Wi-Fi是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無(wú)線方式互相連接的技術(shù)。Wi-Fi是一個(gè)無(wú)線網(wǎng)路通信技術(shù)的品牌，由Wi-Fi聯(lián)盟（Wi-Fi Alliance）所持有。目的是改善基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。現(xiàn)時(shí)一般人會(huì)把Wi-Fi及IEEE 802.11混為一談。甚至把Wi-Fi等同于無(wú)線網(wǎng)際網(wǎng)路。

　　Wi-Fi 原先是無(wú)線保真的縮寫，Wi-Fi 的英文全稱為wireless fidelity,在無(wú)線局域網(wǎng)的范疇是指“無(wú)線相容性”，實(shí)質(zhì)上是一種商業(yè)，同時(shí)也是一種無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)，以前通過(guò)網(wǎng)線連接電腦，而現(xiàn)在則是通過(guò)無(wú)線電波來(lái)連網(wǎng)；常見(jiàn)的就是一個(gè)無(wú)線路由器，那么在這個(gè)無(wú)線路由器的電波覆蓋的有效范圍都可以采用WIFI連接方式進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，如果無(wú)線路由器連接了一條ADSL線路或者別的上網(wǎng)線路，則又被稱為“熱點(diǎn)”。

　　射頻（RF）電路的電路板布局應(yīng)在理解電路板結(jié)構(gòu)、電源布線和接地基本原則的基礎(chǔ)上進(jìn)行。本文著重討論了有關(guān)PLL雜散信號(hào)抑制的方法。為便于說(shuō)明問(wèn)題，本文以MAX2827 802.11a/g收發(fā)器的PCB布局作為參考設(shè)計(jì)。

一：電源布線和電源旁路的基本原則

　　設(shè)計(jì)RF電路時(shí)，電源電路的設(shè)計(jì)和電路板布局常常被留到高頻信號(hào)通路的設(shè)計(jì)完成之后。對(duì)于沒(méi)有經(jīng)過(guò)深思熟慮的設(shè)計(jì)，電路周圍的電源電壓很容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的輸出和噪聲，從而對(duì)RF電路的系統(tǒng)性能產(chǎn)生負(fù)面影響。合理分配PCB的板層、采用星形拓?fù)涞腣CC引線，并在VCC引腳加上適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙荩瑢⒂兄诟纳葡到y(tǒng)的性能，獲得指標(biāo)。

　　合理的PCB層分配便于簡(jiǎn)化后續(xù)的布線處理，對(duì)于一個(gè)四層PCB （WLAN中常用的電路板），在大多數(shù)應(yīng)用中用電路板的頂層放置元器件和RF引線，第二層作為系統(tǒng)地，電源部分放置在第三層，任何信號(hào)線都可以分布在第四層。第二層采用不受干擾的地平面布局對(duì)于建立阻抗受控的RF信號(hào)通路非常必要，還便于獲得盡可能短的地環(huán)路，為層和第三層提供高度的電氣隔離，使得兩層之間的耦合。

　　大面積的電源層能夠使VCC布線變得輕松，但是，這種結(jié)構(gòu)常常是導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化的導(dǎo)火索，在一個(gè)較大平面上把所有電源引線接在一起將無(wú)法避免引腳之間的噪聲傳輸。圖1給出了星形連接的VCC布線方案，該圖取自MAX2826 IEEE 802.11a/g收發(fā)器的評(píng)估板。圖中建立了一個(gè)主VCC節(jié)點(diǎn)，從該點(diǎn)引出不同分支的電源線，為RF IC的電源引腳供電。另外，每條引線還具有一定的寄生電感，這恰好是我們所希望的，它有助于濾除電源線上的高頻噪聲。

圖1. 星形拓?fù)銿CC布線

　　使用星形拓?fù)銿CC引線時(shí)，還有必要采取適當(dāng)?shù)碾娫慈ヱ睿ヱ铍娙荽嬖谝欢ǖ募纳姼小Ｊ聦?shí)上，電容等效為一個(gè)串聯(lián)的RLC電路，如圖2所示，電容在低頻段起主導(dǎo)作用，但在自激振蕩頻率（SRF） 之后，電容的阻抗將呈現(xiàn)出電感性。圖3給出了不同容值下的典型S11參數(shù)，從這些曲線可以清楚地看出它們的SRF，還可以看出電容越大，在較低頻率處所提供的去耦性能越好（所呈現(xiàn)的阻抗越低）。

圖2. 電容器的等效電路

圖3. 不同頻率下的電容器阻抗變化

　　在VCC星形拓?fù)涞闹鞴?jié)點(diǎn)處放置一個(gè)大容量的電容器，如2.2μF。該電容具有較低的SRF，對(duì)于消除低頻噪聲、建立穩(wěn)定的直流電壓很有效。IC的每個(gè)電源引腳需要一個(gè)低容量的電容器（如10nF），用來(lái)濾除可能耦合到電源線上的高頻噪聲。

　　良好的電源去耦技術(shù)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腜CB布局、VCC引線（星形拓?fù)洌┫嘟Y(jié)合，能夠?yàn)槿魏蜶F系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。盡管實(shí)際設(shè)計(jì)中還會(huì)存在降低系統(tǒng)性能指標(biāo)的其它因素，但是，擁有一個(gè)“無(wú)噪聲”的電源是優(yōu)化系統(tǒng)性能的基本要素。

二：RF接地和過(guò)孔設(shè)計(jì)的基本原則

　　地層的布局和引線同樣是WLAN電路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它們會(huì)直接影響到電路板的寄生參數(shù)，存在降低系統(tǒng)性能的隱患。RF電路設(shè)計(jì)中沒(méi)有的接地方案，設(shè)計(jì)中可以通過(guò)幾個(gè)途徑達(dá)到滿意的性能指標(biāo)。如上所述，電路板的第二層通常作為地平面，層用于放置元件和RF引線。

　　接地層確定后，將所有的信號(hào)地以短的路徑連接到地層，通常用過(guò)孔將頂層的地線連接到地層，需要注意的是，過(guò)孔呈現(xiàn)為感性。過(guò)孔的物理模型如圖4所示。圖5所示為過(guò)孔的電氣特性模型，其中Lvia為過(guò)孔電感，Cvia為過(guò)孔PCB焊盤的寄生電容。如果采用這里所討論的地線布局技術(shù)，可以忽略寄生電容。還需注意的是，接地焊盤的不良焊接會(huì)引發(fā)同樣的問(wèn)題。除此之外，功率放大器的功耗也需要多個(gè)連接地層的過(guò)孔。

圖4. 過(guò)孔的物理模型

圖5. 過(guò)孔的電氣模型

　　濾除其它電路的噪聲、抑制本地產(chǎn)生的噪聲，從而消除級(jí)與級(jí)之間通過(guò)電源線的交叉干擾，這是VCC去耦帶來(lái)的好處。如果去耦電容使用了同一接地過(guò)孔，由于過(guò)孔與地之間的電感效應(yīng)，這些連接點(diǎn)的過(guò)孔將會(huì)承載來(lái)自兩個(gè)電源的全部RF干擾，不僅喪失了去耦電容的功能，而且還為系統(tǒng)中的級(jí)間噪聲耦合提供了另外一條通路。

　　在本文第三部分的討論中將會(huì)看到，PLL的實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中總是面臨巨大挑戰(zhàn)，要想獲得滿意的雜散特性必須有良好的地線布局。目前，IC設(shè)計(jì)中將所有的PLL和VCO都集成到了芯片內(nèi)部，大多數(shù)PLL都利用數(shù)字電流電荷泵輸出通過(guò)一個(gè)環(huán)路濾波器控制VCO。第三個(gè)電容（對(duì)于三階濾波器）應(yīng)該直接與VCO的地層連接，以避免控制電壓隨數(shù)字電流浮動(dòng)。如果違背這些原則，將會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的雜散成分。

　　圖6所示為PCB布線的一個(gè)范例，在接地焊盤上有許多接地過(guò)孔，允許每個(gè)VCC去耦電容有其獨(dú)立的接地過(guò)孔。方框內(nèi)的電路是PLL環(huán)路濾波器，個(gè)電容直接與GND_CP相連，第二個(gè)電容（與一個(gè)R串聯(lián)）旋轉(zhuǎn)180度，返回到相同的GND_CP，第三個(gè)電容則與GND_VCO相連。這種接地方案可以獲得較高的系統(tǒng)性能。

圖6. MAX2827參考設(shè)計(jì)板上PLL濾波器元件布置和接地示例

三：通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娫磁月泛徒拥貋?lái)抑制PLL雜散信號(hào)

　　滿足802.11a/b/g系統(tǒng)發(fā)送頻譜模板的要求是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)，必須對(duì)線性指標(biāo)和功耗進(jìn)行平衡，并留出一定裕量，確保在維持足夠的發(fā)射功率的前提下符合IEEE和FCC規(guī)范。IEEE 802.11g系統(tǒng)在天線端所要求的典型輸出功率為+15dBm，頻率偏差20MHz時(shí)為-28dBr。

　　然而，并非所有引發(fā)ACPR的問(wèn)題都?xì)w咎于器件的線性特性，一個(gè)很好的例證是：在經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)節(jié)、對(duì)功率放大器和PA驅(qū)動(dòng)器（對(duì)ACPR起主要作用的兩個(gè)因素）進(jìn)行優(yōu)化后，WLAN發(fā)送器的鄰道特性還是無(wú)法達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)。這時(shí)，需要注意來(lái)自發(fā)送器鎖相環(huán)本振（LO）的雜散信號(hào)同樣會(huì)使ACPR性能變差。LO的雜散信號(hào)會(huì)與被調(diào)制的基帶信號(hào)混頻，混頻后的成分將沿著預(yù)期的信號(hào)通道進(jìn)行放大。

圖7. 802.11a/b/g頻譜模板和雜散造成的性能下降

　　上述討論提出了另外一個(gè)問(wèn)題，即如何有效地將PLL雜散成分限制在一定的范圍內(nèi)，使其不對(duì)發(fā)射頻譜產(chǎn)生影響。一旦發(fā)現(xiàn)了雜散成分，首先想到的方案就是將PLL環(huán)路濾波器的帶寬變窄，以便衰減雜散信號(hào)的幅度。這種方法在極少數(shù)的情況下是有效的，但它存在一些潛在問(wèn)題。

　　圖8給出了一種假設(shè)情況，假設(shè)設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)具有20MHz相對(duì)頻率的N分頻合成器，如果環(huán)路濾波器是二階的，截止頻率為200kHz，滾降速率通常為40dB/十倍頻程，在20MHz頻點(diǎn)可以獲得80dB的衰減。壓縮環(huán)路濾波器的帶寬將不會(huì)改善雜散特性，反而提高了PLL鎖相時(shí)間，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的負(fù)面影響。

圖8. 簡(jiǎn)化的PLL濾波器漸近線，相應(yīng)的轉(zhuǎn)角頻率和雜散位置

　　經(jīng)驗(yàn)證明，抑制PLL雜散的有效途徑是合理的接地、電源布局和去耦技術(shù)，本文討論的布線原則是減小PLL雜散分量的良好設(shè)計(jì)開(kāi)端。考慮到電荷泵中存在較大的電流變化，采用星形拓?fù)浞浅１匾Ｈ绻麤](méi)有足夠的隔離，電流脈沖產(chǎn)生的噪聲會(huì)耦合到VCO電源，對(duì)VCO頻率進(jìn)行調(diào)制，通常稱為“VCO牽引”。

　　圖9提供了一個(gè)由于不合理的VCO電源去耦方案所產(chǎn)生的結(jié)果，電源紋波表明正是電荷泵的開(kāi)關(guān)效應(yīng)導(dǎo)致電源線上的強(qiáng)干擾。值得慶幸的是，這種強(qiáng)干擾可以通過(guò)增加旁路電容得到有效抑制。圖10顯示的是在電路改變后，在同一點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果。

圖9. 不合理的VCC_VCO退耦測(cè)試結(jié)果

圖10. 在VCO電源端增加旁路電容后減小了噪聲。

　　另外，如果電源布線不合理，例如VCO的電源引線恰好位于電荷泵電源的下面，可以在VCO電源上觀察到同樣的噪聲，所產(chǎn)生的雜散信號(hào)足以影響到ACPR特性。這種情況下，需要考察一下PCB布線，重新布置VCO的電源引線，將有效改善雜散特性，達(dá)到規(guī)范所要求的指標(biāo)。