射频振荡器的PCB设计

2020-03-24

如果你不是了解射频振荡器的PCB设计人员，那么使用(yòng)任何模拟振荡器似乎都是很(hěn)深奥的。随着新(xīn)产品继续将PCB设计推向更高的频率，越来越多(duō)的IC和PCB设计人员应该熟悉射频振荡器的组件和電(diàn)路。

一旦达到GHz范围甚至更高，与射频振荡器的分(fēn)立元件相比，SoC和IC成為(wèi)更好的选择。我们已经编写了一些设计人员应了解的一些基本振荡器，以及一些在GHz范围内工作的PCB设计人员的重要布局技巧。

PCB设计射频振荡器

你可(kě)以使用(yòng)随时可(kě)用(yòng)的组件来设计许多(duō)标准振荡器電(diàn)路。这些電(diàn)路通常包含一个或多(duō)个FET（BJT，JFET或MESFET），无源组件，一个或多(duō)个运算放大器和/或变容二极管。要使这些電(diàn)路中的任何一个运行至GHz频率，都需要使用(yòng)GaAs（小(xiǎo)于约10 GHz带宽）或GaN（大于约10 GHz带宽）有(yǒu)源组件。

由于多(duō)种原因，可(kě)能(néng)很(hěn)难使这些由分(fēn)立元件构成的振荡器在高GHz频率下运行。所涉及的问题是由于具有(yǒu)足够高的谐振频率的非常小(xiǎo)的電(diàn)感器和電(diàn)容器的可(kě)用(yòng)性，以及实际電(diàn)路布局中的寄生效应。与简单地使用(yòng)射频振荡器IC或晶體(tǐ)振荡器相比，所涉及的成本也将更大。尽管存在这些困难，但你当然可(kě)以使用(yòng)分(fēn)立组件构建带有(yǒu)COTS组件的，运行在100 MHz或几GHz的射频振荡器。

如果要设计必须在高功率下工作的定制信号链，并且没有(yǒu)可(kě)用(yòng)的射频振荡器IC，则可(kě)以使用(yòng)分(fēn)立组件构建上述任何振荡器電(diàn)路或VCO / VCXO / NCO電(diàn)路。从分(fēn)立元件构建任何这些振荡器都需要具有(yǒu)足够高的自谐振频率的无源器件。

特定電(diàn)路的输出可(kě)能(néng)是正方形，三角形/锯齿形或指数（松弛振荡器）。将输出转换為(wèi)正弦波的最简单方法是积分(fēn)器，微分(fēn)器，高阶RC滤波器或限幅電(diàn)路。例如，许多(duō)VCO产生三角波，并通过施密特触发器電(diàn)路将其转换為(wèi)方波。通过使截止频率接近基波谐波的三阶（或更高阶）RC滤波器通过方波输出，可(kě)以将其转换為(wèi)接近正弦波，尽管在离散COTS的GHz频率下，这变得相当困难组件。更精确的信号转换方法需要运算放大器和LC振荡電(diàn)路，这超出了本文(wén)的范围。

将射频振荡器带入信号链

微波元件公司花(huā)费了大量时间来开发和完善用(yòng)于射频振荡器電(diàn)路的IC。这些组件往往具有(yǒu)非常低的相位噪声，并且通常是表面贴装组件，尤其是在PCB设计為(wèi)以高频运行时。这些组件可(kě)以使用(yòng)上面介绍的電(diàn)路之一，也可(kě)以使用(yòng)内部整数/小(xiǎo)数PLL进行频率合成直至高频。提供的选项范围从几MHz到10's GHz。

这些射频振荡器IC也可(kě)能(néng)分(fēn)别使用(yòng)NCO或VCO生成MHz或GHz信号。这些IC还可(kě)用(yòng)作PLL反馈回路中的基本振荡器，并用(yòng)于合成更大的频率。使用(yòng)此实现时要小(xiǎo)心，因為(wèi)此系统中使用(yòng)的任何射频振荡器的带宽都会有(yǒu)限。此外，环路滤波器（基本上是低通滤波器）和相位检测器将捕获和锁定范围限制為(wèi)较窄的值。你使用(yòng)的振荡器应具有(yǒu)足够宽的带宽，使其与捕获/锁定范围重叠。

射频振荡器IC，由分(fēn)立组件构建的任何射频振荡器以及信号链中的所有(yǒu)其他(tā)组件都应使用(yòng)表面安装组件，因為(wèi)当通孔与通孔组件一起使用(yòng)时可(kě)能(néng)会出现某些信号完整性问题。如果使用(yòng)次WiFi频率，则只要对任何通孔和剩余的组件根进行反向钻削，通孔组件可(kě)能(néng)就不会出现信号问题。然而，由于需要多(duō)个步骤来去除通孔和组件引線(xiàn)根，这增加了制造和组装成本。因此，最好在较高的RF频率下使用(yòng)表面贴装元件。

当与任何射频振荡器一起使用(yòng)时，这种边缘发射SMA连接器之类的连接器需要精确的阻抗匹配。

mmWave振荡器PCB设计

如果将毫米波频率的射频振荡器用(yòng)作稳定的参考振荡器，则应避免使用(yòng)任何过孔，尤其是通孔。mmWave板上通孔的问题与插入损耗和谐振有(yǒu)关。首先，这些结构往往很(hěn)大，因此它们的几何谐振频率往往类似于射频振荡器的输出频率。通孔中的任何谐振信号将成為(wèi)EMI和電(diàn)容性通孔耦合的来源。

其次，可(kě)能(néng)难以将这些通孔的阻抗与互连匹配，以防止反射并确保低插入损耗。使用(yòng)高度稳定的RF参考振荡器，确保信号完整性和防止失真至关重要，并且通孔的尺寸必须适当以防止插入损耗。对于经过频率调制或用(yòng)于调制另一个信号的射频振荡器，需要精确地构造你的过孔，使其具有(yǒu)足够宽的平坦带宽。例如，在带有(yǒu)射频振荡器的5G调制方案（如滤波器组多(duō)载波（FBMC），通用(yòng)滤波多(duō)载波（UFMC），广义频分(fēn)复用(yòng)（GFDM）和滤波OFDM（f-OFDM））中确保信号完整性如果通孔阻抗频谱建模不正确，则HDI板可(kě)能(néng)会很(hěn)困难。

无论你是从头开始设计射频振荡器，还是需要将现有(yǒu)组件带入PCB。上海韬放電(diàn)子提供专业的PCB设计服務(wù)，如果您有(yǒu)这方面的需求，请与我们联系。