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PCB Bolg

PCB Bolg - 高頻電路板設計技巧分享

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高頻電路板設計技巧分享
2023-04-21
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Author:電路板      分享文章

成功的高頻電路板設計必須仔細注意整個設計過程中每個步驟及每個細節,這意味著必須在設計開始階段就要進行徹底的、仔細的規劃,並對每個設計步驟的進展進行全面持續的評估。

近幾年來,由於藍芽設備、無線區域網路(WLAN)設備,和行動電話的需求與成長,促使業者越來越關注高頻電路設計的技巧。 從過去到現在,高頻電路板設計如同電磁干擾(EMI)問題一樣,一直是工程師們最難掌控的部份,甚至是夢魘。 若想要一次就設計成功,必須事先仔細規劃和注重細節才能奏效。


高頻電路板設計由於在理論上還有很多不確定性,囙此常被形容為一種「黑色藝術」(black art)。 但這只是一種以偏蓋全的觀點,高頻電路板設計還是有許多可以遵循的法則。 不過,在實際設計時,真正實用的技巧是當這些法則因各種限制而無法實施時,如何對它們進行折衷處理。 重要的高頻設計課題包括:阻抗和阻抗匹配、絕緣層資料和層疊板、波長和諧波等,現在我們集中探討與高頻電路板分區設計有關的各種問題。


1、高頻電路板設計之微過孔的種類

高頻電路板上不同性質的電路必須分隔,但是又要在不產生電磁干擾的最佳情况下連接,這就需要用到微過孔(microvia)。 通常微過孔直徑為0.05mm至0.20mm,這些過孔一般分為三類,即盲孔(blind via)、埋孔(bury via)和通孔(through via)。 盲孔位於印刷線路板的頂層和底層表面,具有一定深度,用於表層線路和下麵的內層線路的連接,孔的深度通常不超過一定的比率(孔徑)。 埋孔是指位於印刷線路板內層的連接孔,它不會延伸到線路板的表面。 上述兩類孔都位於線路板的內層,層壓前利用通孔成型制程完成,在過孔形成過程中可能還會重疊做好幾個內層。 第三種稱為通孔,這種孔穿過整個線路板,可用於實現內部互連或作為組件的黏著定位孔。


2、採用分區技巧

在設計高頻電路板時,應盡可能把高功率高頻放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來。 簡單的說高頻接,就是讓高功率高頻發射電路遠離低功率收電路。 如果PCB板上有很多空間,那麼可以很容易地做到這一點。 但通常零組件很多時,PCB空間就會變的很小,囙此這是很難達到的。 可以把它們放在PCB板的兩面,或者讓它們交替工作,而不是同時工作。 高功率電路有時還可包括高頻緩衝器(buffer)和壓控振盪器(VCO)。

設計分區可以分成實體分區(physical partitioning)和電力分區(Electrical partitioning)。 實體分區主要涉及零組件佈局、方位和遮罩等問題; 電力分區可以繼續分成電源分配、高頻走線、敏感電路和訊號、接地等分區。


高頻電路板

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3、高頻電路板設計之實體分區

零組件佈局是實現一個優异高頻設計的關鍵,最有效的科技是首先固定位於高頻路徑上的零組件,並調整其方位,使高頻路徑的長度减到最小。 並使高頻輸入遠離高頻輸出,並盡可能遠離高功率電路和低功率電路。

最有效的電路板堆棧方法是將主接地安排在表層下的第二層,並盡可能將高頻線走在表層上。 將高頻路徑上的過孔尺寸减到最小不僅可以减少路徑電感,而且還可以减少主接地上的虛焊點,並可减少高頻能量洩漏到層疊板內其它區域的機會。

在實體空間上,像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個高頻區之間相互隔離開來,但是雙工器、混頻器和中頻放大器總是有多個高頻/IF訊號相互干擾,囙此必須小心地將這一影響减到最小。 高頻與IF走線應盡可能走十字交叉,並盡可能在它們之間隔一塊接地面積。 正確的高頻路徑對整塊PCB板的效能而言非常重要,這也就是為什麼零組件佈局通常在行動電話PCB板設計中占大部份時間的原因。

在行動電話PCB板上,通常可以將低噪音放大器電路放在PCB板的某一面,而高功率放大器放在另一面,並最終藉由雙工器在同一面上將它們連接到高頻天線的一端和基頻處理器的另一端。 這需要一些技巧來確保高頻能量不會藉由過孔,從板的一面傳遞到另一面,常用的科技是在兩面都使用盲孔。 可以藉由將盲孔安排在PCB板兩面都不受高頻干擾的區域,來將過孔的不利影響减到最小。


4、高頻電路板金屬遮罩罩

有時,不太可能在多個電路區塊之間保留足够的區隔,在這種情況下就必須考慮採用金屬遮罩罩將高頻能量遮罩在高頻區域內,但金屬遮罩罩也有副作用,例如:製造成本和裝配成本都很高。

外形不規則的金屬遮罩罩在製造時很難保證高精密度,長方形或正方形金屬遮罩罩又使零組件佈局受到一些限制; 金屬遮罩罩不利於零組件更換和故障移位; 由於金屬遮罩罩必須焊在接地面上,而且必須與零組件保持一個適當的距離,囙此需要佔用寶貴的PCB板空間。

盡可能保證金屬遮罩罩的完整非常重要,所以進入金屬遮罩罩的數位信號線應該盡可能走內層,而且最好將訊號線路層的下一層設為接地層。 高頻訊號線可以從金屬遮罩罩底部的小缺口和接地缺口處的佈線層走線出去,不過缺口處周圍要盡可能被廣大的接地面積包圍,不同訊號層上的接地可藉由多個過孔連在一起。

儘管有以上的缺點,但是金屬遮罩罩仍然非常有效,而且常常是隔離關鍵電路的唯一解決方案。


5、高頻電路板的電源去耦電路

此外,恰當而有效的晶片電源去耦(decouple)電路也非常重要。 許多綜合了線性線路的高頻晶片對電源的譟音非常敏感,通常每個晶片都需要採用高達四個電容和一個隔離電感來濾除全部的電源譟音。

一個集成電路或放大器常常具有一個開集極(open collector)輸出,囙此需要一個上拉電感來提供一個高阻抗高頻負載和一個低阻抗直流電源,同樣的原則也適用於對這一電感的電源端進行去耦。 有些晶片需要多個電源才能工作,囙此可能需要兩到三套電容和電感來分別對它們進行去耦處理,如果該晶片周圍沒有足够的空間,那麼去耦效果可能不佳。

尤其需要特別注意的是:電感極少平行靠在一起,因為這將形成一個空芯變壓器,並相互感應產生干擾訊號,囙此它們之間的距離至少要相當於其中之一的高度,或者成直角排列以使其互感减到最小。


6、高頻電路板設計之電力分區

電力分區原則上與實體分區相同,但還包含一些其它因素。 現代行動電話的某些部份採用不同工作電壓,並借助軟件對其進行控制,以延長電池工作壽命。 這意味著行動電話需要運行多種電源,而這產生更多的隔離問題。 電源通常由連接線引入,並立即進行去耦處理以濾除任何來自電路板外部的譟音,然後經過一組開關或穩壓器,之後,進行電源分配。

在行動電話裏,大多數電路的直流電流都相當小,囙此走線寬度通常不是問題,不過,必須為高功率放大器的電源單獨設計出一條盡可能寬的大電流線路,以使發射時的壓降(voltage drop)能减到最低。 為了避免太多電流損耗,需要利用多個過孔將電流從某一層傳遞到另一層。 此外,如果不能在高功率放大器的電源接脚端對它進行充分的去耦,那麼高功率譟音將會輻射到整塊電路板上,並帶來各種各樣的問題。 高功率放大器的接地相當重要,並經常需要為其設計一個金屬遮罩罩。


7、高頻輸出必須遠離高頻輸入

在大多數情况下,必須做到高頻輸出遠離高頻輸入。 這原則也適用於放大器、緩衝器和濾波器。 在最壞的情况下,如果放大器和緩衝器的輸出以適當的相位和振幅迴響到它們的輸入端,那麼它們就有可能產生自激振盪。 它們可能會變得不穩定,並將譟音和互調相乘訊號添加到高頻訊號上。

如果高頻訊號線從濾波器的輸入端繞回輸出端,這可能會嚴重損害濾波器的帶通特性。 為了使輸入和輸出得到良好的隔離,首先在濾波器周圍必須是一塊主接地面積,其次濾波器下層區域也必須是一塊接地面積,並且此接地面積必須與圍繞濾波器的主接地連接起來。 把需要穿過濾波器的訊號線盡可能遠離濾波器接脚也是個好方法。 此外,整塊電路板上各個地方的接地都要十分小心,否則可能會在不知不覺中引入一條不希望發生的耦合通道。 詳細說明了這一接地辦法。

有時可以選擇走單端(single-ended)或平衡的高頻訊號線(balanced高頻traces),有關串音(crosstalk)和EMC/EMI的原則在這裡同樣適用。 平衡高頻訊號線如果走線正確的話,可以减少譟音和串音,但是它們的阻抗通常比較高。 而且為了得到一個阻抗匹配的信號源、走線和負載,需要保持一個合理的線寬,這在實際佈線時可能會有困難。


8、高頻電路板設計之緩衝器

緩衝器可以用來提高隔離效果,因為它可把同一個訊號分為兩個部份,並用於驅動不同的電路。 尤其是本地振盪器可能需要緩衝器來驅動多個混頻器。 當混頻器在高頻頻率處到達共模隔離(common mode isolation)狀態時,它將無本人常工作。 緩衝器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化,從而電路之間不會相互干擾。

緩衝器對設計的幫助很大,它們可以緊跟在需要被驅動電路的後面,從而使高功率輸出走線非常短,由於緩衝器的輸入信號電平比較低,囙此它們不易對板上的其它電路造成干擾。


9、高頻電路板設計之壓控振盪器

壓控振盪器(VCO)可將變化的電壓轉換為變化的頻率,這一特性被用於高速頻道切換,但它們同樣也將控制電壓上的微量譟音轉換為微小的頻率變化,而這就給高頻訊號新增了譟音。 總之,在壓控振盪器處理過以後,再也沒有辦法從高頻輸出信號中將譟音去掉。 困難在於VCO控制線(control line)的期望頻寬範圍可能從DC到2MHz,而藉由濾波器來去掉這麼寬的頻帶譟音幾乎是不可能的; 其次,VCO控制線通常是一個控制頻率的迴響回路的一部份,它在很多地方都有可能引入譟音,囙此必須非常小心處理VCO控制線。


高頻電路板

高頻電路板

10、高頻電路板設計之諧振電路

諧振電路(tank circuit)用於發射機和接收機,它與VCO有關,但也有它自己的特點。 簡單地說,諧振電路是由一連串具有電感電容的二極體並連而成的諧振電路,它有助於設定VCO工作頻率和將語音或數據調變到高頻載波上。

所有VCO的設計原則同樣適用於諧振電路。 由於諧振電路含有數量相當多的零組件、佔據面積大、通常運行在一個很高的高頻頻率下,囙此諧振電路通常對譟音非常敏感。 訊號通常排列在晶片的相鄰接脚上,但這些訊號接脚又需要與較大的電感和電容配合才能工作,這反而需要將這些電感和電容的位置儘量靠近訊號接脚,並連回到一個對譟音很敏感的控制環路上,但是又要儘量避免譟音的干擾。 要做到這點是不容易的。


11、高頻電路板設計之自動增益控制放大器

自動增益控制(AGC)放大器同樣是一個容易出問題的地方,不管是發射還是接收電路都會有AGC放大器。 AGC放大器通常能有效地濾掉譟音,不過由於行動電話具備處理發射和接收信號強度快速變化的能力,囙此要求AGC電路有一個相當大的頻寬,這就使AGC放大器很容易引入譟音。

設計AGC線路必須遵守類比電路的設計原則,亦即使用很短的輸入接脚和很短的迴響路徑,而且這兩處都必須遠離高頻、IF或高速數位信號線路。 同樣,良好的接地也必不可少,而且晶片的電源必須得到良好的去耦。 如果必須在輸入或輸出端設計一條長的走線,那麼最好是選擇在輸出端實現它,因為,通常輸出端的阻抗要比輸入端低得多,而且也不容易引入譟音。 通常信號電平越高,就越容易將譟音引入到其它電路中。


12、高頻電路板設計之接地

要確保高頻走線下層的接地是實心的,而且所有的零組件都要牢固地連接到主接地上,並與其它可能帶來譟音的走線隔離開來。 此外,要確保VCO的電源已得到充分去耦,由於VCO的高頻輸出往往是一個相當高的電平,VCO輸出信號很容易干擾其它電路,囙此必須對VCO加以特別注意。 事實上,VCO往往放在高頻區域的末端,有時它還需要一個金屬


13、高頻電路板設計之遮罩罩

在所有PCB設計中,盡可能將數位電路遠離類比電路是一個大原則,它同樣也適用於高頻PCB設計。 公共類比接地和用於遮罩和隔開訊號線的接地通常是同等重要的。 同樣應使高頻線路遠離類比線路和一些很關鍵的數位信號,所有的高頻走線、焊盤和組件周圍應盡可能是接地銅皮,並盡可能與主接地相連。 微型過孔(microvia)構造板在高頻線路開發階段很有用,它毋須花費任何開銷就可隨意使用很多過孔,否則在普通PCB上鑽孔將會新增開發成本,這在大批量產時是不經濟的。

將一個實心的整塊接地面直接放在表面下第一層時,隔離效果最好。 將接地面分成幾塊來隔離類比、數位和高頻線路時,其效果並不好,因為最終總是有一些高速訊號線要穿過這些分開的接地面,這不是很好的設計。



不論高頻電路板設計是不是一門「黑色藝術」,遵守一些基本的高頻設計規則和參攷一些優异的高頻電路板設計實例將有助於完成高頻設計工作。 成功的高頻設計必須仔細注意整個設計過程中每個步驟及每個細節,這意味著必須在設計開始階段就要進行徹底的、仔細的規劃,並對每個高頻電路板設計之步驟的進展進行全面持續的評估。