WiFi收发器的电源和接地设计

接地层确定后，将所有的信号地以最短的路径连接到地层，通常用过孔将顶层的地线连接到地层，需要注意的是，过孔呈现为感性。过孔的物理模型如图4所示。图5所示为过孔精确的电气特性模型，其中Lvia为过孔电感，Cvia为过孔PCB焊盘的寄生电容。如果采用这里所讨论的地线布局技术，可以忽略寄生电容。一个1.6mm深、孔径为0.2mm的过孔具有大约0.75nH的电感，在2.5GHz/5.0GHz WLAN波段的等效电抗大约为12Ω/24Ω。因此，一个接地过孔并不能够为RF信号提供真正的接地，对于高品质的电路板设计，应该在RF电路部分提供尽可能多的接地过孔，特别是对于通用的IC封装中的裸露接地焊盘。不良的接地还会在接收前端或功率放大器部分产生辐射，降低增益和噪声系数指标。还需注意的是，接地焊盘的不良焊接会引发同样的问题。除此之外，功率放大器的功耗也需要多个连接地层的过孔。

图4. 过孔的物理模型

图5. 过孔的电气模型

滤除其它电路的噪声、抑制本地产生的噪声，从而消除级与级之间通过电源线的交叉干扰，这是VCC去耦带来的好处。如果去耦电容使用了同一接地过孔，由于过孔与地之间的电感效应，这些连接点的过孔将会承载来自两个电源的全部RF干扰，不仅丧失了去耦电容的功能，而且还为系统中的级间噪声耦合提供了另外一条通路。

在本文第三部分的讨论中将会看到，PLL的实现在系统设计中总是面临巨大挑战，要想获得满意的杂散特性必须有良好的地线布局。目前，IC设计中将所有的PLL和VCO都集成到了芯片内部，大多数PLL都利用数字电流电荷泵输出通过一个环路滤波器控制VCO。通常，需要用二阶或三阶的RC环路滤波器滤除电荷泵的数字脉冲电流，得到模拟控制电压。靠近电荷泵输出的两个电容必须直接与电荷泵电路的地连接。这样，可以隔离地回路的脉冲电流通路，尽量减小LO中相应的杂散频率。第三个电容(对于三阶滤波器)应该直接与VCO的地层连接，以避免控制电压随数字电流浮动。如果违背这些原则，将会导致相当大的杂散成分。

图6所示为PCB布线的一个范例，在接地焊盘上有许多接地过孔，允许每个VCC去耦电容有其独立的接地过孔。方框内的电路是PLL环路滤波器，第一个电容直接与GND_CP相连，第二个电容(与一个R串联)旋转180度，返回到相同的GND_CP，第三个电容则与GND_VCO相连。这种接地方案可以获得较高的系统性能。

图6. MAX2827参考设计板上PLL滤波器元件布置和接地示例

三、通过适当的电源旁路和接地来抑制PLL杂散信号

满足802.11a/b/g系统发送频谱模板的要求是设计过程中的一个难点，必须对线性指标和功耗进行平衡，并留出一定裕量，确保在维持足够的发射功率的前提下符合IEEE和FCC规范。IEEE 802.11g系统在天线端所要求的典型输出功率为+15dBm，频率偏差20MHz时为-28dBr。频带内相邻信道的功率抑制比(ACPR)是器件线性特性的函数，这在一定前提下、对于特定的应用是正确的。在发送通道优化ACPR特性的大量工作是凭借经验对Tx IC和PA的偏置进行调节，并对PA的输入级、输出级和中间级的匹配网络进行调谐实现的。

然而，并非所有引发ACPR的问题都归咎于器件的线性特性，一个很好的例证是：在经过一系列的调节、对功率放大器和PA驱动器(对ACPR起主要作用的两个因素)进行优化后，WLAN发送器的邻道特性还是无法达到预期的指标。这时，需要注意来自发送器锁相环(PLL)本振(LO)的杂散信号同样会使ACPR性能变差。LO的杂散信号会与被调制的基带信号混频，混频后的成分将沿着预期的信号通道进行放大(参见图7)。这一混频效应只有在PLL杂散成分高于一定门限时才会产生问题，低于一定门限时，ACPR将主要受PA非线性的制约。当Tx输出功率和频谱模板特性是"线性受限"时，我们需要对线性指标和输出功率进行平衡；如果LO杂散特性成为制约ACPR性能的主要因素时，我们所面临的将是"杂散受限"，需要在指定的POUT下将PA偏置在更高的工作点，减弱它对ACPR的影响,这将消耗更大的电流，限制设计的灵活性。

图7. 802.11a/b/g频谱模板和杂散造成的性能下降

上述讨论提出了另外一个问题，即如何有效地将PLL杂散成分限制在一定的范围内，使其不对发射频谱产生影响。一旦发现了杂散成分，首先想到的方案就是将PLL环路滤波器的带宽变窄，以便衰减杂散信号的幅度。这种方法在极少数的情况下是有效的，但它存在一些潜在问题。

图8给出了一种假设情况，假设设计中采用了一个具有20MHz相对频率的N分频合成器，如果环路滤波器是二阶的，截止频率为200kHz，滚降速率通常为40dB/十倍频程，在20MHz频点可以获得80dB的衰减。如果参考杂