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发布时间:2020-08-08 01:06:38

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作者:刘国华

出版社:电子工业出版社

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通信电子线路实践教程——设计与仿真

通信电子线路实践教程——设计与仿真试读:

前言

随着当今无线通信和集成电路技术的飞速发展,重视对学生工程实践能力和综合创新能力的培养是电子、通信工程类专业教学改革的主要方向之一。本书是一本集通信电路基础性实验、综合设计性实验和软件仿真设计于一体的实验教材,融会了编者多年的教学、科研经验与成果,书中所有实验项目均来自编者教学或指导学生学科竞赛的实践,旨在通过精心设计的实践训练项目,激发学生的学习兴趣,培养和提高学生的动手实践能力、工程设计能力、探索创新意识和团队协作精神。

本书具有以下特色。

1.内容覆盖全面、层次分明、利于自学

全书内容共有5章和4个附录。实验层次体系以功能电路实验、通信电路综合设计、通信电路仿真设计进行编排,各层次教学目标明确,教学要求循序深入,教学内容涵盖了“通信电子线路”理论课程的所有内容。

第1章为通信电路设计和测试基础,介绍了无源电子器件(如电阻、电容、电感、传输线和二极管)的高频等效电路及使用方法,以及射频电路的各种测试测量方法和数据处理技术。

第2章设计了10个基础性功能电路实验,包括小信号单调谐和双调谐放大器、高频谐振功率放大器、高频LC和石英晶体振荡器、振幅调制与解调、频率调制与鉴频、锁相环路。每个实验都给出了预习要求、实验原理介绍和实验内容,列出了兼顾实践性与开放性的实验思考题。

第3章为6个综合设计性实验。以一个调频通信系统为主线,要求以分立元件设计一个小功率调频发射机,并以功能电路为基础,设计一个调频接收机,包括小信号调谐放大器设计、压控振荡器(本地振荡器)设计、混频器和中频放大器设计、正交鉴频器设计,集成宽带程控放大器设计是小信号调谐放大器设计的扩展。最后列出了两个综合性较强的设计课题,为了教学方便,实验项目以对应理论课程的教学顺序编排。

第4章首先介绍电路仿真软件LTSpice的使用,然后以高频谐振功率放大器、高频LC振荡器、振幅调制与解调电路、二极管平衡混频电路4个典型功能电路为例,介绍LTSpice在通信电路仿真与设计中的应用。每个实例后面列出了设计思考题,并在最后一节列出了调幅通信系统和调频发射机两个综合设计题。

第5章简要介绍电路仿真软件PSpice在通信电路仿真中的应用。这主要考虑到有不少读者习惯于使用PSpice软件,而LTSpice软件入手有一定难度。为避免重复,PSpice和LTSpice仿真内容互为补充,尽量扩大覆盖面。这部分内容可以供学生仿真设计使用,也可供实验或理论课老师上课演示参考。

附录分别给出了实验室常用高频测试仪器的主要技术指标及操作使用方法,设计报告内容及模板,LTSpice软件的常用命令及元器件符号,功率电平的快速换算方法,方便读者在使用本书时快速参考。

每个基础实验和仿真设计实验均由单人完成,实验教学过程中可以根据教学总学时调整每人完成的实验项目数。综合设计性实验建议采用6人一组的分组方法,其中2人完成调频发射机设计。4人完成调频接收机设计,每人负责一个模块,再连接成接收机进行系统调试,最后完成调频通信系统的综合整机调试和验收。为避免相互干扰,各组可以自选或由指导老师分配通信频率。

2.软件仿真设计贯穿始终,设计环节融入基础实验

通信电路实验对实验者和仪器设备要求较高,全部采用硬件电路实验在现实教学中确实有困难。故所有硬件电路实验预习时,要求学生先对实验内容进行软件仿真,在基础实验电路中,部分元器件参数没有给出,要求学生要自行计算设计,并根据实验要求在仿真过程中调整参数。综合设计性实验要求学生先给出仿真设计结果,最后将实验结果和仿真结果进行比较、分析、总结。

软件仿真设计突出了LTSpice软件的使用。LTSpice软件免费使用且功能不受限制,具有体积小、效率高的特点。根据作者在教学科研中的使用经验,LTSpice比较适合通信电路实验和理论教学,第4章中的仿真设计实例就是作者近几年来实践和理论教学的总结。

3.强化设计、培养对知识的应用能力

实验原理部分给出了“够用”的相关理论知识。所有实验项目均包含有设计环节,设计部分要求学生在课外完成,突出自主设计,激发创新思维。设计性实验需要多人协作完成,内容分为电路设计、PCB设计、焊接组装、调试验收等环节。突破了传统实验教学中基础实验以验证为主,学生按照实验指导书操作即可完成的教学局限性,打破了将实验内容集中在课内完成的封闭教学模式,培养了学生对所学知识的综合运用和团队协作能力。

本书第1~4章和附录由刘国华执笔,第5章由林弥执笔,罗友负责确定全书的组织架构,全书由刘国华统稿。

程知群教授认真审阅了全部书稿,对书中的具体内容提出了很多建设性的修改意见,对书稿质量的提高起到了重要作用,编者表示衷心的感谢。

本书在编写过程中,王光义教授给予了热情支持。课程组的周涛、董志华、柯华杰、易志强老师参与了部分内容的讨论,提出了不少改进意见;实验室的研究生朱丹丹、陈帅绘制了部分电路图,编者在此一并表示衷心的感谢。

电子工业出版社对本书的出版给予了大力支持,王羽佳副编审给予作者许多指导,为本书的顺利出版提供了良好的条件,编者表示衷心感谢。

由于时间和编者水平有限,错漏之处在所难免,欢迎读者批评指正。

编 者

2015年2月于杭州电子科技大学

第1章 通信电路设计与测量基础

1.1 通信电路设计基础

在低频电路中,电子元件常被视为集总参数,而在高频或射频(Radio Frequency,RF)电路设计中,需要考虑元件和电路的分布参数效应。分布参数主要是分布电阻、分布电容和分布电感。分布电阻是指元件引脚或连线接触点、连线自身和线路板布线形成的非期望电阻,分布电阻通常与元件为串联关系;分布电容主要指元件自身封装、元件之间、元件到接地平面和线路板布线间形成的非期望电容,分布电容通常与元件为并联关系。分布电感是指元件引脚、连线、线路板布线等形成的非期望电感,分布电感与元件为串联关系。1.1.1 通信电路中的电子元器件

1.导线

传统的交流电路分析把导线视为电阻和电抗可以忽略不计的近似理想元件。实际上,电阻、容抗和感抗不仅仅由低频电路中的电阻元件、平板器件、线圈等产生,一根平直的导线或一段印制电路板(Printed Circuit Board,PCB)上的铜箔线都可以产生随频率变化的电阻和感抗。例如,一段半径为a、长度为l、电导率为σ圆柱形铜导线的直流电阻为

直流工作时,电流会通过导线的整个横截面。交流工作时,流经导线的电荷会产生趋肤效应,趋肤深度随着工作频率的升高而减小,导致导线的交流电阻增加。当频率增加到1GHz时,铜导线的交流电阻大约是直流电阻的250倍。

导线中也会有分布电感的存在。假设导线的电感分布参数与频率无关,那么一根长度为 l、半径为a、磁导率为μ的圆柱形平直导线的0分布电感为

计算表明,一段长度为10cm、线径为0.2mm的铜导线的分布电感约为120nH。

2.电阻

电阻是电路系统中用途最广泛的无源电子器件。在低频电路中,认为电阻的阻值与频率无关。然而在高频电路中,电阻引线的寄生电感和引线结构的电容效应不能忽略。等效结构如图1.1所示,电感L1和L等效为电阻两端的引线电感,电容C模拟电阻的电荷分离效应和2结构分布电容。总阻抗为图1.1 电阻的高频等效电路

工作在低频时,感抗很小,容抗很大,等效为纯电阻,阻值不随频率而改变,随着工作频率升高,容抗和感抗不能忽略。电阻值为1kΩ、引线电感为10nH、分布电容为5pF的等效阻抗随频率的变化关系如图1.2所示。图1.2 1kΩ电阻的频率特性

可以看出,在低频段,阻值为1kΩ,没有相移,说明是纯电阻。当频率达到4MHz时,分布电容的影响开始显现,电阻的阻值开始下降,相移为负值,电阻等效为容性阻抗;频率到500MHz时,阻抗降到仅有4Ω。随着频率的增加,由于引线电感开始起主导作用,相移为正,电阻等效为感性阻抗。因此,在不同的工作频段,电阻可以等效为电阻、电容或电感,这是高频电路设计时要注意的问题。

电阻按材料类型分为线绕电阻、金属膜电阻和碳膜电阻。其中线绕电阻用康铜或镍铬合金电阻丝绕在陶瓷骨架上,工作稳定,耐热性好,用于大功率场合,但分布电感较大,不适用于高频电路。碳膜电阻虽然性能一般,但成本低,分布参数也比线绕电阻小,一般为土黄色的四色环封装,每种色环颜色代表一个数字,第一个、第二个、第三个色环分别代表百位、十位、个位的有效数字,第四个色环代表精度。金属膜电阻的精度高、分布电感小,适用于高频电路,通常为蓝色的五色环封装,前四个色环代表有效数字,第五个色环代表精度。色环颜色与数字或精度的对应关系见表1.1。表1.1 色环与数字的对应关系

需要说明的是,在高频电路中,低阻值电阻由于受分布电感的影响较大,实际应用时,阻值更不容易控制。

电阻的封装通常有直插式和贴片式两种。直插式封装电阻功率越大,体积越大。贴片式封装电阻通常用四位数字表示,前两位表示封装长度,后两位表示封装宽度,单位为英寸,如0402封装的电阻长度为0.40英寸(约1mm),宽度为0.20英寸(约0.5mm)。贴片封装具有体积小、引脚短、分布电感小、抗干扰能力强、高频性能好的特点。贴片电阻的阻值一般直接标注在封装外壳上,5%精度的用3位数字表示,前两位是有效数字,第三位为0的个数;精密电阻用4位有效数字加两个英文字母表示,前3位是有效数字,第四位是0的个数,数字中间的字母R表示小数点。最后两个英文字母的第一个表示误差,第二个表示温度系数。字母含义如表1.2所示。表1.2 贴片电阻最后两位字母的含义

2.电容

在高频电路中,电容通常用于滤波器、阻抗匹配电路、有源器件如晶体管的偏置电路设计中。由于存在分布参数,电容在高频电路中的作用与在低频电路中的作用有很大的不同。我们知道,基本的平板电容器的电容值为

式中,ε是介电常数;A是平板面积;d是平板间距。平板之间填充介质,介质有很大的介质电阻存在,实际的电容元件等效为理想电容和介质电阻的并联,总阻抗为

式中,G是介质电导。此外,电容器还有寄生引线电感L和引线e的串联损耗电阻R,如图1.3所示,其中R=1/G,是介质损耗电阻。see图1.3 电容的高频等效电路

当分布参数L=20nH、R=1mΩ、R=50MΩ时47pF的电容随频率se变化的阻抗特性曲线如图 1.4 所示。可以看出,在100MHz以内,电容器的容抗随频率的增加而线性减小,特性接近理想电容,165MHz为串联自谐振频率,此时的阻抗约为0.5Ω;频率高于165MHz时,电容器的特性发生实质性的变化,等效为一个电感。因此,电容器在使用时,工作频率不能超过自谐振频率点。一般为安全起见,工作频率要低于自谐振频率的一半。Murata公司(村田制作所)生产的贴片电容的自谐振频率经验公式为,其中C为贴片电容值,范围为1.8pF~18nF,串联电感为0.86nH,串联电阻为0.08Ω~0.52Ω。贴片电容工作在自谐振频率时,阻抗近似为零,称为“零”电容,此时用做射频接地的旁路电容,效果最好。

需要指出的是,实际电容器的串联损耗电阻R值与频率的平方s根成正比,介质损耗电阻R与工作频率成反比。电容还有两个参e数,即等效串联电阻(Equivalent Series Resistance,ESR)和损耗角正切(tan⊿),tan⊿是ESR与电容电抗的比值。如前所述,由于电容串联损耗电阻很小,故质量优良的电容ESR→0和tan⊿→0。

根据介质材料的不同,商用电容分为铝电解电容、CBB电容、陶瓷电容、云母电容、钽电容等。其中除了铝电解电容由于卷绕式制作,分布电感比较大,不适合高频外,其他电容都可以用于高频电路设计中,尤其是瓷片电容和钽电容,高频性能比较稳定,实际使用最广泛。就损耗而言,铝电解电容的ESR最大,钽电容次之,陶瓷电容最小。

高频电路中常用的另一种电容是穿心电容。这是一种三端电容,通常直接安装在金属面板上,使得接地电感极小,几乎没有引线电感。由于其输入/输出端被金属板隔离,消除了高频耦合,故滤波效果非常好。图1.4 47pF电容阻抗的频率特性曲线

电容的常见封装方式有两种,即直插式封装和贴片式封装。直插式封面电容一般用于频率比较低的电路和电源滤波电路中。贴片式封装电容体积小、引脚短、分布参数小、性能稳定,常用于高频电路中。

电容器的值通常标注在外壳上。铝电解电容器的电容值直接以数字标出;直插式瓷片电容的电容值为三位数字,前两位是有效数字,第三位是0的个数,单位为pF。例如,103表示10000pF。

3.电感

虽然在电路中的使用没有电阻和电容普遍,但电感元件常用于高频晶体管的偏置电路中,例如,用做高频扼流圈,使得直流电源的电压可以直接加到晶体管上,同时防止高频信号进入直流电源,影响电源的正常供电。由于电感线圈由平直导线绕制而成,前面已说明,导线自身存在交直流电阻R,虽然直流电阻较小,但交流电阻随频率s的增加而增加。线圈的匝与匝之间相互平行,类似于小的平板电容,产生的寄生电容C与整个电感是并联关系。电感的等效电路如图1.5s所示。图1.5 电感的高频等效电路

电感的品质因数Q是指在某一频率下感抗与串联电阻R的比值,s即

在低频时,R很小,Q值很大。随着频率的升高,由于趋肤效应s和线圈间的分布电容的影响,导致电感的Q值下降。Q值表示了电感的损耗,Q值越高,则损耗越小,电感的性能越好。

对于一个10μH的电感,串联分布电阻R为0.5Ω,匝间分布电容sC为0.5pF时,对电感高频等效电路的软件仿真分析结果如图1.6所示。s

可以看出,从低频到50MHz,随着频率的增加,相移为正值,阻抗线性增加,呈现比较理想的电感特性;从50MHz到电感的自谐振频率点约71MHz,随着频率的增加,相移仍然为正,感抗迅速上升,在并联谐振频率点时阻抗达到415kΩ;然后频率继续增加,一方面相移为负值,另一方面随着频率增加,电抗下降,电感器件呈现电容特性。因此,实际电路中的电感,如果使用不当,会等效为一个电容。在高频电路设计中应该竭力避免这种情况出现。Murata 公司生产的贴片电感自谐振频率经验公式为,其中L为贴片电感值,取值范围是22nH到1800nH,并联电容为0.2pF,当电感工作在自谐振频率时,它的阻抗最大,理想情况下近似为无穷大,此工作频率的贴片电感用做扼流圈效果最好。图1.6 10μH电感的阻抗特性曲线

在通信电路实验与设计中,常用的有高频扼流圈电感、色环电感和空心自绕电感。扼流圈电感值比较大,一般为带磁心的电感线圈,或者圆柱形封装电感。色环电感外观与色环电阻相似,颜色为绿色,取值不连续,电感值用4个色环表示,前三个色环表示有效数字,第四个色环表示误差,颜色含义与表1.1相同。空心电感值比较灵活,绕制后可以通过LCR电桥测量电感线圈的各种参数,如电感值、Q值、串并联电阻等。也可以通过下式估算空心电感的电感值:-7

式中,μ为真空磁导率(4π×10 );r为线圈半径;N为线圈匝0数;l为线圈总长度。

与电感串联的直流分布电阻为

式中,N为线圈匝数;r为线圈半径;a为导线半径;σ为铜的Cu电导率。

电感的封装不同,电感值的标注也不一样。图1.7是各种封装的电感器实物图。电感器的电感量有直标法、色标法和数字字母组合法。直标法将电感量直接标注在电感外壳上,色标法采用色环标注。与色环电阻类似,数字字母组合标注一般用在贴片电感上,与贴片电阻的阻值标注类似。图1.7 各种封装的电感器实物图

4.传输线

传输线是用来传输电磁能量的载体,用于连接信号源和负载,以及实现电路模块之间的连接。通信电路工程实践中常用的传输线有双线传输线、同轴线和微带传输线。由于传输线参数的分布特性,它自身有特征阻抗。对于无耗传输线,若单位长度的分布电感为L,分布电容为C,则特征阻抗Z为0

特征阻抗反映了传输线本身的特征,与频率无关。(1)双线传输线

双线传输线可以是两条平行的导线或互相绞合在一起的导线;平行传输线是一个开放的系统,随着工作频率的升高,会向外辐射更多的电磁能量,也更容易受到外界电磁信号的干扰。为了减少能量辐射,通常在两条导体周围添加高介电常数的介质,将电磁场集中在导体附近。常见的平行双线有低频用的电源线、电视机天线的馈线、USB延长线、电话机的电话线等。双绞线的有效回路面积小,可以减小电磁能量辐射和外界电磁干扰,如局域网的网线。(2)同轴线

同轴线是两个同轴的导体所构成的传输线,由内导体、介质层和外导体组成,结构和实物如图1.8所示。内导体半径为a,外导体半径为b,内外导体之间填充了介电常数为ε的低损耗介质,最外面一层r是保护层。通常在使用时,外导体接地,电磁场被限制在内外导体之间,可以最大限度地降低传输线的电磁辐射,同时屏蔽外界电磁场的干扰。图1.8 同轴传输线的结构和实物

为了保持良好的弹性和使用的灵活性,同轴线的外导体通常用金属做成编织网状,填充介质材料是介电损耗比较低的聚乙烯(ε=2.3,rtan⊿=0.0004@10GHz)或特氟龙(ε=2.1,tan⊿=0.0004@r10GHz)。

由于同轴线良好的信号传输和屏蔽特性,广泛应用于各种电子技术实验室、科研与工程实践中。通信电子电路实验室中用到的测试线绝大多数都是同轴线。例如,示波器探头线、高频仪器设备与被测电路之间的连线、电路单元之间的连接线等,都是具有良好高频特性的同轴线。

如前所述,不同传输线的特征阻抗也不一样。同轴线的特征阻抗为

可见同轴线的特征阻抗与填充介质介电常数的平方根成反比,介电常数大,可以认为内导体和外导体之间的等效电容也大,特征阻抗就减小。常用同轴传输线的特征阻抗有 50Ω和 75Ω两种,由于高频电子仪器的输出阻抗通常是50Ω,故50Ω一般作为阻抗标准。通信电子线路实验中用到的信号发生器、频率计、频谱分析仪、射频毫伏表等仪器连接线都是50Ω同轴线,而频率特性测试仪的连接线是75Ω同轴线。同轴线的特征阻抗与射频测试仪器、被测电路输入/输出阻抗相匹配,是射频电路测试时要满足的一项基本要求。如果阻抗不匹配,就会在传输线和仪器或电路的连接处产生信号反射,从而造成测试数据的不准确。(3)微带线

在通信电子系统设计中,常用平面印制电路板作为传输媒介来传输电磁能量信号。在频率很高的射频电路中,我们要考虑腐蚀在PCB 基板上的金属导带线的高频效应。微带线的典型结构如图1.9所示,PCB基板的介电常数为ε,厚度为h,上层微带线的宽度为W,r用来传输高频信号。底层是金属接地板,构成信号的回路。

在微带线中,电磁场主要集中在金属导带和金属底板之间的区域,如果介质基板的介电常数较高,那么就只有很少的能量泄漏出去。在工作频率很高的通信电路中,PCB线可以认为是微带线。射频电路中,通常用微带线结构构造无源电抗元件。例如,用螺旋微带线构造电感、用带间隙或一段微带线构造电容。图1.9 微带线的结构

介质基板通常选用低损耗的材料,通常使用聚四氟乙烯环氧树脂(ε=2.55)、氧化铝(ε=10.0)或高介电常数的新型陶瓷材料。介质rr基板的介电常数越高,微带线的几何尺寸越小,电磁场的泄漏也越小。

常用的FR-4等级基板材料是环氧玻纤布基板(ε=4.2~4.7),它r具有强度高、耐热性好、介电性好的特点,是覆铜板中用途最广、用量最大的一类,可以用于通信和雷达产品中。

5.二极管

二极管是最简单的射频有源器件,由于它的I~V特性是指数曲线,因此可视为一个非线性电阻。因此,二极管是非线性器件。它可以实现交流信号的整流、检波、相乘等功能,在射频电路中,常用在幅度调制、检波、混频等电路中。图1.10 二极管大信号非线性模型

工作在射频小信号状态下的二极管可以用线性模型等效。而实际的二极管包括了半导体区的欧姆电阻、结电容、寄生电容、引线电感等参数,需要采用大信号模型来分析。专业的射频电路仿真软件中的大信号模型考虑了这些参数的影响,等效电路如图1.10所示。R为串s联等效电阻,它是固定值,结电容C和结电阻R都是二极管外加电压jjV的非线性函数。其中,结电容包括PN结电容和PN结扩散电容两个d部分。二极管反偏时,主要是结电容或势垒电容,正偏时扩散电容是主要电容。

射频电路设计中,常用的二极管是检波二极管、变容二极管和肖特基二极管。下面分别说明其特性及应用。(1)检波二极管

检波二极管是能够把已调信号中的低频信号检测出来的器件,具有较高的检波效率和良好的频率特性,它要求具有较小的正向压降、结电容和反向电流,较高的工作频率和足够大的正向电流,一般采用点接触的锗二极管。

常用的检波二极管有国产的2AP系列锗玻璃封装二极管,型号为1N34/A、1N60的进口检波二极管等。(2)变容二极管图1.11 变容二极管符号

变容二极管是利用反向偏置电压来改变PN结电容容量的特殊半导体器件,它相当于一个压控可变电容。其等效电路与图1.10相同,符号如图1.11所示,由于工作在反向偏置状态,所以结电阻R很高。j

结电容C与反向工作电压V之间的关系为jd

式中,C是零偏时二极管的结电容,V为二极管的反向偏置电j0d压,它为负值,V为二极管的内建电势差,一般取0.6V,n是变容二j极管的变容指数。

式(1.11)中变容二极管的C=50pF,变容指数n=1/2,反向偏j0置电压V为0~10V时,结电容变化曲线如图1.12所示。可以看出,d随着反向工作电压绝对值|V|的增加,变容二极管的结电容C由50pFdj0逐渐减小到约12pF。图1.12 变容二极管结电容随反向电压变化的曲线

由于变容二极管的上述特性,使得它在众多的射频电路中获得应用,如压控振荡器电路(Voltage Controlled Oscillator,VCO)、锁相环电路(Phase Locked Loop,PLL)、调频波产生电路、电视机的高频头等。本书的第3章中有关于变容二极管调频电路的实验,第4章中有基于变容二极管的压控振荡器设计与仿真实例。(3)肖特基二极管

肖特基二极管是由金属和半导体材料接触形成的类似PN结特性的半导体器件。由于它有更低的串联电阻、更高的截止频率、更快的反向恢复时间和更强的非线性特性,因此适合于工作在射频电路中。

肖特基二极管的上述优点结合正向压降小的特性,在射频电路中,通常用来取代普通的PN结二极管,用于射频开关、通信检波电路、调制和解调电路、混频电路、射频探测器等。1.1.2 高频电路设计与布线技术

1.布线技术

近年来,随着射频通信电子技术的发展迅速,印制电路板布线越来越复杂,高频电路由于工作频率较高,部分分布参数不能忽略,电路正常工作对布线要求较高。PCB设计涉及的内容很多,包括一些基本原则、抗干扰、电磁兼容、安全防护等。实际上,高频电路布线不仅需要一定的理论知识,更需要必要的经验积累。下面对高频电路布线过程的一些常见问题进行归纳说明。(1)小功率射频电路PCB通常选用FR-4等级的基板材料,典型的是环氧玻璃纤维布基板,介电常数为4~4.5。这种材料具有较好的机械性能、绝缘性能和耐热性。实验室常用的是双面板,为防止干扰和确保电路性能稳定,最好反面完整接地。(2)工作在射频电路中的元器件,应尽量选择贴片封装,因为这类封装体积小、元件引脚引线短、分布参数影响小。对于分立元件如电阻、电容和电感,应尽量使用0805以下的封装,因为小封装有利于提高电路的稳定性。(3)射频电路板上的元器件安排应尽量紧凑,以缩短器件之间的走线长度,减少分布电阻和分布电感的影响。同时,每个元器件包括电阻、电容、电感等无源器件的接地设计非常重要,对于双面PCB板,应该在离元器件引脚最近的地方过孔接地。具体的接地设计接下来会进一步说明。(4)对于混合信号PCB布线,由于模拟部分通常是小信号,数字部分是逻辑信号,为防止干扰,高频部分与模拟部分要远离数字部分,模拟与高频部分的接地要与数字部分的接地严格分开。由于开关电源纹波大,会破坏射频信号的传输,故不能使用它直接给高频电路部分供电。开关电源要通过高频扼流圈或π形滤波电路,再通过低压差线性稳压器(Low Dropout Line Regulator,LDO)给高频电路供电。(5)对于有多个电源引脚的射频有源器件,需要在每个电源引脚附近单独设置0.1μF的去耦合电容,如果空间允许,最好设置01μF和1000pF并联的去耦合电容,通常采用高频性能良好的陶瓷电容。如果熟悉芯片的内部电路结构,就会了解不同的电源引脚为不同的内部电路供电,此时最好再加一个10μH的串联磁珠与电源引脚相连。(6)射频PCB电路板上信号的馈入和馈出,要采用专门的RF同轴连接器,最常用的是小型SMA型同轴连接器,其最高工作频率在10GHz以上。射频测试仪器上也常用L16型N同轴连接器,频率低于2GHz时,通常使用BNC和RCA同轴连接器,前者使用最为普遍。在实际电路测试时,SMA、BNC、L16、RCA连接器之间通常需要同轴转换器。多数RF连接器有插拔次数的限制,一般为500次,超过后可能会永久损坏连接器。(7)射频电路需要进行专门的阻抗匹配设计,一般射频系统采用50Ω匹配。前面已经介绍,微带线的特征阻抗随线宽和基板介电常数的增加而减小,严格来说,微带线的阻抗需要经过精确的计算,根据基板材料的类型,通过软件仿真确定线宽,但实际加工的PCB,通常和仿真结果差距很大。好在较小的阻抗失配对工作频率不高的电路影响并不大。(8)电感设计不要平行放置,因为这样两个电感会构成空心变压器,通过互感而干扰电路的正常工作。为提高电路工作的稳定性,靠近的电感要垂直放置。

2.接地设计

接地在高频电路布线中十分重要,有时关系到电路设计的成败。所谓接地,是指电流返回源的低阻抗路径。所有信号返回源的路径都是非理想的,接地要考虑到电流因素。在低频电路中,分布电阻的影响比较大,在高频电路中,分布电感成为主要影响因素。信号在经过地线时,会产生压降和电磁场,若这些电磁量耦合到其他电路的输入端,就可能会被放大,或者影响高速数字信号的完整性,而良好的接地设计可以减轻或避免这些影响。接地分为单点接地、多点接地和混合接地。(1)低频电路单点接地

单点接地又分串联单点接地和并联单点接地。接地设计中要牢记两点:一是所有导体均有阻抗,通常体现为分布电感和分布电阻,信号频率越高,感抗越大;二是严格来说,两个物理上分离的点电位不同。

在多级低频电路中,为防止接地导线阻抗对输入回路构成正反馈而产生自激,应将每一级电路的信号地连接在一起后,再通过一根导线接地。接地方式如图1.13所示。图1.13 单点接地方式

图1.13(a)为串联单点接地,电阻R、R和R分别为接地导线123的等效阻抗,由于接地回路中有电流,因此A、B、C三点的电位各不相同,且三点电位依次降低。在实际电路设计中,接地导线应尽量短而粗,这样可以降低导线本身的电阻和分布电感感抗对电路的干扰,减小R、R和R的值,缩小A、B、C三点的电位差。串联单点接地123方式中与主接地点最近的那一级电路设计是最关键的。图1.13(b)是采用星形接法的并联单点接地。每一级电路均通过一条导线直接接地,由于导线阻抗R、R和R可能不同,流过三条接地导线的电流123也可能不同,A、B、C三点的电位也不相同。但与串联接地相比,并联接地电平不会累加,因此实际抗干扰效果要更好一些。但如果电路级数很多,则需要大量接地线,这将增加系统设计的复杂程度。

任何低频系统均可采用单点接地。如果系统中有信号地、噪声地、数字地、机壳地,那么一般采用星形连接方式的并联单点接地,接地连接方式参照图1.13(b)。(2)高频电路多点接地

在高频电路中,由于存在趋肤效应,信号在导线的表面进行传输,导致导体的有效电阻增加。分布电感比分布电阻的影响更大,电路工作频率越高,分布电感感抗越大。此外,还需要考虑元器件引线和电路布线间的分布电感。如果电路设计不合理,就可能使电路向外辐射噪声信号,产生严重的电磁干扰。因此,为减小分布参数对电路的干扰,高频电路应采用多点接地,即在需要接地时就近接地,,如图1.14所示。为克服趋肤效应的影响,接地导线应尽量宽、粗、短。一般工作频率大于 1MHz 时,可采用多点接地方式。当工作频率大于10MHz 时,接地线长度要小于波长的 1/20,如果大于波长的1/20,则必须采用多点接地方式。图1.14 高频电路多点接地

在设计高频印制电路板时,如果是单层板,那么可将未布线区域大面积敷铜接地。如果是双层板,那么可以正面放置元器件,反面全部敷铜用来接地。当电路工作频率超过20MHz时,一定要用双面板,其反面用来大面积接地。为提高抗干扰效果,最好采用网格敷铜,网格大小与电路工作频率有关。此外,由于数字信号的上升突变部分含有很多高次谐波分量,因此高速数字电路在设计时也采用多点接地方法。

在高频小信号电路中,要避免出现地线环路,因为环状的地线会产生感应电流,造成的感应电势可能干扰电路的正常工作。1.1.3 抗干扰设计与测试

1.电路板抗干扰设计

在高频电路设计中,抗干扰设计对提高电路的整体稳定性有十分重要的意义。PCB设计的关键是,减少电路的电磁辐射和提高电路自身的抗干扰能力,而做到这一点的措施如下。(1)元器件合理布局

首先要规划电路板尺寸和元器件布局。元件布局的合理与否直接影响到电子系统的寿命、稳定性、电磁兼容等,必须从电路板的整体布局、布线的可通性、机械结构、散热、电磁干扰(Electro Magnetic Interference,EMI)、可靠性、信号的完整性等方面综合考虑。高频电子元件的放置要尽量紧凑,以便缩短布线长度,降低信号线的交叉干扰;机械元件和接插件应放置在电路板的边缘,因为其频繁的插拔可能对其他电子元件和电路造成影响;大功率器件和小功率器件要分开一定的距离,防止前者对后者的干扰;紧邻的电感线圈、变压器等磁场元件应垂直放置,防止因电磁感应造成的干扰;模拟电路与数字电路应分开设计,以免后者的逻辑电平信号对模拟小信号电

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