - 射頻電路和數位電路如何在同一塊PCB上和諧共存？

射頻電路和數位電路如何在同一個平臺上和諧共存 印刷電路板?
該單片射頻器件極大地方便了在一定範圍內的無線通訊領域的應用. 通過將適當的微控制器和天線與收發器設備結合使用，可以形成完整的無線通訊連結. 它們可以集成在一個小的 電路板 並應用於無線數位音訊和數位視訊資料傳輸系統等許多領域, 無線遙控和遙測系統, 無線資料獲取系統, 無線網路, 和無線安全系統.

1 Potential contradictions between digital circuits and analog circuits

If the analog circuit (RF) and the digital circuit (microcontroller) work separately, 它們可能工作得很好, 但一旦兩者放在同一個位置上 電路板 並與同一電源一起工作, 整個系統可能不穩定 . This is mainly because the digital signal frequently swings between the ground and the positive power supply (3V in size), 而且週期很短, 通常在ns級別. 由於振幅較大，開關時間較小, 這些數位信號包含大量與開關頻率無關的高頻分量. 在類比部分, 從天線調諧環路傳輸到無線設備接收部分的訊號通常小於1mV. 因此, the difference between the digital signal and the radio frequency signal will reach 10-6 (120dB). 明顯地, 如果數位信號和射頻訊號不能很好地分離, 微弱的射頻訊號可能會被破壞. 以這種管道, 無線設備的工作效能將惡化，甚至根本無法工作.

2同一印刷電路板上射頻電路和數位電路的常見問題

敏感線和雜訊訊號線的隔離不足是一個常見問題. 如上所述, 數位信號具有高擺幅，並包含大量高頻諧波. 如果 印刷電路板板 is adjacent to the sensitive analog signal, 高頻諧波可以通過. The most sensitive nodes of RF devices are usually the loop filter circuit of the phase-locked loop (PLL), the external voltage-controlled oscillator (VCO) inductor, 晶體參攷訊號和天線端子. 應特別小心處理電路的這些部分.

（1）電源雜訊

由於輸入/輸出信號具有幾伏的擺幅，數位電路通常可以接受電源雜訊（低於50mV）。 類比電路對電源雜訊非常敏感，尤其是對故障電壓和其他高頻諧波。 囙此，包含RF（或其他類比）電路的印刷電路板上的電源線佈線必須比普通數位電路板上的佈線更加小心，並且應避免自動佈線。 同時，應注意，微控制器（或其他數位電路）將在每個內部時鐘週期內的短時間內突然消耗大部分電流。 這是因為現代微控制器是用CMOS科技設計的。 囙此，假設微控制器以1MHz的內部時鐘頻率運行，它將以該頻率從電源中選取（脈衝）電流。 如果不採取適當的電源去耦，將不可避免地在電源線上造成電壓故障。 如果這些電壓毛刺到達電路RF部分的電源引脚，則在嚴重情况下可能會導致工作故障。 囙此，有必要確保類比電源線與數位電路區分離。

（2）接地線不合理

射頻電路板應始終具有連接到電源負極的接地層。 如果處理不當，可能會出現一些奇怪的現象。 對於數位電路設計師來說，這可能很難理解，因為大多數數位電路功能即使在沒有接地層的情况下也表現良好。 在射頻頻段，即使是短導線也會像電感器一樣工作。 粗略計算，每毫米長度的電感約為1nH，10mm印刷電路板電路在434MHz時的電感約為27Î）。 如果不使用地線層，大多數地線將更長，電路將無法保證設計特性。

（3）天線對其他類比部件的輻射

在包含射頻和其他部件的電路中，這一點經常被忽略。 除了射頻部分，板上通常還有其他類比電路。 例如，許多微控制器都內寘了模數轉換器（ADC），用於量測類比輸入和電池電壓或其他參數。 如果射頻發射器的天線位於該印刷電路板附近（或該印刷電路板上），則發出的高頻訊號可能到達ADC的類比輸入。 不要忘記，任何電路線都可能像天線一樣發射或接收射頻訊號。 如果ADC輸入端子處理不當，射頻訊號可能在ADC輸入的ESD二極體中自激，導致ADC偏差。

3射頻電路和數位電路在同一印刷電路板上的解決方案

下麵給出了大多數射頻應用中的一些一般設計和佈線策略。 然而，在實際應用中，遵循射頻設備的路由建議更為重要。

（1）可靠的接地層

當設計帶有射頻元件的印刷電路板時，應始終使用可靠的接地層。 其目的是在電路中建立一個有效的0V電位點，以便所有設備都可以輕鬆解耦。 電源的0V端子應直接連接到此接地層。 由於接地層的低阻抗，已解耦的兩個節點之間將不存在訊號耦合。 電路板上多個訊號的幅度可能相差120dB，這一點非常重要。 在表面安裝的印刷電路板上，所有訊號佈線位於組件安裝表面的同一側，接地層位於相反一側。 理想的接地層應覆蓋整個印刷電路板（天線印刷電路板下方除外）。 如果使用具有兩層以上的印刷電路板，則接地層應放置在與訊號層相鄰的層上（例如元件表面下方的層）。 另一個好方法是用接地層填充訊號佈線層的空白部分。 這些接地層必須通過多個過孔連接到主接地層。 需要注意的是，接地點的存在會導致附近的電感特性發生變化，囙此必須仔細考慮電感值的選擇和電感的放置。

（2）縮短與地平面的連接距離

與接地層的所有連接必須盡可能短，接地過孔應放置（或非常靠近）部件焊盤。 切勿讓兩個接地訊號通過共用一個接地孔。 由於通孔連接阻抗，這可能會導致兩個焊盤之間發生串擾。

（3）射頻去耦

去耦電容器應盡可能靠近引脚放置，並且應在需要去耦的每個引脚處使用電容器進行去耦。 使用優質陶瓷電容器的最佳介質類型是“NPO”。 “X7R”在大多數應用程序中也能很好地工作。 理想的電容值選擇應使串聯諧振等於訊號頻率。 例如，在434MHz下，安裝SMD的100pF電容器將工作良好。 在該頻率下，電容器的電容電抗約為4Î），通孔的電感電抗也在相同範圍內。 串聯電容器和通孔形成訊號頻率的陷波濾波器，囙此可以有效地解耦。 在868MHz時，33pF電容器是理想的選擇。 除了用於射頻去耦的小值電容器外，還應在電源線上放置大值電容器以將低頻去耦。 您可以選擇2.2mF陶瓷或10mF鉭電容器。

（4）電源星形接線

星形佈線是類比電路設計中的一種眾所周知的科技（如圖1所示）。 星形接線電路板上的每個模塊都有自己的電源線，來自公共電源點。 在這種情況下，星形佈線意味著電路的數位部分和射頻部分應該有自己的電源線，這些電源線應該在IC附近單獨解耦。 這是從數位部分和射頻部分分離電源雜訊的有效方法。 如果在同一電路板上放置具有嚴重雜訊的模塊，則可以在電源線和模塊之間串聯電感（磁珠）或小電阻（10Ω），並且必須使用至少10mF的鉭電容器進行這些模塊的電源去耦。 這些模塊是RS 232驅動器或開關電源調節器。

(5) Arrange 印刷電路板佈局 reasonably

為了减少雜訊模塊和周圍類比部件的干擾，板上每個電路模塊的佈局很重要。 始終使敏感模塊（射頻部分和天線）遠離雜訊模塊（微控制器和RS 232驅動器），以避免干擾。

（6）遮罩射頻訊號對其他類比部件的影響

如上所述，射頻訊號在發送時會對其他敏感類比電路模塊（如模數轉換器）造成干擾。 大多數問題發生在較低的工作頻段（如27MHz）和高功率輸出水准。 將射頻去耦電容器（100pF）接地以去耦敏感點是一種良好的設計實踐。

（7）車載環形天線的特殊注意事項

天線可以集成在 印刷電路板. 與傳統鞭狀天線相比, 它不僅節省了空間和生產成本, 但在機理上也更穩定可靠. 按慣例, 環形天線設計適用於相對較窄的頻寬, 這有助於抑制不需要的强訊號，以免干擾接收器. It should be noted that loop antennas (just like all other antennas) may receive noise capacitively coupled by nearby noise signal lines. 它將干擾接收器，也可能影響發射器的調製. 因此, 不得在天線附近鋪設數位信號線, 建議在天線周圍保留自由空間. 任何靠近天線的物體都將構成調諧網絡的一部分, which will cause the antenna tuning to deviate from the expected frequency point and reduce the transmission and reception radiation range (distance). 適用於所有類型的天線, attention must be paid to the fact that the shell (outer packaging) of the 電路板 也可能影響天線調諧. 同時, 應小心拆除天線區域的接地層, 否則天線無法有效工作.
(8) Connection of 電路板
如果a cable is used to connect the RF 電路板 至外部數位電路, 應使用雙絞線. Each signal wire must be twisted with the 接地 wire (DIN/接地, 多特/接地, 反恐精英/GND, 壓水堆UP/GND). 記住連接射頻 電路板 以及數位應用 電路板 使用雙絞線電纜的地線, 電纜長度應盡可能短. 向RF供電的電路 電路板 must also be twisted with GND (VDD/GND).