PCB科技 - 如何在PCB板上安裝射頻電路和數位電路

如何在PCB板上安裝射頻電路和數位電路

單片機射頻器件在一定規模內極大地促進了無線通訊領域的應用. 選擇合適的微控制器和天線並組合此收發器設備可以形成完整的無線通訊連結.
它們可以集成在一個小型 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.

數位電路與類比電路之間的潜在對立

假設類比電路（RF）和數位電路（微控制器）可以獨立工作，但一旦將兩者放在同一電路板上並使用同一電源一起工作，整個系統可能會不穩定。

這主要是因為數位信號經常在地面和正極電源（3 V）之間擺動，週期很短，通常在ns級。 由於這些數位信號具有較大的幅度和較小的開關時間，囙此包含許多與開關頻率無關的高頻分量。

在類比部分，從天線調諧回路傳輸到無線設備接收部分的訊號通常小於1mV。囙此，數位信號和射頻訊號之間的差值將達到10-6（120 dB）。

顯然，假設無法很好地區分數位信號和射頻訊號，則微弱的射頻訊號可能會受到損壞。 結果，無線設備的操作功能將惡化，甚至根本無法操作。

射頻電路和數位電路在同一PCB上的常見問題

無法充分阻斷有源線和雜訊訊號線是一個常見問題。 如上所述，數位信號具有高擺幅，並且包含許多高頻諧波。

假設啟動的類比信號靠近 PCB電路板, 高頻諧波可能在.

射頻設備最活躍的節點通常是鎖相環（PLL）的環路濾波電路、外部壓控振盪器（VCO）電感、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/輸出信號的擺幅為幾伏，數位電路通常可以承受電源雜訊（小於50毫伏）。 在類比電路時，它適用於電源雜訊，特別是故障電壓和其他高頻諧波。

囙此，包含RF（或其他類比）電路的PCB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，並且應防止自動佈線。

同時，還應注意，微控制器（或其他數位電路）將在短時間內突然吸收每個內部時鐘週期中的大部分電流。 這是因為現代微控制器使用CMOS工藝規劃。

囙此，假設微控制器以1 MHz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。 如果不採用適當的電源去耦，將不可避免地導致電源線上出現電壓故障。

假設這些電壓故障到達電路RF部分的電源引脚，則可能導致操作嚴重失敗。 囙此，有必要確保類比電源線與數位電路區分開。

（2）接地線不合理

射頻電路板應始終有一個接地板連接到電源的負極。 如果處理不當，可能會出現一些奇怪的現象。

對於數位電路規劃師來說，這可能很難理解，因為即使沒有接地層，大多數數位電路功能也很出色。

在射頻頻段，即使很短的導線也會產生與電感相同的效果。 粗略計算，每毫米長度的電感約為1 nH，10毫米PCB電路在434 MHz時的電感約為27Î）。 假設未選擇地線層，大多數地線將更長，電路將無法保證計畫的特性。

（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，這一點常常被忽視。 除了射頻部分，板上通常還有其他類比電路。 例如，許多微控制器都有內寘的模數轉換器（ADC），用於量測類比輸入和電池電壓或其他參數。

假設RF發射機的天線位於該PCB附近（或該PCB上），則聲明的高頻訊號可能到達ADC的類比輸入。 不要忘記，任何電路線路都可能發出或接收與天線相同的射頻訊號。

假設ADC輸入的處理不合理，射頻訊號可能在ADC輸入的ESD二極體中自激，然後導致ADC錯誤。 射頻電路和數位電路採用相同的PCB加工方案

下麵給出了大多數射頻應用中的一些總體規劃和佈線策略。 然而，更重要的是在實踐中遵循射頻設備的佈線建議。

（1）可靠的接地層

在規劃帶有射頻組件的PCB時，應始終選擇可靠的接地板。 其目的是在電路中建立一個有用的0 V電位點，以便所有設備簡單地解耦。

電源的0 V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不會有訊號耦合。

電路板上多個訊號的振幅可能相差120 dB，這一點非常重要。 在外部安裝的PCB上，所有訊號佈線都位於組件設備表面的同一側，並且接地層不好。

吸氣接地層應覆蓋整個PCB（天線PCB下方除外）。 假設使用兩層以上的PCB，則接地層應放置在附近訊號層的層上（例如組件表面下方的層）。

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周圍電感特性發生變化，囙此有必要仔細考慮電感值的選擇和電感的放置。

（2）縮短與地面層的連接距離

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）組件的焊盤。 切勿讓兩個接地訊號共亯一個接地過孔，這可能會由於過孔連接阻抗而導致兩個焊盤之間的串擾。

（3）射頻去耦

去耦電容器應盡可能靠近管脚放置，並且應在需要去耦的每個管脚處使用電容器去耦。

選擇優質陶瓷電容器。 最佳電介質類型為“NPO”。 “X7R”可以在大多數應用程序中正常工作。 電容值的理想選擇應使串聯諧振等於訊號頻率。

例如，在434 MHz時，安裝在SMD上的100 p F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的範圍內。 電容器和通孔串聯形成一個與訊號頻率相關的陷波濾波器，有利於去耦。

在868 MHz時，33 p F電容是理想的選擇。 除了用於射頻去耦的小值電容器外，還應在電源線上放置一個大值電容器以去耦低頻。 可選擇2.2mF陶瓷或10mF鉭電容器。

（4）電源星形接線

星形佈線是根據電路規劃中的一項著名科技建模的。 星形接線電路板上的每個模塊都有自己的電源線，從公共電源點引出。

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附近解耦。

這是一種將電源雜訊與數位部分和射頻部分隔離的有用方法。

假設將具有嚴重雜訊的模塊放置在同一電路板上，可以在電源線和模塊之間串聯一個電感器（磁珠）或一個小電阻（10Î），並且必須使用至少10mF的鉭電容器作為電容器。 這些模塊的電源已解耦。 這些模塊是RS 232驅動器或開關電源調節器。

(5) Arrange PCB佈局 合理的

為了减少雜訊模塊和週邊類比部分的干擾，各電路模塊在板上的佈局非常重要。 始終使有源模塊（射頻部分和天線）遠離雜訊模塊（微控制器和RS 232驅動程序），以防止干擾。

（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干擾其他有源類比電路模塊，如ADC。 大多數問題發生在較低的工作頻段（如27 MHz）和高功率輸出水准。 使用射頻去耦電容器（100p F）連接到地面並連續耦合有源點是一個良好的規劃習慣。

（7）車載環形天線的特殊注意事項

天線都可以構建在PCB上。

和傳統的鞭狀天線相比，它不僅節省了空間和生產成本，而且組織更加穩定可靠。 通常，環形天線的頻寬相對較窄，這有助於抑制不需要的强訊號干擾接收機。 請注意，環形天線（就像所有其他天線一樣）可能會接收來自附近雜訊訊號線的電容耦合雜訊。

這會干擾接收機，也可能影響發射機的調製。 囙此，切勿在天線附近鋪設數位信號線，建議在天線周圍保持自由空間。

任何靠近天線的物體都將構成調諧網絡的一部分，這將導致天線調諧偏離預期的頻率點，並减少發射和接收輻射的範圍（距離）。 對於所有類型的天線，必須注意這一事實，電路板的外殼（外包裝）也可能影響天線調諧。

同時，應小心拆除天線區域的接地層，否則天線無法有效使用。

(8) 電路板 connection

假設使用電纜將RF電路板連接到外部數位電路，則應使用雙絞線。 每個訊號線必須與接地線（DIN/接地、多特/接地、反恐精英/GND、PWR-UP/GND）絞合在一起。

記住用雙絞線的地線連接RF電路板和數位應用電路板，電纜長度應盡可能短。 RF電路板的電源電路也必須與GND（VDD/GND）絞合。

總之

射頻集成電路的快速發展為從事無線數位音訊和視頻資料傳輸系統、無線遙控、遙測系統、無線資料獲取系統、無線網路以及無線安全和防禦系統的工程師和科技人員提供了最大的無線應用瓶頸。 可能

同時，射頻電路的規劃要求規劃師具有一定的實踐經驗和工程規劃能力。