高頻電子線路學(xué)習(xí)

我的高頻電路1——學(xué)習(xí)感想——孤獨情圣對于電設(shè)的高頻的方向，一再的被稱為傳說。它最神奇的地方就在于極具挑戰(zhàn)性。羅老師說過，做高頻只要你做出來就一定能拿獎。可是向我們福大這種學(xué)校怎么卻很少人在國賽拿獎，而它又幾乎是通信專業(yè)學(xué)生專利，因為是專業(yè)所需。一直期盼羅國新，但最終選的是邵雄老師的課。邵雄無疑是個非常棒的老師，帶點幽默感，但很能和學(xué)生打成一片的。更重要的是他讓我的認(rèn)識到了自己原來高頻還處于懵懂狀態(tài)。本來花了一個寒假學(xué)完了基本厚厚的大書，知道今天上完課才知道原來一切都只是一個開始。對于高頻，只能用一句話來形容“紙上得來終覺淺?！彼枰粋€極具經(jīng)驗和極富與眾不同眼光的人來主宰。對于學(xué)校的教程，是一本最多人厭惡的《電子線路（非線性部分）》?？梢哉f多說人提到這本書腦子里都會浮現(xiàn)出兩個字“掛了”。就上學(xué)期的電子線路線性部分（低頻）課程，有一半的人吐了吧，現(xiàn)在學(xué)的就是傳說中的非線性部門，那對多數(shù)人來說幾乎就是一門哲學(xué)，兩個字——抽象。對于想學(xué)好高頻的人來說，我想說你不能僅僅只是會看書，就因為抽象，更要要帶著全新的視角看書，否則只會是一塌糊涂，越看越迷糊。如果說學(xué)低頻的人是牛頓，那學(xué)高頻的人就應(yīng)該是愛因斯坦。怎么說呢，常規(guī)的電子線路就像經(jīng)典力學(xué)一樣，電壓就是電壓，電流就是電流，它建立在一套經(jīng)典電路分析理論的基礎(chǔ)之上，而且這套理論與我們?nèi)粘５暮暧^實際非常接近，在學(xué)電路的學(xué)生來說幾乎是根深蒂固?；仡^看高頻，電壓，電流已經(jīng)不是簡單的傳輸，而是通過“趨膚效應(yīng)”緊貼導(dǎo)線的外表面?zhèn)鲗?dǎo)。這就意味著最最本質(zhì)的東西發(fā)生了改變，一切的一切也就隨之發(fā)生了天翻地覆的巨變。所以要時刻以不同的眼觀看待高頻電路，任何一條導(dǎo)線在做高頻的人眼里都是一根電感，任何的并排導(dǎo)線在做高頻的人眼里都是一個電容，而且分布參數(shù)的數(shù)量級已經(jīng)到了可以改變電路的性質(zhì)，甚至改變電路最本質(zhì)的特性。這就是為什么同一張原理圖不同的人刷出來結(jié)果完全不一樣，甚至同一個人前后兩次刷出來的電路板性質(zhì)差別巨大。對于低頻來說，電路的各種參數(shù)及特性都是固定的，而且具備一套十分完備的理論體系，就像古典概型一樣，通過計算可以得到任何的電路特性，而且結(jié)果唯一。對于高頻來說，各種寄生參量對電路的影響極大，而且這些參量的出現(xiàn)不論從時間還是數(shù)值上都只無規(guī)律的，就像離散型隨機變量。在低頻里被忽略的種種到了高頻里都是你的參數(shù)。因為無規(guī)律，所以不能計算，也就很難得知確切結(jié)果，只能預(yù)測。這就是為什么按著明明按著電路圖印制出來的板卻不能用。因為對于高頻的高手來說，沒有兩個電路是一樣的，就算僅是導(dǎo)線的長短不同，他就會稱它是兩個圖。因為在他眼里電路圖簡單的器件導(dǎo)線圖了，而是一張布滿電容電感的抽象網(wǎng)絡(luò)，而且這個網(wǎng)絡(luò)具有不可預(yù)知性。就像一把5厘米的尺子到了愛因斯坦手里就會變短，同樣的鐘表到了他眼里就會延時。他的理論建立在經(jīng)典理論之上，卻又于經(jīng)典理論格格不入。所以想學(xué)好高頻，首先要建立在雄厚的基礎(chǔ)之上，還要有全新的理念和眼光。沒有用全新的理念學(xué)相對論，即使他整本書看熟了，公式都記住了，我我還是要說他沒學(xué)會，因為他沒有認(rèn)識到本質(zhì)的東西。對于高頻，如果沒有全新的視角，那就只能說明：同學(xué)，你還沒起步呢。我的高頻電路2——射頻功放——獨孤情圣功率放大器，對所有學(xué)通信的人都是再熟悉不過了，打從大二初就開始學(xué)三級管和場效應(yīng)管等，把直流電源轉(zhuǎn)化為交流信號的功放器件。而射頻功放，關(guān)鍵在于射，要對外輻射結(jié)合效率和頻段占據(jù)，就必須工作在高頻波段，這就需要對放大器的認(rèn)識進(jìn)入一個全新的階段。本教材花費了一章的篇幅來解釋諧振，那試問你是怎么理解諧振功率放大器的呢？相信多數(shù)人學(xué)完第二章，只是知道有諧振這么一回事，多了一章考試范圍…我想說你太不相信專家的能力了，他不會無緣無故安排你多學(xué)一個章節(jié)滴，下面談?wù)剛€人的看法吧…首先要明白上學(xué)期學(xué)了整整一本書，到底在學(xué)什么…否則就該反省一下一個學(xué)期都學(xué)到什么了。可以說上學(xué)期的電子線路（線性部分）就圍繞著低頻小信號的功率放大，圍繞著小功率器件的各種特性展開。全書從交直流等效回路講到穩(wěn)定增益的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，從簡單功放到級聯(lián)功放。從各種等效模型到具體電路的實現(xiàn)。無非就是圍繞低頻小信號的放大，為你解釋功率器件的各種特性。但是線性功放有兩個致命前提，一是低頻，二是小信號。因為低頻，可以忽略結(jié)電容引起的非線性失真，因為小信號，忽略泰勒級數(shù)中的二次方級以上各非線性項，使放大器工作在較為理想的線性轉(zhuǎn)移特性區(qū)域。是它們方便了我們線性的放大信號，但也是它們嚴(yán)重的限制了使用范圍。一般的信號放大到幾百豪幅就會出現(xiàn)明顯的波形失真這就是為什么編輯教材的專家要我們研究放大器的非線性部分。在一般放大器已經(jīng)工作到了極限狀態(tài)下，這時即使再多加幾級的功放，也不能完成信號的放大。那用什么辦法進(jìn)一步放大信號，以滿足日常生活的需要。經(jīng)過有才的前人們?nèi)找共煌５靥剿髋c研究，最早用的是甲類功放，不知哪個有才的發(fā)明了合成的乙類功放，不僅是效率提高了不少，更使得放大器的最大放大倍數(shù)整整提高了一倍。而乙類功放之所能工作，是因為正負(fù)周期剛好都是半周期余弦波，能在輸出端合成完整的波形。但如何進(jìn)一步提高功率管效率及信號放大能力呢，經(jīng)過有才人地不懈努力，最最經(jīng)典的諧振功率放大器應(yīng)運而生。已經(jīng)學(xué)完了諧振放大器，我不知道多數(shù)人是什么感覺，個人感覺就是兩個字——經(jīng)典，而且經(jīng)典到了極限。不是說推導(dǎo)的那些公式很經(jīng)典，而是傳達(dá)的哲學(xué)思想愿超越我的想象。孫子云“投之亡地然后存，限之死地而后生?！奔热痪€性功放已經(jīng)工作到極限狀態(tài)了，那就索性讓它失真。在允許失真的前提下就很容易成千上萬倍的放大信號，最后再從失真的放大信號中取出不失真的頻率分量，完成大信號的放大，這就是諧振。已經(jīng)學(xué)完諧振功放了，我不知道大家是什么感覺，可能自己看沒感覺，但我想說第一個想到它的人真TM有才，它蘊含的哲學(xué)思想讓人贊不絕口而又回味無窮。要大家去看高頻的教材，對很多人來說想必是很痛苦的。但當(dāng)你真正認(rèn)識它的時候，或者你接觸到它的本質(zhì)的時候，你會發(fā)現(xiàn)，其實這本教材編的相當(dāng)經(jīng)典。我也看過一些其他版本的教材，蘊含的哲學(xué)思想都沒它精彩。所以用這套教材是我們的幸運，愿你喜歡上它，喜歡上高頻。有了諧振，射頻也就不是難事了。通過諧振匹配網(wǎng)絡(luò)，既可以實現(xiàn)阻抗匹配，又可以從大的失真信號中取出不是真的頻率分量。同理，對于高頻射頻信號，經(jīng)放大器作用后產(chǎn)生非線性失真，自然也能通過諧振網(wǎng)絡(luò)的濾波選頻作用取出不是真的頻率分量，從而完成射頻信號的放大。從此為信號的無線傳輸級各種調(diào)制解調(diào)的實現(xiàn)打下伏筆。可以說第二章的諧振功率放大器只是基礎(chǔ)，但它的破蛋而出，可以說為整個高頻電子線路奠定了基礎(chǔ)?；谥C振，很多原本傳說中的各種理想電路變成了現(xiàn)實。解釋一下，大家在書中也學(xué)到了諧振網(wǎng)絡(luò)的兩大作用，一是阻抗匹配，二是濾波選頻。也就是你設(shè)計的一個諧振網(wǎng)絡(luò)必須同時具備匹配在放大器的最佳輸出阻抗和諧振在所需的工作頻率w上。看似很難，比如說設(shè)計好了阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)能否剛好有同時滿足諧振頻率呢，如果你不去試下，永遠(yuǎn)會覺得這巧合得就像是個傳說。但細(xì)算之下你會發(fā)現(xiàn)，其實阻抗匹配和濾波選頻并不矛盾。因為你設(shè)計諧振網(wǎng)絡(luò)的步驟是先把所有電抗原件作為電阻，匹配好輸入輸出阻抗。而后再根據(jù)阻抗值和工作頻率w計算所需的電感電容值，因此諧振頻率也一定是w。兩者不僅不矛盾，而且相輔相成。也就是設(shè)計好的諧振網(wǎng)絡(luò)在滿足阻抗匹配的前提下計算出來的電容電感值一定滿足濾波選頻，不信你自己試下。其實說了這么多，就是想解釋一下諧振的由來和本質(zhì)，其實認(rèn)識諧振的本質(zhì)，對高頻學(xué)習(xí)來說只是個起點，但如果你對它一無所知，那就說明你學(xué)高頻連門都沒有入呢，喪需努力。不過沒事，更多的精彩，日后我們一起探索……我的高頻電路3——PCB設(shè)計

獨孤情圣對于高頻電路圖，尤其的GHz以上的超高頻電路圖，已經(jīng)不能用傳統(tǒng)的電路分析方法解讀它，因為它的各種參數(shù)與原件的相對位置，引腳長度，引線寬度，隔離寬度等版圖結(jié)構(gòu)息息相關(guān)。因此對于高頻電路板的設(shè)計于一般的電路板設(shè)計截然不同。對于一般的電路圖設(shè)計，不論是用multisim還是protel，都是先在電路圖上擺放原件，連接引線，然后自動生成PCB版圖。最后打開版圖對不合理的地方手動修改。而對于高頻電路板的設(shè)計，它需要獨特視角和極具經(jīng)驗的人來完成。且時刻把握以下三大原則：1布局的設(shè)計先采用手工布局的方法優(yōu)化調(diào)整部分元器件的位置,再結(jié)合自動布局完成PCB的整體設(shè)計。布局的合理與否直接影響到產(chǎn)品的壽命、穩(wěn)定性、EMC（電磁兼容）等，必須從電路板的整體布局、布線的可通性和PCB的可制造性、機械結(jié)構(gòu)、散熱、EMI（電磁干擾）、可靠性、信號的完整性等方面綜合考慮。一般先放置與機械尺寸有關(guān)的固定位置的元器件，再放置特殊的和較大的元器件,最后放置小元器件。同時，要兼顧布線方面的要求，高頻元器件的放置要盡量緊湊,信號線的布線才能盡可能短，從而降低信號線的交叉干擾等。1.1與機械尺寸有關(guān)的定位插件的放置電源插座、開關(guān)、PCB之間的接口、指示燈等都是與機械尺寸有關(guān)的定位插件。通常，電源與PCB之間的接口放到PCB的邊緣處，并與PCB邊緣要有3mm?5mm的間距;指示發(fā)光二極管應(yīng)根據(jù)需要準(zhǔn)確地放置;開關(guān)和一些微調(diào)元器件，如可調(diào)電感、可調(diào)電阻等應(yīng)放置在靠近PCB邊緣的位置，以便于調(diào)整和連接;需要經(jīng)常更換的元器件必須放置在器件比較少的位置,以易于更換。1.2特殊元器件的放置大功率管、變壓器、整流管等發(fā)熱器件，在高頻狀態(tài)下工作時產(chǎn)生的熱量較多，所以在布局時應(yīng)充分考慮通風(fēng)和散熱,將這類元器件放置在PCB上空氣容易流通的地方。大功率整流管和調(diào)整管等應(yīng)裝有散熱器，并要遠(yuǎn)離變壓器。電解電容器之類怕熱的元件也應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱器件,否則電解液會被烤干，造成其電阻增大，性能變差,影響電路的穩(wěn)定性。易發(fā)生故障的元器件，如調(diào)整管、電解電容器、繼電器等，在放置時還要考慮到維修方便。對經(jīng)常需要測量的測試點，在布置元器件時應(yīng)注意保證測試棒能夠方便地接觸。由于電源設(shè)備內(nèi)部會產(chǎn)生50Hz泄漏磁場，當(dāng)它與低頻放大器的某些部分交連時，會對低頻放大器產(chǎn)生干擾。因此，必須將它們隔離開或者進(jìn)行屏蔽處理。放大器各級最好能按原理圖排成直線形式，如此排法的優(yōu)點是各級的接地電流就在

本級閉合流動，不影響其他電路的工作。輸入級與輸出級應(yīng)當(dāng)盡可能地遠(yuǎn)離，減小它們之間的寄生耦合干擾?？紤]各個單元功能電路之間的信號傳遞關(guān)系，還應(yīng)將低頻電路和高頻電路分開，模擬電路和數(shù)字電路分開。集成電路應(yīng)放置在PCB的中央，這樣方便各引腳與其他器件的布線連接。電感器、變壓器等器件具有磁耦合，彼此之間應(yīng)采用正交放置，以減小磁耦合。另外，它們都有較強的磁場,在其周圍應(yīng)有適當(dāng)大的空間或進(jìn)行磁屏蔽，以減小對其他電路的影響。在PCB的關(guān)鍵部位要配置適當(dāng)?shù)母哳l退耦電容，如在PCB電源的輸入端應(yīng)接一個10pF?100pF的電解電容，在集成電路的電源引腳附近都應(yīng)接一個0.01pF左右的瓷片電容。有些電路還要配置適當(dāng)?shù)母哳l或低頻扼流圈，以減小高低頻電路之間的影響。這一點在原理圖設(shè)計和繪制時就應(yīng)給予考慮，否則也將會影響電路的工作性能。元器件排列時的間距要適當(dāng)，其間距應(yīng)考慮到它們之間有無可能被擊穿或打火。含推挽電路、橋式電路的放大器，布置時應(yīng)注意元器件電參數(shù)的對稱性和結(jié)構(gòu)的對稱性，使對稱元器件的分布參數(shù)盡可能一致。在對主要元器件完成手動布局后，應(yīng)采用元器件鎖定的方法，使這些元器件不會在自動布局時移動。即執(zhí)行Editchange命令或在元器件的Properties選中Locked就可以將其鎖定不再移動。1.3普通元器件的放置對于普通的元器件，如電阻、電容等，應(yīng)從元器件的排列整齊、占用空間大小、布線的可通性和焊接的方便性等幾個方面考慮，可采用自動布局的方式。2布線的設(shè)計布線是在合理布局的基礎(chǔ)上實現(xiàn)高頻PCB設(shè)計的總體要求。布線包括自動布線和手動布線兩種方式。通常，無論關(guān)鍵信號線的數(shù)量有多少，首先對這些信號線進(jìn)行手動布線，布線完成后對這些信號線布線進(jìn)行仔細(xì)檢查，檢查通過后將其固定，再對其他布線進(jìn)行自動布線。即采用手動和自動布線相結(jié)合來完成PCB的布線。在高頻PCB的布線過程中應(yīng)特別注意以下幾個方面問題。2.1布線的走向電路的布線最好按照信號的流向采用全直線，需要轉(zhuǎn)折時可用45。折線或圓弧曲線來完成，這樣可以減少高頻信號對外的發(fā)射和相互間的耦合。高頻信號線的布線應(yīng)盡可能短。要根據(jù)電路的工作頻率，合理地選擇信號線布線的長度，這樣

可以減少分布參數(shù)，降低信號的損耗。制作雙面板時,在相鄰的兩個層面上布線最好相互垂直、斜交或彎曲相交。避免相互平行，這樣可以減少相互干擾和寄生耦高頻信號線與低頻信號線要盡可能分開，必要時采取屏蔽措施,防止相互間干擾。對于接收比較弱的信號輸入端，容易受到外界信號的干擾，可以利用地線做屏蔽將其包圍起來或做好高頻接插件的屏蔽。同一層面上應(yīng)該避免平行走線，否則會引入分布參數(shù)，對電路產(chǎn)生影響。若無法避免時可在兩平行線之間引入一條接地的銅箔,構(gòu)成隔離線。在數(shù)字電路中，對于差分信號線,應(yīng)成對地走線，盡量使它們平行、靠近一些，并且長短相差不大。2.2布線的形式在PCB的布線過程中，走線的最小寬度由導(dǎo)線與絕緣層基板之間的粘附強度以及流過導(dǎo)線的電流強度所決定。當(dāng)銅箔的厚度為0.05mm、寬度為1mm?1.5mm時，可以通過2A電流。溫度不會高于3°C,除一些比較特殊的走線外,同一層面上的其他布線寬度應(yīng)盡可能一致。在高頻電路中布線的間距將影響分布電容和電感的大小,從而影響信號的損耗、電路的穩(wěn)定性以及引起信號的干擾等。在高速開關(guān)電路中，導(dǎo)線的間距將影響信號的傳輸時間及波形的質(zhì)量。因此，布線的最小間距應(yīng)大于或等于0.5mm,只要允許,PCB布線最好采用比較寬的線。印制導(dǎo)線與PCB的邊緣應(yīng)留有一定的距離（不小于板厚），這樣不僅便于安裝和進(jìn)行機械加工，而且還提高了絕緣性能。布線中遇到只有繞大圈才能連接的線路時，要利用飛線，即直接用短線連接來減少長距離走線帶來的干擾。含有磁敏元件的電路其對周圍磁場比較敏感，而高頻電路工作時布線的拐彎處容易輻射電磁波，如果PCB中放置了磁敏元件，則應(yīng)保證布線拐角與其有一定的距離。同一層面上的布線不允許有交叉。對于可能交叉的線條，可用“鉆”與“繞”的辦法解決，即讓某引線從其他的電阻、電容、三極管等器件引腳下的空隙處“鉆”過去,或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去。在特殊情況下，如果電路很復(fù)雜，為了簡化設(shè)計,也允許用導(dǎo)線跨接解決交叉問題。當(dāng)高頻電路工作頻率較高時，還需要考慮布線的阻抗匹配及天線效應(yīng)問題。2.3電源線與地線的布線要求根據(jù)不同工作電流的大小，盡量加大電源線的寬度。高頻PCB應(yīng)盡量采用大面積地線并布局在PCB的邊緣，可以減少外界信號對電路的干擾;同時,可以使PCB的接地線與殼體很好地接觸，使PCB的接地電壓更加接近于大地電壓。應(yīng)根據(jù)具體情況選擇接地方式，與低頻電路有所不同，高頻電路的接地線應(yīng)該采用就

近接地或多點接地的方式,接地線短而粗，以盡量減少地阻抗，其允許電流要求能夠達(dá)到3倍于工作電流的標(biāo)準(zhǔn)。揚聲器的接地線應(yīng)接在PCB功放輸出級的接地點，切勿任意接地。在布線過程中還應(yīng)該及時地將一些合理的布線鎖定,以免多次重復(fù)布線。即執(zhí)行EditselectNet命令在預(yù)布線的屬性中選中Locked就可以將其鎖定不再移動。3焊盤及敷銅的設(shè)計3.1焊盤與孔徑在保證布線最小間距不違反設(shè)計的電氣間距的情況下，焊盤的設(shè)計應(yīng)較大，以保證足夠的環(huán)寬。一般焊盤的內(nèi)孔要比元器件的引線直徑稍微大一點，設(shè)計過大,容易在焊接中形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2)mm,其中d為焊盤內(nèi)孔徑，對于一些密度比較大的PCB，焊盤的最小值可以取(d+1.0)mm。焊盤的形狀通常設(shè)置為圓形，但是對于DIP封裝的集成電路的焊盤最好采用跑道形，這樣可以在有限的空間內(nèi)增大焊盤的面積，有利于集成電路的焊接。布線與焊盤的連接應(yīng)平滑過渡，即當(dāng)布線進(jìn)入圓焊盤的寬度較圓焊盤的直徑小時,應(yīng)采用補淚滴設(shè)計。需要注意的是，焊盤內(nèi)孔徑d