單片射頻器件大大方便了一定范圍內無線通信領域的應用,采用合適的微控制器和天線并結合此收發器件即可構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,應用于無線數字音頻、數字視頻數據傳輸系統,無線遙控和遙測系統,無線數據采集系統,無線網絡以及無線安全防范系統等眾多領域。
1 數字電路與模擬電路的潛在矛盾
如果模擬電路(射頻) 和數字電路(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,整個系統很可能就會不穩定。這主要是因為數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,從天線調諧回路傳到無線設備接收部分的信號一般小于1μV。因此數字信號與射頻信號之間的差別將達到10-6(120 dB) 。顯然,如果數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,無線設備工作性能就會惡化,甚至完全不能工作。
2 RF 電路和數字電路做在同塊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的問題。如上所述,數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 器件的最敏感節點通常為鎖相環( PLL) 的環路濾波電路,外接的壓控振蕩器(VCO) 電感,晶振基準信號和天線端子,電路的這些部分應該特別仔細處理。
(1) 供電電源噪聲
由于輸入/ 輸出信號有幾V 的擺幅,數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字電路板上布線更加仔細,應避免采用自動布線。同時也應注意到,微控制器(或其他數字電路) 會在每個內部時鐘周期內短時間突然吸入大部分電流,這是由于現代微控制器都采用CMOS 工藝設計。因此,假設一個微控制器以1 MHz 的內部時鐘頻率運行,它將以此頻率從電源提取(脈沖) 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電路RF 部分的電源引腳,嚴重的可能導致工作失效,因此必須保證將模擬電源線與數字電路區域隔開。
(2) 不合理的地線
RF 電路板應該總是布有與電源負極相連的地線層,如果處理不當,可能產生一些奇怪的現象。對于一個數字電路設計者來說這也許難于理解,因為即使沒有地線層,大多數數字電路功能也表現良好。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,大多數地線將會較長,電路將無法保證設計特性。
(3) 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,許多微控制器內置模數轉換器(ADC) 用于測量模擬輸入以及電池電壓或其他參數。如果射頻發送器的天線位于此PCB 附近(或就在此PCB 上) ,發出的高頻信號可能會到達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 二極管內自激,從而引起ADC 的偏差。
3 RF 電路和數字電路做在同塊PCB 上的解決方案
以下給出在大多數RF 應用中的一些通用設計和布線策略。然而,遵循實際應用中RF 器件的布線建議更為重要。
(1) 一個可靠的地線層面
當設計有RF 元件的PCB 時,應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,已被去耦的兩個節點間將不會產生信號耦合。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,這可能導致由于過孔連接阻抗在兩個焊盤之間產生串擾。