射頻振蕩器的PCB設計

2020-03-24

如果你不是了解射頻振蕩器的PCB設計人員，那么使用任何模擬振蕩器似乎都是很深奧的。隨著(zhù)新產(chǎn)品繼續將PCB設計推向更高的頻率，越來(lái)越多的IC和PCB設計人員應該熟悉射頻振蕩器的組件和電路。

一旦達到GHz范圍甚至更高，與射頻振蕩器的分立元件相比，SoC和IC成為更好的選擇。我們已經(jīng)編寫(xiě)了一些設計人員應了解的一些基本振蕩器，以及一些在GHz范圍內工作的PCB設計人員的重要布局技巧。

PCB設計射頻振蕩器

你可以使用隨時(shí)可用的組件來(lái)設計許多標準振蕩器電路。這些電路通常包含一個(gè)或多個(gè)FET（BJT，JFET或MESFET），無(wú)源組件，一個(gè)或多個(gè)運算放大器和/或變容二極管。要使這些電路中的任何一個(gè)運行至GHz頻率，都需要使用GaAs（小于約10 GHz帶寬）或GaN（大于約10 GHz帶寬）有源組件。

由于多種原因，可能很難使這些由分立元件構成的振蕩器在高GHz頻率下運行。所涉及的問(wèn)題是由于具有足夠高的諧振頻率的非常小的電感器和電容器的可用性，以及實(shí)際電路布局中的寄生效應。與簡(jiǎn)單地使用射頻振蕩器IC或晶體振蕩器相比，所涉及的成本也將更大。盡管存在這些困難，但你當然可以使用分立組件構建帶有COTS組件的，運行在100 MHz或幾GHz的射頻振蕩器。

如果要設計必須在高功率下工作的定制信號鏈，并且沒(méi)有可用的射頻振蕩器IC，則可以使用分立組件構建上述任何振蕩器電路或VCO / VCXO / NCO電路。從分立元件構建任何這些振蕩器都需要具有足夠高的自諧振頻率的無(wú)源器件。

特定電路的輸出可能是正方形，三角形/鋸齒形或指數（松弛振蕩器）。將輸出轉換為正弦波的最簡(jiǎn)單方法是積分器，微分器，高階RC濾波器或限幅電路。例如，許多VCO產(chǎn)生三角波，并通過(guò)施密特觸發(fā)器電路將其轉換為方波。通過(guò)使截止頻率接近基波諧波的三階（或更高階）RC濾波器通過(guò)方波輸出，可以將其轉換為接近正弦波，盡管在離散COTS的GHz頻率下，這變得相當困難組件。更精確的信號轉換方法需要運算放大器和LC振蕩電路，這超出了本文的范圍。

將射頻振蕩器帶入信號鏈

微波元件公司花費了大量時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)和完善用于射頻振蕩器電路的IC。這些組件往往具有非常低的相位噪聲，并且通常是表面貼裝組件，尤其是在PCB設計為以高頻運行時(shí)。這些組件可以使用上面介紹的電路之一，也可以使用內部整數/小數PLL進(jìn)行頻率合成直至高頻。提供的選項范圍從幾MHz到10's GHz。

這些射頻振蕩器IC也可能分別使用NCO或VCO生成MHz或GHz信號。這些IC還可用作PLL反饋回路中的基本振蕩器，并用于合成更大的頻率。使用此實(shí)現時(shí)要小心，因為此系統中使用的任何射頻振蕩器的帶寬都會(huì )有限。此外，環(huán)路濾波器（基本上是低通濾波器）和相位檢測器將捕獲和鎖定范圍限制為較窄的值。你使用的振蕩器應具有足夠寬的帶寬，使其與捕獲/鎖定范圍重疊。

射頻振蕩器IC，由分立組件構建的任何射頻振蕩器以及信號鏈中的所有其他組件都應使用表面安裝組件，因為當通孔與通孔組件一起使用時(shí)可能會(huì )出現某些信號完整性問(wèn)題。如果使用次WiFi頻率，則只要對任何通孔和剩余的組件根進(jìn)行反向鉆削，通孔組件可能就不會(huì )出現信號問(wèn)題。然而，由于需要多個(gè)步驟來(lái)去除通孔和組件引線(xiàn)根，這增加了制造和組裝成本。因此，最好在較高的RF頻率下使用表面貼裝元件。

當與任何射頻振蕩器一起使用時(shí)，這種邊緣發(fā)射SMA連接器之類(lèi)的連接器需要精確的阻抗匹配。

mmWave振蕩器PCB設計

如果將毫米波頻率的射頻振蕩器用作穩定的參考振蕩器，則應避免使用任何過(guò)孔，尤其是通孔。mmWave板上通孔的問(wèn)題與插入損耗和諧振有關(guān)。首先，這些結構往往很大，因此它們的幾何諧振頻率往往類(lèi)似于射頻振蕩器的輸出頻率。通孔中的任何諧振信號將成為EMI和電容性通孔耦合的來(lái)源。

其次，可能難以將這些通孔的阻抗與互連匹配，以防止反射并確保低插入損耗。使用高度穩定的RF參考振蕩器，確保信號完整性和防止失真至關(guān)重要，并且通孔的尺寸必須適當以防止插入損耗。對于經(jīng)過(guò)頻率調制或用于調制另一個(gè)信號的射頻振蕩器，需要精確地構造你的過(guò)孔，使其具有足夠寬的平坦帶寬。例如，在帶有射頻振蕩器的5G調制方案（如濾波器組多載波（FBMC），通用濾波多載波（UFMC），廣義頻分復用（GFDM）和濾波OFDM（f-OFDM））中確保信號完整性如果通孔阻抗頻譜建模不正確，則HDI板可能會(huì )很困難。

無(wú)論你是從頭開(kāi)始設計射頻振蕩器，還是需要將現有組件帶入PCB。上海韜放電子提供專(zhuān)業(yè)的PCB設計服務(wù)，如果您有這方面的需求，請與我們聯(lián)系。