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首页提升高频电路设计效率的PCB布局策略
本文档深入探讨了高频电路及RF电路PCB设计的关键要素和最佳实践。首先,高频电路的特点决定了高集成度和密集布线的必要性,多层板设计在此场景下显得至关重要。通过采用多层板结构,如Protel for Windows V1.5提供的16个铜线层和4个电源层,可以有效减少电磁干扰,提高信号质量,降低寄生电感,并缩短信号传输距离。四层板相比双面板具有更低的噪声水平,但层数增加会带来制造成本的上升。 在具体设计技巧上,强调了高速电路中引线的处理方式。引线弯曲应尽量减小,特别是在高频电路中,直线路由有助于减少信号发射和耦合,可以通过Protel的"TrackMode"设置为45度或90度线,以及"RoutingPasses"中的"AddArcs"选项确保转角圆滑。 线路长度是另一个关键因素,高频电路设计者应使用"布线优化模式"中的"最短化",并在布局阶段利用"PlacementTools"和"Density检查"功能保证元件紧凑排列。同时,通过"Length"功能和"Info"菜单中的长度测量工具,精确控制重点网络的布线长度。 此外,引线的层间交替,即过孔的使用,也需谨慎处理。每个过孔都会引入额外的分布电容,影响电路速度,因此尽量减少过孔的数量是提升高频电路性能的有效方法。Protel软件提供了工具帮助设计师在满足设计需求的同时,最小化过孔的影响。 这篇文档为高频电路及RF电路的PCB设计者提供了实用的设计指南,涵盖了从板层数选择、引线设计到布局优化等各个环节,旨在提高电路的可靠性和性能,同时兼顾成本和工艺可行性。
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种合理但难以比较的方法。如果你的运行接近于链接器的最大潜力,你就需要就
测试配置询问厂家。目前用户能得到的最好 RF IC 产品应该是 Micrel MICRF
接收器系列,包括 418~433MHz 和 900MHz 带宽的器件。用于较低频带的
163 引脚的 MICRF002 和 8 引脚的 MICRF022,以及用于较高频带(除频带
外其他一样)16 引脚的 MICRF003 和 8 引脚的 MICRF033 电路,它们所采用
的结构对每个单元无须手动调谐(图 1)。这些超外差接收器的目标是键控通/
断,或移幅键控(ASK)式的,要求的外部元器件极少,只包括 47nF 的电容器,
一只 4.7μF 电容器及一只便宜的 6~7MHz 的陶瓷谐振器。这些 IC 不要滤波器,
也不用电感器。
用于频率再高一些的产品有售价为 4.50 美元(批量 1000 只)的 MICRF003
/033,它们支持的数据速率可高达 20kbps,并由 CMOS 逻辑接口提供数据。
正常运行时,IC 由 5V 电源供电,耗电为 4mA,在关机状态时,耗电为此数值
的百分之一。用户可以把接收器设置为定期唤醒并能检查进来的信号。这种面向
循环的运行方式,使整体功耗接近于关机状态的数值。最近,德州仪器(TI)公
司推出了 TRF6900 型收发器,用于 850~950MHz 频段,以及相关的 MSP430
超低功耗、16 位 μC,用于脉冲模式运行和低功耗。相对比较复杂的 48 脚收发
器,支持 FM、FSK、键控通/断,以及 ASK 运作,并使用 2.2~3.6V 的电源
供电,能产生高达 6dBm 的输出功率。在一块 RF IC 中含有一个跳频信道、24
位的直接数字式合成器、带 11 位的 DAC,分辨率为 230Hz;有一个基准振荡
器和一个 VCO;一个接收信号强度指示器(RSSI)模块;以及一个连接 μC 的
串行接口。这种 IC 发送数据的速度可以快到 200kbps;为了降低功耗,用户
可以对这个内部电路块进行通/断选择。要使其技术发挥作用,IC 内的这些电
路块便在 500ms 内接通和断开,并且可以使待机功耗低到微安级。随着详细的
数据资料,TI 公司还提供应用说明书、基于 μC 和基于 PC 的软件、参考设计、
材料清单以及 RF 的设计布线布局文档。要完成你在设计中的 RF 部分,还需要
一个 VHF 滤波器、一个 IF 滤波器和一个晶体振荡器,外加几个电阻器、电容器
和电感器,价格在 1~5 美元之间,取决于应用的实际情况。Mitel 公司正在用
KESRX05 这类 IC 扩展其发送器和接收器系列,KESRX05 是老型号 ESRX04
PLL 控制接收器的升级产品,通过一个内部除以 64 的预定标器而锁定在某个基
准晶体振荡器上。这种工作于 260~470MHz 频段的接收器采用 ASK 调制,允
许数据速率高达 100kbps,而普通的数据速率还不到 5kbps。在 433MHz、
2kbps 数据率和 50%的占空度时,接收器的灵敏度为-160~-109dBm。
Mitel 公司还用抗干扰电路重新设计了接收器,这种电路能抑制在 433.92MHz
处相邻信道的干扰,例如那些来自附近业余无线电转发器的信号。有了这样的特
性,你就可以用一个便宜的 LC 前端滤波器代替价格昂贵的 SAW 滤波器。重新
设计后的接收器也把工作温度从前一代产品的 85℃延伸到 105℃;这种延伸对
许多实际应用是重要的筹码,因为环境温度再加上阳光直晒会使 IC 的温度升得
很高。Infineon Technologies 公司(其前身是 Siemens Components 公司)
也在把其次 400MHz 的产品,扩展成频带更高的产品。该公司针对 868~
870MHz 和 433~435MHz 两个频带提供 TDA5100ASK/FSK 发送器;对欧
洲市场提供互补式 TDA5200ASK 超外差接收器。Infineon 公司还提供面向美
国市场的 TDA5101 和 TDA5251,使用的工作频带为 3.5~345MHz。发送器
是一种以 16 引脚 TSSOPO 封装的 IC,售价为 1.50 美元(批量 50000 个),
工作电压为 2.1~4V。IC 上集成有 VCO、PLL、晶体振监器、电源稳压器和功
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率放大器。你可以采用带有 μC 的发送器,而 μC 是采用与发送器件共同的钟频
晶振运作的。接收器用的是 5V 电源,也包括一个 VCO、PLL、限幅器、几个滤
波器和一个数字比较器;灵敏度为 1μC。售价 0.85 美元(批量 50,000)的 IC
采用 28 引脚的 TSSOP 封装。Motorola 公司也提供宽带 RF IC,它可与基频
信号处理器一道用于 RF 信道。该公司的 MC13146 电路从直流到 1.8GHz 的
发送器,在 1dB 压缩点可泵升 10dBm 输出。该发送器包括一个线性混频器、
VCO、双模预定标器和功率放大器。工作电压为 2.7~6.5V,消耗电流在 1.8GHz
时低于 25mA;关机模式时,可降至 66μA。相配的 MC13145 接收器有一个
低噪声放大器、两个混频器、一个 VCO、一个双模预定标器、一个中频放大器
和限幅器,一个 RSS1 电路和一个无电感 FM/FSK 调制解调器。发送器采用
24 脚的 LQFP 封装;而接收器是采用 48 脚的 LQFP 封装。Chipcon
Components AS 公司的收发器 IC 引起了们极大的注意,因为它的输出功率相
当高,因而作用距离也随之加大。用于 300~500MHz ISM 场合的 CC400 FSK
数据传输率为 9.6kbps,半双工运行时距离可达 2000 米(图 2)。输出功率范
围从-5dBm 至+14dBm,这样你就可以按 1dB 档次编程;接收器灵敏度在
1.2kbps 和 10-3BER 时为-112dBm 。IC 以 28 引脚 SSOP 封装,工作电
压为 2.7~3.3V,接收器全天通电时的电流要求为 18mA,用于轮询方式时平
均工作电流为 180μA。
厂家也提供全套开发配置,包括 PC 可配置的无线电模块、电缆和接插件,以及
在 PC 上运行的软件。最近,RF Micro Dexices 公司推出了一对用于 902~
928MHz ISM 频带的扩频发送器和接收器 IC。RF2908 包括一个双变换接收器、
一个正交调制器、双中频放大器、滤波器、数字比较器和一个 PLL 合成器。这
种 68 脚 LQFP 封装的 IC 售价为 5.25 美元(批量 10000)。相配的 RF 2909
支持直接调制控制,用户可设置这种 24 引脚 SSOP 封装的电路的输出功率电平,
从 1mW 到 80mW,售价为 2.35 美元(批量 10000)。也有用于 900MHz 的,
Level One 公司的 LXT810 型,是 32ksps 扩频收发器,作用距离为 100 米(输
出功率为 1mW 至 100mW),不需要调谐、调整或滤波器。用这种 IC 做的完
整设计,所用分立元件不到 30 个。如果你不想用清一色的 IC 来设计,也能考
虑混合方式的话,就会发现有些厂家,如 RF Monolithics 公司提供的一些器件
也只比封装的 IC 稍大一点,但却会扫清设计障碍,使设计绝对简单化。产品系
列包括运行在 433MHz 和 916MHz 频段的发送器、接收器和收发器,而且已被
认证的不同型号可用于世界的不同地区。例如,该公司售价 15.20 美元(批量
1000)的 3V RX6000 放大器按序混合(ASH)接收器,支持的数据率可达
115.2kbps,所用结构带有一个宽动态量程算法检测器、一个数字限幅器、数
字式 AGC、用于带外抑制的两级 SAW 滤波,并能支持几乎在任何天线阻抗下
的稳定性(图 3)。在许多 RF 链路应用中,这种稳定系数是非常重要的,因为
天线在其面向和对其周围传导面的邻近度改变时,实际阻抗也会改变。ASH 接
收器的设计极大地提高了频道捕捉效应,而在 RF 场合内最强的信号就能对接收
器起主导作用并进行全面捕捉。同时,对不感兴趣的和较弱的信号,接收器就加
以忽略,而这样并不使解调 BER 的功能降低(虽然这些特性看起来像是达尔文
式(Darwinian)的,也是反映 RF 稠密律的,但却有利于建立好的链接!)。参
考文献 1 介绍了独特的 ASH 结构及其特性的很有见地的讨论,并介绍了有关生
产厂家之外的许多关键设计和应用问题。你可能不久就会看到 Philsar
Electronics 公司的一种全双工收发器 IC,工作频率为 200~928MHz。这种
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