高頻電子線路學習

我的高頻電路1——學習感想——孤獨情圣對于電設的高頻的方向，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校怎么卻很少人在國賽拿獎，而它又幾乎是通信專業(yè)學生專利，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，但很能和學生打成一片的。更重要的是他讓我的認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。”它需要一個極具經驗和極富與眾不同眼光的人來主宰。對于學校的教程，是一本最多人厭惡的《電子線路（非線性部分）》。可以說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，兩個字——抽象。對于想學好高頻的人來說，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。如果說學低頻的人是牛頓，那學高頻的人就應該是愛因斯坦。怎么說呢，常規(guī)的電子線路就像經典力學一樣，電壓就是電壓，電流就是電流，它建立在一套經典電路分析理論的基礎之上，而且這套理論與我們日常的宏觀實際非常接近，在學電路的學生來說幾乎是根深蒂固。回頭看高頻，電壓，電流已經不是簡單的傳輸，而是通過“趨膚效應”緊貼導線的外表面?zhèn)鲗?。這就意味著最最本質的東西發(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，任何一條導線在做高頻的人眼里都是一根電感，任何的并排導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)量級已經到了可以改變電路的性質，甚至改變電路最本質的特性。這就是為什么同一張原理圖不同的人刷出來結果完全不一樣，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果，只能預測。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線圖了，而是一張布滿電容電感的抽象網絡，而且這個網絡具有不可預知性。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。他的理論建立在經典理論之上，卻又于經典理論格格不入。所以想學好高頻，首先要建立在雄厚的基礎之上，還要有全新的理念和眼光。沒有用全新的理念學相對論，即使他整本書看熟了，公式都記住了，我我還是要說他沒學會，因為他沒有認識到本質的東西。對于高頻，如果沒有全新的視角，那就只能說明：同學，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，對所有學通信的人都是再熟悉不過了，打從大二初就開始學三級管和場效應管等，把直流電源轉化為交流信號的功放器件。而射頻功放，關鍵在于射，要對外輻射結合效率和頻段占據(jù)，就必須工作在高頻波段，這就需要對放大器的認識進入一個全新的階段。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一個章節(jié)滴，下面談談個人的看法吧…首先要明白上學期學了整整一本書，到底在學什么…否則就該反省一下一個學期都學到什么了。可以說上學期的電子線路（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)定增益的負反饋網絡，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。那用什么辦法進一步放大信號，以滿足日常生活的需要。經過有才的前人們日夜不停地探索與研究，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。但如何進一步提高功率管效率及信號放大能力呢，經過有才人地不懈努力，最最經典的諧振功率放大器應運而生。已經學完了諧振放大器，我不知道多數(shù)人是什么感覺，個人感覺就是兩個字——經典，而且經典到了極限。不是說推導的那些公式很經典，而是傳達的哲學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。已經學完諧振功放了，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。但當你真正認識它的時候，或者你接觸到它的本質的時候，你會發(fā)現(xiàn)，其實這本教材編的相當經典。我也看過一些其他版本的教材，蘊含的哲學思想都沒它精彩。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。通過諧振匹配網絡，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，經放大器作用后產生非線性失真，自然也能通過諧振網絡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制解調的實現(xiàn)打下伏筆?？梢哉f第二章的諧振功率放大器只是基礎，但它的破蛋而出，可以說為整個高頻電子線路奠定了基礎?；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，大家在書中也學到了諧振網絡的兩大作用，一是阻抗匹配，二是濾波選頻。也就是你設計的一個諧振網絡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，比如說設計好了阻抗匹配網絡能否剛好有同時滿足諧振頻率呢，如果你不去試下，永遠會覺得這巧合得就像是個傳說。但細算之下你會發(fā)現(xiàn)，其實阻抗匹配和濾波選頻并不矛盾。因為你設計諧振網絡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。也就是設計好的諧振網絡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，其實認識諧振的本質，對高頻學習來說只是個起點，但如果你對它一無所知，那就說明你學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，隔離寬度等版圖結構息息相關。因此對于高頻電路板的設計于一般的電路板設計截然不同。對于一般的電路圖設計，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計，它需要獨特視角和極具經驗的人來完成。且時刻把握以下三大原則：1布局的設計先采用手工布局的方法優(yōu)化調整部分元器件的位置,再結合自動布局完成PCB的整體設計。布局的合理與否直接影響到產品的壽命、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、機械結構、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與機械尺寸有關的定位插件的放置電源插座、開關、PCB之間的接口、指示燈等都是與機械尺寸有關的定位插件。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)光二極管應根據(jù)需要準確地放置;開關和一些微調元器件，如可調電感、可調電阻等應放置在靠近PCB邊緣的位置，以便于調整和連接;需要經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)下工作時產生的熱量較多，所以在布局時應充分考慮通風和散熱,將這類元器件放置在PCB上空氣容易流通的地方。大功率整流管和調整管等應裝有散熱器，并要遠離變壓器。電解電容器之類怕熱的元件也應遠離發(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。對經常需要測量的測試點，在布置元器件時應注意保證測試棒能夠方便地接觸。由于電源設備內部會產生50Hz泄漏磁場，當它與低頻放大器的某些部分交連時，會對低頻放大器產生干擾。因此，必須將它們隔離開或者進行屏蔽處理。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。輸入級與輸出級應當盡可能地遠離，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系，還應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,在其周圍應有適當大的空間或進行磁屏蔽，以減小對其他電路的影響。在PCB的關鍵部位要配置適當?shù)母哳l退耦電容，如在PCB電源的輸入端應接一個10pF?100pF的電解電容，在集成電路的電源引腳附近都應接一個0.01pF左右的瓷片電容。有些電路還要配置適當?shù)母哳l或低頻扼流圈，以減小高低頻電路之間的影響。這一點在原理圖設計和繪制時就應給予考慮，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，其間距應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，布置時應注意元器件電參數(shù)的對稱性和結構的對稱性，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布線的設計布線是在合理布局的基礎上實現(xiàn)高頻PCB設計的總體要求。布線包括自動布線和手動布線兩種方式。通常，無論關鍵信號線的數(shù)量有多少，首先對這些信號線進行手動布線，布線完成后對這些信號線布線進行仔細檢查，檢查通過后將其固定，再對其他布線進行自動布線。即采用手動和自動布線相結合來完成PCB的布線。在高頻PCB的布線過程中應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。同一層面上應該避免平行走線，否則會引入分布參數(shù)，對電路產生影響。若無法避免時可在兩平行線之間引入一條接地的銅箔,構成隔離線。在數(shù)字電路中，對于差分信號線,應成對地走線，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線與絕緣層基板之間的粘附強度以及流過導線的電流強度所決定。當銅箔的厚度為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。在高速開關電路中，導線的間距將影響信號的傳輸時間及波形的質量。因此，布線的最小間距應大于或等于0.5mm,只要允許,PCB布線最好采用比較寬的線。印制導線與PCB的邊緣應留有一定的距離（不小于板厚），這樣不僅便于安裝和進行機械加工，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，如果電路很復雜，為了簡化設計,也允許用導線跨接解決交叉問題。當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到3倍于工作電流的標準。揚聲器的接地線應接在PCB功放輸出級的接地點，切勿任意接地。在布線過程中還應該及時地將一些合理的布線鎖定,以免多次重復布線。即執(zhí)行EditselectNet命令在預布線的屬性中選中Locked就可以將其鎖定不再移動。3焊盤及敷銅的設計3.1焊盤與孔徑在保證布線最小間距不違反設計的電氣間距的情況下，焊盤的設計應較大，以保證足夠的環(huán)寬。一般焊盤的內孔要比元器件的引線直徑稍微大一點，設計過大,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平滑過渡，即當布線進入圓焊盤的寬度較圓焊盤的直徑小時,應采用補淚滴設計。需要注意的是，焊盤內孔徑d