嵌入式系統(tǒng)高頻PCB設(shè)計(jì)技巧

當(dāng)今的高速嵌入式系統(tǒng)結(jié)合了各種功能、組件、數(shù)字接口，當(dāng)然還有無(wú)線/射頻信號(hào)。 如果您想要設(shè)計(jì)具有任何計(jì)算能力的嵌入式系統(tǒng)，并且還包括模擬前端，您將面臨多種混合信號(hào)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。 無(wú)論是 1 GHz 以下的簡(jiǎn)單無(wú)線電連接、Wifi/BLE 還是千兆位以太網(wǎng)，嵌入式系統(tǒng)都需要某種方式與外界交互，而這種方式不依賴于純數(shù)字信號(hào)。 這適用于背板、單板計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和其他系統(tǒng)。

使用當(dāng)今嵌入式系統(tǒng)中使用的高頻信號(hào)，電路板設(shè)計(jì)人員有責(zé)任在設(shè)計(jì)過(guò)程的早期解決這些問(wèn)題。 高頻PCB的成功設(shè)計(jì)可以概括為三個(gè)方面：

1. 堆棧設(shè)計(jì)和接地；

2. 元件放置；

3. 接線和阻抗控制。

聽(tīng)起來(lái)很明顯，這是我們?cè)诒静┛偷脑S多文章中介紹的基本設(shè)計(jì)技術(shù)。 不過(guò)，這里應(yīng)該強(qiáng)調(diào)這幾點(diǎn)，因?yàn)榫哂幸恍?shù)字功能的高頻PCB，尤其是現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)，必須依靠這三個(gè)方面的成功來(lái)確保系統(tǒng)按設(shè)計(jì)運(yùn)行。 為了幫助您開(kāi)始下一個(gè)PCB的布局和布局，讓我們從嵌入式系統(tǒng)的高頻設(shè)計(jì)來(lái)看看每個(gè)區(qū)域。

高頻 PCB 的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

正如我將簡(jiǎn)要討論的那樣，高頻 PCB 和數(shù)字系統(tǒng)所涉及的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)都集中在信號(hào)完整性上，在某種程度上也集中在電源完整性上。 我們這里考慮的 PCB 類型是用于嵌入式系統(tǒng)的板，其中還將包括一些 RF 功能。 RF部分可以通過(guò)WiFi或BLE等標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字部分幾乎可以與MCU、MPU或FPGA接口。

隔離高頻信號(hào)

也許這些系統(tǒng)中最重要的設(shè)計(jì)考慮因素是數(shù)字和模擬信號(hào)的隔離。 如果系統(tǒng)有模擬部分、天饋線等，需要將模擬部分與數(shù)字部分隔離，因?yàn)榇當(dāng)_會(huì)干擾模擬信號(hào)。 這是最好使用波導(dǎo)布線的原因之一，因?yàn)樗峁┝俗匀桓綦x，我將在下面更詳細(xì)地解釋。

如果您能成功完成此部分，您將更接近于在模擬部分制作具有更高 EMI 抗擾度的模擬部分。 正如我將在下面討論的，最好在堆疊階段（設(shè)計(jì)的開(kāi)始）而不是在布線階段（設(shè)計(jì)的結(jié)束）開(kāi)始考慮這一點(diǎn)。 首先，嵌入式系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)應(yīng)考慮一些特點(diǎn)。

嵌入式技術(shù)有何不同？

嵌入式系統(tǒng)與許多其他采用高頻PCB的數(shù)字系統(tǒng)的區(qū)別在于高速數(shù)字接口的使用。 盡管高速計(jì)算接口使用差分對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但仍然有可能在數(shù)字和模擬部分之間引起共模噪聲（串?dāng)_）。 此外，具有更快上升時(shí)間的信號(hào)會(huì)將其信號(hào)功率集中到更高的頻率，因此它們更有可能在單端射頻互連上顯示為噪聲。

由于您基本上處理的是高速小型計(jì)算機(jī)，因此您還需要考慮電源完整性，尤其是地彈/軌道彈。 兩種效果基本相同，但表現(xiàn)方式不同。

正確的 PCB 堆?？梢越鉀Q大多數(shù)電源和信號(hào)完整性問(wèn)題。 堆疊還會(huì)影響溶解度、分布性、阻抗控制、EMI/EMC、熱控制和隔離。 如果您正在設(shè)計(jì)具有高速數(shù)字接口和模擬部件的嵌入式系統(tǒng)，則可以使用該堆棧開(kāi)始考慮您的設(shè)計(jì)。

如果您使用純模擬或混合信號(hào)設(shè)備，則在堆疊和接地計(jì)劃中需要考慮許多重要事項(xiàng)。 然而，您還必須將高速/高頻元件放置在電路板上，因此在開(kāi)始布線之前自然要檢查元件的放置情況。

組件放置在頂部參考平面上方

首先，您應(yīng)該將接地層分為數(shù)字部分和模擬部分，但保持兩個(gè)部分物理連接，以提供一致的低電抗接地路徑。 如果您使用多個(gè)頻率的射頻信號(hào)，請(qǐng)考慮切割第三個(gè)模擬信號(hào)以用于這些信號(hào)和組件。 如果按照上述說(shuō)明堆疊地和電源，則電源部分已經(jīng)做了同樣的處理，理想情況下，可以防止 PDN 中高傳輸阻抗引起的多端口激勵(lì)。

將數(shù)字部分和 RF 部分在接地層上方分開(kāi)，并遵循返回路徑，以確保信號(hào)在 PCB 布局中隔離。

用于隔離布線的高頻 PCB

下一個(gè)要考慮的問(wèn)題是如何在組件之間布線。 但是，您可能還需要一些策略來(lái)隔離不同的電路板部件和互連，以防止干擾。 一些策略包括：

表層的共面波導(dǎo)布線，特別是元件之間的走線，到饋線或到同軸連接器。

如果您有足夠的層，請(qǐng)考慮留一層用于功能區(qū)布線。 請(qǐng)注意這一點(diǎn)，因?yàn)檫^(guò)孔可能會(huì)導(dǎo)致超高頻（毫米波）出現(xiàn)問(wèn)題。

由于會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同相的輻射源，因此在射頻功率層周圍放置接地通孔圍欄可以提供良好的抑制效果。

考慮使用帶隙結(jié)構(gòu)來(lái)提供隔離，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯佑∷⒌礁哳l PCB 上。

如何設(shè)計(jì)互連以確保一致的阻抗匹配并不像如何接線以防止干擾那么重要。 也許這里最重要的一點(diǎn)是跟蹤返回路徑并使射頻互連遠(yuǎn)離數(shù)字部分。 只要射頻互連附近沒(méi)有大的返回電流，就可以減少對(duì)串?dāng)_的擔(dān)憂。 然而，在原型設(shè)計(jì)之前，仍然有很多點(diǎn)需要評(píng)估，現(xiàn)場(chǎng)求解器可以幫助發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題。

在使用現(xiàn)場(chǎng)解算器進(jìn)行原型設(shè)計(jì)之前評(píng)估您的電路板

只要您能夠消除原型運(yùn)行并發(fā)現(xiàn)超高頻信號(hào)/電源完整性問(wèn)題，您就可以節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)。 正確的場(chǎng)求解器可以幫助您完成 PCB 布局并計(jì)算確保 RF 產(chǎn)品按設(shè)計(jì)工作所需的重要信號(hào)完整性指標(biāo)。 在高頻 PCB 中，需要檢查的一些重要點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、輻射 EMI 以及不同電路板部件之間的干擾。 如果將天線直接放置在板上，還需要檢查輻射方向圖和輻射功率。 PCB加工及PCB組裝廠家講解嵌入式系統(tǒng)中高頻PCB的設(shè)計(jì)技巧。