淺談WiFi收發(fā)器的電源和接地設(shè)計(jì)的原則
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技術(shù)方案與實(shí)用技巧
設(shè)計(jì)RF電路時(shí)，電源電路的設(shè)計(jì)和電路板布局常常被留到高頻信號(hào)通路的設(shè)計(jì)完成之后。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)深思熟慮的設(shè)計(jì)，電路周?chē)碾娫措妷汉苋菀桩a(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出和噪聲，從而對(duì)RF電路的系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。合理分配PCB的板層、采用星形拓?fù)涞腣CC引線，并在VCC引腳加上適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙荩瑢⒂兄诟纳葡到y(tǒng)的性能，獲得最佳指標(biāo)。合理的PCB層分配便于簡(jiǎn)化后續(xù)的布線處理，對(duì)于一個(gè)四層PCB（WLAN中常用的電路板），在大多數(shù)應(yīng)用中用電路板的頂層放置元器件和RF引線，第二層作為系統(tǒng)地，電源部分放置在第三層，任何信號(hào)線都可以分布在第四層。第二層采用不受干擾的地平面布局對(duì)于建立阻抗受控的RF信號(hào)通路非常必要，還便于獲得盡可能短的地環(huán)路，為第一層和第三層提供高度的電氣隔離，使得兩層之間的耦合最小。當(dāng)然，也可以采用其它板層定義的方式（特別是在電路板具有不同的層數(shù)時(shí)），但上述結(jié)構(gòu)是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的一個(gè)成功范例。大面積的電源層能夠使VCC布線變得輕松，但是，這種結(jié)構(gòu)常常是導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化的導(dǎo)火索，在一個(gè)較大平面上把所有電源引線接在一起將無(wú)法避免引腳之間的噪聲傳輸。反之，如果使用星形拓?fù)鋭t會(huì)減輕不同電源引腳之間的耦合。圖1給出了星形連接的VCC布線方案，該圖取自MAX2826IEEE802.11a/g收發(fā)器的評(píng)估板。圖中建立了一個(gè)主VCC節(jié)點(diǎn)，從該點(diǎn)引出不同分支的電源線，為RFIC的電源引腳供電。每個(gè)電源引腳使用獨(dú)立的引線，為引腳之間提供了空間上的隔離，有利于減小它們之間的耦合。另外，每條引線還具有一定的寄生電感，這恰好是我們所希望的，它有助于濾除電源線上的高頻噪聲。
之后，電容的阻抗將呈現(xiàn)出電感性。由此可見(jiàn)，電容器只是在頻率接近或低于其SRF時(shí)才具有去耦作用，在這些頻點(diǎn)電容表現(xiàn)為低阻。圖3給出了不同容值下的典型S11參數(shù)，從這些曲線可以清楚地看出它們的SRF，還可以看出電容越大，在較低頻率處所提供的去耦性能越好（所呈現(xiàn)的阻抗越低）。
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在VCC星形拓?fù)涞闹鞴?jié)點(diǎn)處最好放置一個(gè)大容量的電容器，如2.2μF。該電容具有較低的SRF，對(duì)于消除低頻噪聲、建立穩(wěn)定的直流電壓很有效。IC的每個(gè)電源引腳需要一個(gè)低容量的電容器（如10nF），用來(lái)濾除可能耦合到電源線上的高頻噪聲。對(duì)于那些為噪聲敏感電路（例如，VCO的電源）供電的電源引腳，可能需要外接兩個(gè)旁路電容。例如：用一個(gè)10pF電容與一個(gè)10nF電容并聯(lián)提供旁路，可以提供更寬頻率范圍的去耦，盡量消除噪聲對(duì)電源電壓的影響。每個(gè)電源引腳都需要認(rèn)真檢驗(yàn)，以確定需要多大的去耦電容，實(shí)際電路在哪些頻點(diǎn)容易受到噪聲的干擾。良好的電源去耦技術(shù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腜CB布局、VCC引線（星形拓?fù)洌┫嘟Y(jié)合，能夠?yàn)槿魏蜶F系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。盡管實(shí)際設(shè)計(jì)中還會(huì)存在降低系統(tǒng)性能指標(biāo)的其它因素，但是，擁有一個(gè)“無(wú)噪聲”的電源是優(yōu)化系統(tǒng)性能的基本要素。
2 RF接地和過(guò)孔設(shè)計(jì)的基本原則
地層的布局和引線同樣是WLAN電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它們會(huì)直接影響到電路板的寄生參數(shù)，存在降低系統(tǒng)性能的隱患。RF電路設(shè)計(jì)中沒(méi)有唯一的接地方案，設(shè)計(jì)中可以通過(guò)幾個(gè)途徑達(dá)到滿意的性能指標(biāo)。可以將地平面或引線分為模擬信號(hào)地和數(shù)字信號(hào)地，還可以隔離大電流或功耗較大的電路。根據(jù)以往WLAN評(píng)估板的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，在四層板中使用單獨(dú)的接地層可以獲得較好的結(jié)果。憑借這些經(jīng)驗(yàn)，用地層將RF部分與其它電路隔離開(kāi)，可以避免信號(hào)間的交叉干擾。如上所述，電路板的第二層通常作為地平面，第一層用于放置元件和RF引線。
接地層確定后，將所有的信號(hào)地以最短的路徑連接到地層，通常用過(guò)孔將頂層的地線連接到地層，需要注意的是，過(guò)孔呈現(xiàn)為感性。過(guò)孔的物理模型如圖4所示。圖5所示為過(guò)孔精確的電氣特性模型，其中Lvia為過(guò)孔電感，Cvia為 過(guò)孔PCB焊盤(pán)的寄生電容。如果采用這里所討論的地線布局技術(shù)，可以忽略寄生電容。一個(gè)1.6mm深、孔徑為0.2mm的過(guò)孔具有大約0.75nH的電 感，在2.5GHz/5.0GHz WLAN波段的等效電抗大約為12Ω/24Ω。因此，一個(gè)接地過(guò)孔并不能夠?yàn)镽F信號(hào)提供真正的接地，對(duì)于高品質(zhì)的電路板設(shè)計(jì)，應(yīng)該在RF電路部分提供盡 可能多的接地過(guò)孔，特別是對(duì)于通用的IC封裝中的裸露接地焊盤(pán)。不良的接地還會(huì)在接收前端或功率放大器部分產(chǎn)生輻射，降低增益和噪聲系數(shù)指標(biāo)。還需注意的 是，接地焊盤(pán)的不良焊接會(huì)引發(fā)同樣的問(wèn)題。除此之外，功率放大器的功耗也需要多個(gè)連接地層的過(guò)孔。
濾除其它電路的噪聲、抑制本地產(chǎn)生的噪聲，從而消除級(jí)與級(jí)之間通過(guò)電源線的交叉干擾，這是VCC去耦帶來(lái)的好處。如果去耦電容使用了同一接地過(guò)孔，由于過(guò)孔與地之間的電感效應(yīng)，這些連接點(diǎn)的過(guò)孔將會(huì)承載來(lái)自兩個(gè)電源的全部RF干擾，不僅喪失了去耦電容的功能，而且還為系統(tǒng)中的級(jí)間噪聲耦合提供了另外一條通路。在本文第三部分的討論中將會(huì)看到，PLL的實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中總是面臨巨大挑戰(zhàn)，要想獲得滿意的雜散特性必須有良好的地線布局。
3 通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娫磁月泛徒拥貋?lái)抑制PLL雜散信號(hào)
滿足802.11a/b/g系統(tǒng)發(fā)送頻譜模板的要求是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)，必須對(duì)線性指標(biāo)和功耗進(jìn)行平衡，并留出一定裕量，確保在維持足夠的發(fā)射功率的前提下符合IEEE和FCC規(guī)范。IEEE802.11g系統(tǒng)在天線端所要求的典型輸出功率為+15dBm，頻率偏差20MHz時(shí)為-28dBr。頻帶內(nèi)相鄰信道的功率抑制比（ACPR）是器件線性特性的函數(shù)，這在一定前提下、對(duì)于特定的應(yīng)用是正確的。在發(fā)送通道優(yōu)化ACPR特性的大量工作是憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)TxIC和PA的偏置進(jìn)行調(diào)節(jié)，并對(duì)PA的輸入級(jí)、輸出級(jí)和中間級(jí)的匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)諧實(shí)現(xiàn)的。
上述討論提出了另外一個(gè)問(wèn)題，即如何有效地將PLL雜散成分限制在一定的范圍內(nèi)，使其不對(duì)發(fā)射頻譜產(chǎn)生影響。一旦發(fā)現(xiàn)了雜散成分，首先想到的方案就是將PLL環(huán)路濾波器的帶寬變窄，以便衰減雜散信號(hào)的幅度。這種方法在極少數(shù)的情況下是有效的，但它存在一些潛在問(wèn)題。圖8給出了一種假設(shè)情況，假設(shè)設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)具有20MHz相對(duì)頻率的N分頻合成器，如果環(huán)路濾波器是二階的，截止頻率為200kHz，
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