??避免ISM-RF產(chǎn)品中的PCB設(shè)計(jì)“缺陷”

工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療系統(tǒng)射頻（ISM-RF）產(chǎn)品的電路設(shè)計(jì)往往非常緊湊。為避免常見的設(shè)計(jì)缺陷或“陷阱”，需要特別注意這些應(yīng)用的布局。這些產(chǎn)品可能工作在300MHz至915MHz之間的任何ISM頻帶，其接收機(jī)和發(fā)射機(jī)的RF功率范圍通常介于-120dBm至+13dBm之間。本文主要討論了電感放置的方向、線路耦合、接地過(guò)孔以及引線長(zhǎng)度、接地、晶體電容、引線電感等諸多問(wèn)題。

　　引言

　　工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療射頻（ISM-RF）產(chǎn)品的無(wú)數(shù)應(yīng)用案例表明，這些產(chǎn)品的印制板（）布局很容易出現(xiàn)各種缺陷。人們時(shí)常發(fā)現(xiàn)相同IC安裝到兩塊不同電路板上，所表現(xiàn)的性能指標(biāo)會(huì)有顯著差異。工作條件、諧波輻射、抗干擾能力，以及啟動(dòng)時(shí)間等等諸多因素的變化，都能說(shuō)明電路板布局在一款成功設(shè)計(jì)中的重要性。

　　本文羅列了各種不同的設(shè)計(jì)疏忽，探討了每種失誤導(dǎo)致電路故障的原因，并給出了如何避免這些設(shè)計(jì)缺陷的建議。本文以FR-4電介質(zhì)、厚度0.0625in的雙層為例，電路板底層接地。工作頻率介于315MHz到915MHz之間的不同頻段，Tx和Rx功率介于-120dBm至+13dBm之間。表1列出了一些可能出現(xiàn)的布局問(wèn)題、原因及其影響。

表1. 典型的布局問(wèn)題和影響

Problem

Cause

Effect

LNA/tank circuit arrangement (receiver)

Inductor orientation

RF feedthrough

Degeneration/π-network arrangement (transmitter)

Inductor orientation

RF feedthrough

Shared ground vias between legs of π network

Via parasitics

Feedthrough, RF leakage

Shared ground vias between receiver blocks

Via parasitics

Crosstalk, RF feedthrough, RF leakage

Long traces for decoupling capacitors

Higher-impedance connections

Reduced decoupling

Wide component placement

Increased parasitics, ground loops

Detuning, crosstalk, feedthrough

Colinear traces in the transmitter circuit

Filter bypassing, i.e., power amplifier (PA) directly to antenna

Harmonics radiation

Top-layer copper pours

Parasitic coupling

RF leakage, RF interference

Discontinuous ground plane

Return current concentration

Crosstalk, feedthrough

Crystal connection trace length

Excess capacitance

LO frequency pulling

Crystal connection trace separation

Excess capacitance

LO frequency pulling

Ground plane under crystal pads

Excess capacitance

LO frequency pulling

Planar trace inductors

Poor inductance control

Large footprint, low Q, crosstalk, feedthrough

　　其中大多數(shù)問(wèn)題源于少數(shù)幾個(gè)常見原因，我們將對(duì)此逐一討論。

　　電感方向

　　當(dāng)兩個(gè)電感（甚至是兩條走線）彼此靠近時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生互感。第一個(gè)電路中的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)對(duì)第二個(gè)電路中的電流產(chǎn)生激勵(lì)（圖1）。這一過(guò)程與變壓器初級(jí)、次級(jí)線圈之間的相互影響類似。當(dāng)兩個(gè)電流通過(guò)磁場(chǎng)相互作用時(shí)，所產(chǎn)生的電壓由互感L_M決定：

　　式中，Y_B是向電路B注入的誤差電壓，I_A是在電路A作用的電流。L_M對(duì)電路間距、電感環(huán)路面積（即磁通量）以及環(huán)路方向非常敏感。因此，緊湊的電路布局和降低耦合之間的最佳平衡是正確排列所有電感的方向。

圖1. 由磁力線可以看出互感與電感排列方向有關(guān)

　　對(duì)電路B的方向進(jìn)行調(diào)整，使其電流環(huán)路平行于電路A的磁力線。為達(dá)到這一目的，盡量使電感互相垂直，請(qǐng)參考低功率FSK超外差接收機(jī)評(píng)估（EV）板（MAX7042EVKIT）的電路布局（圖2）。該電路板上的三個(gè)電感（L3、L1和L2）距離非常近，將其方向排列為0°、45°和90°，有助于降低彼此之間的互感。

圖2. 圖中所示為兩種不同的布局，其中一種布局的元件排列方向不合理（L1和L3），另一種的方向排列則更為合適。

　　綜上所述，應(yīng)遵循以下原則：

　　●電感間距應(yīng)盡可能遠(yuǎn)。

　　●電感排列方向成直角，使電感之間的串?dāng)_降至最小。

　　引線耦合

　　如同電感排列方向會(huì)影響磁場(chǎng)耦合一樣，如果引線彼此過(guò)于靠近，也會(huì)影響耦合。這種布局問(wèn)題也會(huì)產(chǎn)生所謂的互感。RF電路最關(guān)心問(wèn)題之一即為系統(tǒng)敏感部件的走線，例如輸入匹配網(wǎng)絡(luò)、接收器的諧振槽路、發(fā)送器的天線匹配網(wǎng)絡(luò)等。