中心議題：

• 電源布線(xiàn)和電源旁路的基本原則
  
• RF接地和過(guò)孔設計的基本原則
• 抑制PLL雜散信號的措施

解決方案：

• 通過(guò)適當的電源旁路和接地來(lái)抑制PLL雜散信號

1 電源布線(xiàn)和電源旁路的基本原則

設計RF電路時(shí)，電源電路的設計和電路板布局常常被留到高頻信號通路的設計完成之后。對于沒(méi)有經(jīng)過(guò)深思熟慮的設計，電路周?chē)碾娫措妷汉苋菀桩a(chǎn)生錯誤的輸出和噪聲，從而對RF電路的系統性能產(chǎn)生負面影響。合理分配PCB的板層、采用星形拓撲的VCC引線(xiàn)，并在VCC引腳加上適當的去耦電容，將有助于改善系統的性能，獲得最佳指標。合理的PCB層分配便于簡(jiǎn)化后續的布線(xiàn)處理，對于一個(gè)四層PCB（WLAN中常用的電路板），在大多數應用中用電路板的頂層放置元器件和RF引線(xiàn)，第二層作為系統地，電源部分放置在第三層，任何信號線(xiàn)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于建立阻抗受控的RF信號通路非常必要，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時(shí)），但上述結構是經(jīng)過(guò)驗證的一個(gè)成功范例。大面積的電源層能夠使VCC布線(xiàn)變得輕松，但是，這種結構常常是導致系統性能惡化的導火索，在一個(gè)較大平面上把所有電源引線(xiàn)接在一起將無(wú)法避免引腳之間的噪聲傳輸。反之，如果使用星形拓撲則會(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(xiàn)方案，該圖取自MAX2826IEEE802.11a/g收發(fā)器的評估板。圖中建立了一個(gè)主VCC節點(diǎn)，從該點(diǎn)引出不同分支的電源線(xiàn)，為RFIC的電源引腳供電。每個(gè)電源引腳使用獨立的引線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)上的高頻噪聲。 [page]
在VCC星形拓撲的主節點(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，對于消除低頻噪聲、建立穩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(xiàn)上的高頻噪聲。對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，盡量消除噪聲對電源電壓的影響。每個(gè)電源引腳都需要認真檢驗，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)與嚴謹的PCB布局、VCC引線(xiàn)（星形拓撲）相結合，能夠為任何RF系統設計奠定穩固的基礎。盡管實(shí)際設計中還會(huì )存在降低系統性能指標的其它因素，但是，擁有一個(gè)“無(wú)噪聲”的電源是優(yōu)化系統性能的基本要素。

2 RF接地和過(guò)孔設計的基本原則

地層的布局和引線(xiàn)同樣是WLAN電路板設計的關(guān)鍵，它們會(huì )直接影響到電路板的寄生參數，存在降低系統性能的隱患。RF電路設計中沒(méi)有唯一的接地方案，設計中可以通過(guò)幾個(gè)途徑達到滿(mǎn)意的性能指標?？梢詫⒌仄矫婊蛞€(xiàn)分為模擬信號地和數字信號地，還可以隔離大電流或功耗較大的電路。根據以往WLAN評估板的設計經(jīng)驗，在四層板中使用單獨的接地層可以獲得較好的結果。憑借這些經(jīng)驗，用地層將RF部分與其它電路隔離開(kāi)，可以避免信號間的交叉干擾。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(xiàn)。

接地層確定后，將所有的信號地以最短的路徑連接到地層，通常用過(guò)孔將頂層的地線(xiàn)連接到地層，需要注意的是，過(guò)孔呈現為感性。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(xiàn)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)孔并不能夠為RF信號提供真正的接地，對于高品質(zhì)的電路板設計，應該在RF電路部分提供盡 可能多的接地過(guò)孔，特別是對于通用的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指標。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，從而消除級與級之間通過(guò)電源線(xiàn)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，這些連接點(diǎn)的過(guò)孔將會(huì )承載來(lái)自?xún)蓚€(gè)電源的全部RF干擾，不僅喪失了去耦電容的功能，而且還為系統中的級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)現在系統設計中總是面臨巨大挑戰，要想獲得滿(mǎn)意的雜散特性必須有良好的地線(xiàn)布局。 [page]
3 通過(guò)適當的電源旁路和接地來(lái)抑制PLL雜散信號

滿(mǎn)足802.11a/b/g系統發(fā)送頻譜模板的要求是設計過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)，必須對線(xiàn)性指標和功耗進(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規范。IEEE802.11g系統在天線(xiàn)端所要求的典型輸出功率為+15dBm，頻率偏差20MHz時(shí)為-28dBr。頻帶內相鄰信道的功率抑制比（ACPR）是器件線(xiàn)性特性的函數，這在一定前提下、對于特定的應用是正確的。在發(fā)送通道優(yōu)化ACPR特性的大量工作是憑借經(jīng)驗對TxIC和PA的偏置進(jìn)行調節，并對PA的輸入級、輸出級和中間級的匹配網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行調諧實(shí)現的。
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，使其不對發(fā)射頻譜產(chǎn)生影響。一旦發(fā)現了雜散成分，首先想到的方案就是將PLL環(huán)路濾波器的帶寬變窄，以便衰減雜散信號的幅度。這種方法在極少數的情況下是有效的，但它存在一些潛在問(wèn)題。圖8給出了一種假設情況，假設設計中采用了一個(gè)具有20MHz相對頻率的N分頻合成器，如果環(huán)路濾波器是二階的，截止頻率為200kHz，滾降速率通常為40dB/十倍頻程，在20MHz頻點(diǎn)可以獲得80dB的衰減。如果參考雜散成分為-40dBc（假設可以導致有害的調制分量的電平），產(chǎn)生雜散的機制可能超出環(huán)路濾波器的作用范圍（如果它是在濾波器之前產(chǎn)生的，其幅度可能非常大）。壓縮環(huán)路濾波器的帶寬將不會(huì )改善雜散特性，反而提高了PLL鎖相時(shí)間，對系統產(chǎn)生明顯的負面影響。 [page]
經(jīng)驗證明，抑制PLL雜散的有效途徑是合理的接地、電源布局和去耦技術(shù)，本文討論的布線(xiàn)原則是減小PLL雜散分量的良好設計開(kāi)端?？紤]到電荷泵中存在較大的電流變化，采用星形拓撲非常必要。如果沒(méi)有足夠的隔離，電流脈沖產(chǎn)生的噪聲會(huì )耦合到VCO電源，對VCO頻率進(jìn)行調制，通常稱(chēng)為“VCO牽引”。通過(guò)電源線(xiàn)間的物理間隔和每個(gè)VCC引腳的去耦電容、合理放置接地過(guò)孔、引入一個(gè)串聯(lián)的鐵氧體元件（作為最后一個(gè)手段）等措施可以提高隔離度。上述措施并不需要全部用在每個(gè)設計中，適當采用每種方式都會(huì )有效降低雜散幅度。圖9提供了一個(gè)由于不合理的VCO電源去耦方案所產(chǎn)生的結果，電源紋波表明正是電荷泵的開(kāi)關(guān)效應導致電源線(xiàn)上的強干擾。值得慶幸的是，這種強干擾可以通過(guò)增加旁路電容得到有效抑制。圖10顯示的是在電路改變后，在同一點(diǎn)的測量結果。
另外，如果電源布線(xiàn)不合理，例如VCO的電源引線(xiàn)恰好位于電荷泵電源的下面，可以在VCO電源上觀(guān)察到同樣的噪聲，所產(chǎn)生的雜散信號足以影響到ACPR特性，即使加強去耦，測試結果也不會(huì )得到改善。這種情況下，需要考察一下PCB布線(xiàn)，重新布置VCO的電源引線(xiàn)，將有效改善雜散特性，達到規范所要求的指標。