降低RF-PCB電路布局寄生信號的8條規則

RF-PCB電路布局要想降低寄生信號，需要RF工程師發(fā)揮創(chuàng )造性。記住以下這八條規則，不但有助于加速產(chǎn)品上市進(jìn)程，而且還可提高工作日程的可預見(jiàn)性。

規則1：接地通孔應位于接地參考層開(kāi)關(guān)處

流經(jīng)所布線(xiàn)路的所有電流都有相等的回流。耦合策略固然很多，不過(guò)回流通常流經(jīng)相鄰的接地層或與信號線(xiàn)路并行布置的接地。在參考層繼續時(shí)，所有耦合都僅限于傳輸線(xiàn)路，一切都非常正常。不過(guò)，如果信號線(xiàn)路從頂層切換至內部或底層時(shí)，回流也必須獲得路徑。

圖1就是一個(gè)實(shí)例。頂層信號線(xiàn)路電流下面緊挨著(zhù)就是回流。當它轉移到底層時(shí)，回流就通過(guò)附近的通孔。不過(guò)，如果附近沒(méi)有用于回流的通孔時(shí)，回流就要通過(guò)最近可用的接地通孔。更遠的距離會(huì )產(chǎn)生電流環(huán)路，形成電感器。如果這種不必要的電流路徑偏移，碰巧又同另一條線(xiàn)路交叉，那么干擾就會(huì )更嚴重。這種電流環(huán)路其實(shí)相當于形成了一個(gè)天線(xiàn)！

圖1：信號電流從器件引腳經(jīng)過(guò)通孔流到較低層?；亓髟诒黄攘飨蜃罱赘淖冎敛煌瑓⒖紝又拔挥谛盘栔?/p>

接地參考是最佳策略，但高速線(xiàn)路有時(shí)候可布置在內部層上。接地參考層上下都放置非常困難，半導體廠(chǎng)商可能會(huì )受到引腳限制，把電源線(xiàn)安放在高速線(xiàn)路旁邊。參考電流要是需要在非DC耦合的各層或各網(wǎng)之間切換，應緊挨著(zhù)開(kāi)關(guān)點(diǎn)安放去耦電容。

規則2：將器件焊盤(pán)與頂層接地連接起來(lái)

許多器件在器件封裝底部都采用散熱接地焊盤(pán)。在RF器件上，這些通常都是電氣接地，而相鄰焊盤(pán)點(diǎn)有接地通孔陣列?？蓪⑵骷副P(pán)直接連接至接地引腳，并通過(guò)頂層接地連接至任何灌銅。如有多個(gè)路徑，回流會(huì )按路徑阻抗比例拆分。通過(guò)焊盤(pán)進(jìn)行接地連接相對于引腳接地而言，路徑更短、阻抗更低。

電路板與器件焊盤(pán)之間良好的電氣連接至關(guān)重要。裝配時(shí)，電路板通孔陣列中的未填充通孔也可能會(huì )抽走器件的焊膏，留下空隙。填滿(mǎn)通孔是保證焊接到位的好辦法。在評測中，還要打開(kāi)焊接掩模層確認沒(méi)有焊接掩模在器件下方的電路板接地上，因為焊接掩?？赡軙?huì )抬高器件或使其搖擺。

規則3：無(wú)參考層間隙

器件周邊到處都是通孔。電源網(wǎng)分解成本地去耦，然后降至電源層，通常提供多個(gè)通孔以最大限度減少電感，提高載流容量，同時(shí)控制總線(xiàn)可降至內層。所有這些分解最終都會(huì )在器件附近完全被鉗住。

每個(gè)這些通孔都會(huì )在內接地層上產(chǎn)生大于通孔直徑自身的禁入區，提供制造空隙。這些禁入區很容易在回流路徑上造成中斷。一些通孔彼此靠近則會(huì )形成接地層溝，頂層CAD視圖看不見(jiàn)，這將導致情況進(jìn)一步復雜化。圖2兩個(gè)電源層通孔的接地層空隙可產(chǎn)生重疊的禁入區，并在返回路徑上造成中斷?；亓髦荒苻D道繞過(guò)接地層禁入區，形成現在常見(jiàn)的發(fā)射感應路徑問(wèn)題。

圖2：通孔周?chē)拥貙拥慕雲^可能重疊，迫使回流遠離信號路徑。即便沒(méi)有重疊，禁入區也會(huì )在接地層形成鼠咬阻抗中斷

甚至“友好型”接地通孔也會(huì )為相關(guān)金屬焊盤(pán)帶來(lái)電路板制造工藝要求的最小尺寸規格。通孔如果非?？拷盘柧€(xiàn)路，就會(huì )產(chǎn)生好像頂層接地空隙被老鼠咬掉一塊一樣的侵蝕。圖2是鼠咬示意圖。

由于禁入區由CAD軟件自動(dòng)生成，通孔在系統電路板上的使用又很頻繁，因此先期布局過(guò)程幾乎總會(huì )出現一些返回路徑中斷問(wèn)題。布局評測時(shí)要跟蹤每條高速線(xiàn)路，檢查相關(guān)回流層以避免中斷。讓所有可在任何區域產(chǎn)生接地層干擾的通孔更靠近頂層接地空隙是一個(gè)不錯的方法。

規則4：保持差分線(xiàn)路的差分性

回流路徑對信號線(xiàn)路性能至關(guān)重要，其應視為信號路徑的一部分。與此同時(shí)，差分對通常沒(méi)有緊密耦合，回流可能流經(jīng)相鄰層。兩個(gè)回流必須通過(guò)相等的電氣路徑布線(xiàn)。

即便在差分對的兩條線(xiàn)路不緊密耦合時(shí)，鄰近與共享型設計限制也會(huì )讓回流處于相同層。要真正保持低寄生信號，需要更好的匹配。差分組件下接地層的斷流器等任何計劃結構都應是對稱(chēng)的。同樣，長(cháng)度是否匹配可能也會(huì )產(chǎn)生信號線(xiàn)路中的波形曲線(xiàn)問(wèn)題?；亓鞑粫?huì )引起波形曲線(xiàn)問(wèn)題。一條差分線(xiàn)路的長(cháng)度匹配情況應在其它差分線(xiàn)路中體現。

規則5：RF信號線(xiàn)路附近沒(méi)有時(shí)鐘或控制線(xiàn)路

時(shí)鐘和控制線(xiàn)路有時(shí)可視為沒(méi)什么影響的鄰居，因為其工作速度低，甚至接近DC。不過(guò)，其開(kāi)關(guān)特性幾乎接近方波，可在奇數諧波頻率下生成獨特的音調。方波發(fā)射能源的基本頻率雖然不會(huì )產(chǎn)生什么影響，但其銳利的邊緣可能會(huì )有影響。在數字系統設計中，轉折頻率可估算必須要考慮的最高頻率諧波，計算方式為：Fknee=0.5/Tr，這里的Tr是上升時(shí)間。請注意，是上升時(shí)間，而不是信號頻率。不過(guò)銳利邊緣的方波也有強大的高階奇數諧波，其可能只在錯誤頻率下下降并耦合在RF線(xiàn)路上，違反嚴格的傳輸掩模要求。

時(shí)鐘和控制線(xiàn)路應由內部接地層或頂層接地灌流（ground pour）與RF信號線(xiàn)路隔離。如果不能使用接地隔離信號，那么線(xiàn)路布線(xiàn)應確保直角交叉。因為時(shí)鐘或控制線(xiàn)路發(fā)射的磁通線(xiàn)路會(huì )圍繞干擾源線(xiàn)路的電流形成放射柱形等高線(xiàn)，它們將不會(huì )在接收器線(xiàn)路中產(chǎn)生電流。放慢上升時(shí)間不但可降低轉折頻率，而且還有助于減少干擾源的干擾，但時(shí)鐘或控制線(xiàn)路也可充當接收器線(xiàn)路。接收器線(xiàn)路仍可作為將寄生信號導入器件的導管。

規則6：使用接地隔離高速線(xiàn)路

微波傳輸帶與帶線(xiàn)大多數都與相鄰接地層耦合。一些通量線(xiàn)路仍沿水平方向散發(fā)，并端接于相鄰跡線(xiàn)。一條高速線(xiàn)路或差分對上的音調在下一條跡線(xiàn)上終結，但信號層上的接地灌流會(huì )為通量線(xiàn)路帶來(lái)較低阻抗的終點(diǎn)，讓鄰近跡線(xiàn)不受音調干擾。

時(shí)鐘分布或合成器設備路由出來(lái)、用于承載相同頻率的跡線(xiàn)集群可能相鄰而行，因為干擾源音調已經(jīng)存在于接收器線(xiàn)路上。不過(guò)，分組的線(xiàn)路最終會(huì )分散。分散時(shí)，應在分散線(xiàn)路之間提供接地灌流，并在其開(kāi)始分散的地方灌入通孔，以便感應回流沿著(zhù)額定回流路徑流回。在圖3中，接地島末端的通孔可使感應電流流到參考層上。接地灌流上其它通孔之間的間隔不要超過(guò)一個(gè)波長(cháng)的十分之一，以確保接地不會(huì )成為共振結構。

圖3：差分線(xiàn)路分散處的頂層接地通孔為回流提供流動(dòng)路徑

規則7：不要在噪聲較大的電源層進(jìn)行RF線(xiàn)路布線(xiàn)

音調進(jìn)入電源層就會(huì )擴散到每個(gè)地方。如果雜散音調進(jìn)入電源、緩沖器、混頻器、衰減器和振蕩器，就會(huì )對干擾頻率進(jìn)行調制。同樣，當電源到達電路板時(shí)，它還沒(méi)有徹底被清空而實(shí)現對RF電路系統的驅動(dòng)。應最大限度減少RF線(xiàn)路在電源層的暴露，特別是未過(guò)濾的電源層。

鄰近接地的大型電源層可創(chuàng )建高質(zhì)量嵌入式電容，使寄生信號衰減，并用于數字通信系統與某些RF系統。另一種方法是使用最小化電源層，有時(shí)更像是肥大跡線(xiàn)而不能說(shuō)是層，這樣RF線(xiàn)路更容易徹底避開(kāi)電源層。這兩種方法都可行，不過(guò)決不能將二者的最差特性湊在一起，也就是既使用小型電源層，又在頂部走線(xiàn)RF線(xiàn)路。

規則8：讓去耦靠近器件

去耦不僅有助于避免雜散噪聲進(jìn)入器件，還可幫助消除器件內部生成的音調，避免其耦合到電源層上。去耦電容越靠近工作電路系統，效率就越高。本地去耦受電路板跡線(xiàn)的寄生阻抗干擾較小，較短的跡線(xiàn)支持較小的天線(xiàn)，減少有害音調發(fā)射。電容器安放要結合最高自共振頻率，通常最小值、最小外殼尺寸、最靠近器件，以及越大的電容器，離器件越遠。在RF頻率下，電路板背面的電容器會(huì )產(chǎn)生通孔串連接地路徑的寄生電感，損失大量噪聲衰減優(yōu)勢。

總結：通過(guò)電路板布局評測，我們可發(fā)現可能發(fā)射或接收雜散RF音調的結構。要跟蹤每一條線(xiàn)路，有意識地明確其回流路徑，確保它能夠與線(xiàn)路并行，特別是要徹底檢查過(guò)渡。此外，還要將潛在干擾源與接收器隔離。按照一些簡(jiǎn)單直觀(guān)的規則降低寄生信號，可加速產(chǎn)品發(fā)布，降低調試成本。