混合信号射频PCB设计中接地系统的合理性直接决定了电路性能及其稳定性。本文简要论述射频地(RFGND)、电源地(PGND)与数字地(DGND)的设计准则,归纳总结分层分区、阻抗控制和噪声分割隔离等设计原则,作为硬件工程师的设计参考。
接地类型与功能
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射频地(RFGND)
射频地平面需采用Plane平面层大面积覆铜设计,确保射频信号回流路径阻抗最低,射频电路与射频地平面必须是位置对应的相邻层。10MHz以上的高频信号需采用多点就近接地,缩短回流路径,抑制电磁辐射。其它模拟信号地平面可以与射频共地。
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电源地(PGND)
专用于电源模块的电流回路,特别是DC-DC模块,必须与数字地/射频地隔离,防止开关噪声耦合。射频芯片的供电,须采用LDO避免噪声。大电流高功率电源模块应单独设置地平面,并通过宽短走线或一组多个过孔直接连接至电源地平面,降低回路阻抗。
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数字地(DGND)
覆盖所有数字电路区域(MCU、DDR等),需与模拟/射频地隔离,避免数字信号干扰射频电路及ADC、DAC等敏感电路。数字信号层需与地平面相邻,减少信号回流面积。
地平面分割与隔离规则
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分割原则
不同地平面间需保持≥0.5mm间距,通过开槽或禁布区实现物理隔离,防止串扰。地平面分割时,注意保持20H规则,抑制边缘辐射。20H原则指射频信号层(或电源层)相对地层内缩20倍层间距(H为电源层与地层的间距)。例如,射频层与射频接地层间距0.254mm,内缩距离5.08mm(0.254mm × 20);若电源层与地层间距为0.5mm,则内缩距离为10mm(0.254mm × 20)。
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跨分割隔离连接
低于10MHz低频系统采用单点接地,通过0Ω电阻或磁珠连接不同地平面;10MHz以上的高频信号需采用多点就近接地;高频数模混合信号系统各个地平面需通过磁珠或π型滤波网络跨接,阻隔高频噪声传导。
射频板层叠与电路布局规则
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射频板典型层叠结构
顶层:射频信号层(含射频走线及元件)
第二层:地平面(优先射频地,分割电源地和数字地)
第三层:电源层(分割电源区域)
底层:数字信号层(数字信号走线)。
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电路布局
射频元件中心散热盘区域需设置密集接地过孔,降低接地电感。
电源模块靠近负载放置,输入/输出电容接地引脚直接连接至PGND平面,形成最小电流环路。
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EMC与信号完整性
射频信号走线需与地平面相邻紧耦合。
开关电源布局需识别开通/关断电流环路,通过电容与器件紧凑布局减小回路面积。
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接地与屏蔽过孔设计
射频器件及滤波电容接地采用多过孔并联(孔径≥0.3mm),降低接地阻抗。
射频走线和高速数字信号线两侧尽量布置屏蔽孔接地过孔阵列,提供屏蔽回流路径。屏蔽孔与射频走线间距不小于两倍线宽;屏蔽孔间距需大于板厚三倍,以减少耦合干扰;两排屏蔽过孔间距应小于信号频率对应波长λ的1/20。
当信号过孔换层时,在信号过孔周围需布置接地屏蔽孔,有效抑制振铃现象。在板边5mm区域内布置密集地过孔缝合孔阵列(间距应小于信号频率对应波长λ的1/20),作为电磁屏蔽墙。
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电源完整性
保证电源分配低阻抗,电源连接处设置π型滤波网络(电容+磁珠),隔离电源噪声。
芯片电源引脚0.5mm范围内就近布置0.1μF + 10μF退耦电容,分别滤除高频/低频噪声。射频芯片电源通常串联磁珠并搭配射频专用退耦电容(如NP0材质)。
总结
通过分层和隔离分割实施射频地、电源地和数字地的差异化统一设计,建立科学的地平面规则,可有效提升混合信号系统的可靠性、一致性和EMC性能,降低数字信号误码率,有效降低射频通道噪声,具有显著的工程应用参考价值。