二:RF 接地和过孔设计的基本原则
地层的布局和引线同样是 WLAN 电路板设计的关键,它们会直接影响到电路板的寄生参数,存在降低系统性能的隐患。RF 电路设计中没有唯一的接地方案,设计中可以通过几个途径达到满意的性能指标。可以将地平面或引线分为模拟信号地和数字信号地,还可以隔离大电流或功耗较大的电路。根据以往 WLAN 评估板的设计经验,在四层板中使用单独的接地层可以获得较好的结果。凭借这些经验,用地层将 RF 部分与其它电路隔离开,可以避免信号间的交叉干扰。如上所述,电路板的第二层通常作为地平面,第一层用于放置元件和 RF 引线。
接地层确定后,将所有的信号地以最短的路径连接到地层,通常用过孔将顶层的地线连接到地层,需要注意的是,过孔呈现为感性。过孔的物理模型如图 4 所示。图 5 所示为过孔精确的电气特性模型,其中 Lvia 为过孔电感,Cvia 为过孔 PCB 焊盘的寄生电容。如果采用这里所讨论的地线布局技术,可以忽略寄生电容。一个 1.6mm 深、孔径为 0.2mm 的过孔具有大约 0.75nH 的电感,在 2.5GHz/5.0GHz WLAN 波段的等效电抗大约为 12Ω/24Ω。因此,一个接地过孔并不能够为 RF 信号提供真正的接地,对于高品质的电路板设计,应该在 RF 电路部分提供尽可能多的接地过孔,特别是对于通用的 IC 封装中的裸露接地焊盘。不良的接地还会在接收前端或功率放大器部分产生辐射,降低增益和噪声系数指标。还需注意的是,接地焊盘的不良焊接会引发同样的问题。除此之外,功率放大器的功耗也需要多个连接地层的过孔。
图 4. 过孔的物理模型
图 5. 过孔的电气模型
滤除其它电路的噪声、抑制本地产生的噪声,从而消除级与级之间通过电源线的交叉干扰,这是 VCC 去耦带来的好处。如果去耦电容使用了同一接地过孔,由于过孔与地之间的电感效应,这些连接点的过孔将会承载来自两个电源的全部 RF 干扰,不仅丧失了去耦电容的功能,而且还为系统中的级间噪声耦合提供了另外一条通路。
在本文第三部分的讨论中将会看到,PLL 的实现在系统设计中总是面临巨大挑战,要想获得满意的杂散特性必须有良好的地线布局。目前,IC 设计中将所有的 PLL 和 VCO 都集成到了芯片内部,大多数 PLL 都利用数字电流电荷泵输出通过一个环路滤波器控制 VCO。通常,需要用二阶或三阶的 RC 环路滤波器滤除电荷泵的数字脉冲电流,得到模拟控制电压。靠近电荷泵输出的两个电容必须直接与电荷泵电路的地连接。这样,可以隔离地回路的脉冲电流通路,尽量减小 LO 中相应的杂散频率。第三个电容(对于三阶滤波器)应该直接与 VCO 的地层连接,以避免控制电压随数字电流浮动。如果违背这些原则,将会导致相当大的杂散成分。
图 6 所示为 PCB 布线的一个范例,在接地焊盘上有许多接地过孔,允许每个 VCC 去耦电容有其独立的接地过孔。方框内的电路是 PLL 环路滤波器,第一个电容直接与 GND_CP 相连,第二个电容(与一个 R 串联)旋转 180 度,返回到相同的 GND_CP,第三个电容则与 GND_VCO 相连。这种接地方案可以获得较高的系统性能。
图 6. MAX2827 参考设计板上 PLL 滤波器元件布置和接地示例
三:通过适当的电源旁路和接地来抑制 PLL 杂散信号
满足 802.11a/b/g 系统发送频谱模板的要求是设计过程中的一个难点,必须对线性指标和功耗进行平衡,并留出一定裕量,确保在维持足够的发射功率的前提下符合 IEEE 和 FCC 规范。IEEE 802.11g 系统在天线端所要求的典型输出功率为+15dBm,频率偏差 20MHz 时为 -28dBr。频带内相邻信道的功率抑制比(ACPR)是器件线性特性的函数,这在一定前提下、对于特定的应用是正确的。在发送通道优化 ACPR 特性的大量工作是凭借经验对 Tx IC 和 PA 的偏置进行调节,并对 PA 的输入级、输出级和中间级的匹配网络进行调谐实现的。
然而,并非所有引发 ACPR 的问题都归咎于器件的线性特性,一个很好的例证是:在经过一系列的调节、对功率放大器和 PA 驱动器(对 ACPR 起主要作用的两个因素)进行优化后,WLAN 发送器的邻道特性还是无法达到预期的指标。这时,需要注意来自发送器锁相环(PLL)本振(LO)的杂散信号同样会使 ACPR 性能变差。LO 的杂散信号会与被调制的基带信号混频,混频后的成分将沿着预期的信号通道进行放大(参见图 7)。这一混频效应只有在 PLL 杂散成分高于一定门限时才会产生问题,低于一定门限时,ACPR 将主要受 PA 非线性的制约。当 Tx 输出功率和频谱模板特性是“线性受限”时,我们需要对线性指标和输出功率进行平衡;如果 LO 杂散特性成为制约 ACPR 性能的主要因素时,我们所面临的将是“杂散受限”,需要在指定的 POUT 下将 PA 偏置在更高的工作点,减弱它对 ACPR 的影响,这将消耗更大的电流,限制设计的灵活性。