MAX2235的电路板布局优化技术

摘要：MAX2235是三级功率放大器，工作范围为800MHz至1000MHz，能够为GSM和ISM设备提供高达30dBm的输出功率。但是，实际设计中要想获得最佳性能并不容易，前提是必须保证良好的PCB布局。本文提供了经过验证的电路板布局的相关实践经验，有助于用户理解功率放大器特性以及所述方法的基本原理。

概述

MAX2235是一款三级功率放大器，工作范围为800MHz至1GHz，能够为GSM和ISM设备提供高达30dBm的输出功率。但是，实际应用中要想获得最佳性能并不容易，前提是必须保证良好的PCB布局。否则，不合理的电路板布局将无法优化系统性能。

本文提供了经过验证的电路板布局，有助于用户理解功率放大器的特性以及所述方法的基本原理。作为一种新型布局指南，本文有助于MAX2235的设计人员避免一些常见错误，从而在设计中获得最佳性能。

电源旁路和级间匹配

该器件使用过程中必须考虑级间匹配问题，这也是最重要的因素之一。由于放大器由三个相互独立的放大级组成，每级的阻抗特性略有不同，因此，三级彼此之间必须相互匹配，提供最大的功率传输。

MAX2235的V_CC引脚3、5、8和9并非单纯的需要旁路的电源引脚。集总元件电容(和寄生电容)会与器件内部电路相互作用，影响级间匹配。因此，设计人员可以针对特定应用定制匹配电路。

为了充分利用设计的灵活性，V_CC过孔和器件引脚之间有电容，旁路电容的位置可以沿着V_CC引线稍做调整。级间电容和IC引脚之间的最佳引线长度需要凭借经验确定，通过改变V_CC引线上的电容获得所要求的工作频率(参见图1)。通常在这些位置均采用高Q值电容达到最佳匹配，尺寸大小为0402的元件易于物力调节(相反，尺寸大小为0603的元件几乎没有调节余地，尺寸大小为0201的元件更难控制)。本设计应用中选则了Murata GJM1555系列元件(以前选用的是GJ615)，能获得较好的性能。该系列元件在900MHz下Q值大于100。


图1. 沿着V_CC走线调节旁路电容位置

假定功率放大器的电源引脚为级间匹配，引线之间的相互隔离非常重要(注意：这里的“隔离”指单纯的RF隔离。当然，线路采用直流耦合)。如果电源引脚不作为级间匹配，可能有一部分RF能量从一级耦合到另一级，这对系统性能非常不利。采用“星形拓扑”是一种有效隔离各级电源噪声的方法。这种结构由单点引出各电源线，该点采用一个大容量电容旁路，然后，将这些电源线分布在PCB底层，并且彼此之间进行适当隔离。相对于电路板内层的电介质而言，由于采用地层隔离这些电源线，因此降低了底层V_CC线路之间的耦合。每条隔离线通过级间匹配电容进行本地旁路，同时与内部节点匹配。为了靠近IC放置电容，并有效控制匹配，将电容放置在顶层比较合理。图2为推荐的元件布局图。


图2. “星形拓扑”的元件布局

接地方案

MAX2235采用TSSOP-EP封装，芯片底部带有裸露的接地焊盘。由于功率放大器的输出级通过该点接地，因此该焊盘必须接地。如果没有低电感接地通路，则会出现令人头疼的发射衰减，导致增益降低。IC向PCB地层的散热也是通过这种物理连接实现的。最好设计大面积裸焊盘的接地面积。在装配期间，还要给出回流通路，也就是说，PCB焊盘应具有多个过孔。该IC的全部GND引脚可直接返回同一焊盘，为功率放大器的其它级提供最短的接地通路(参见图3)。


图3. 裸焊盘必须接地

输出网络

现有的评估板在这一部分可能会误导用户，它是专为特定频段设计的，没有必要复制到其它应用中。该评估板采用30AWG导线，与引脚16至V_CC间的0Ω。Maxim目前在新型设计中不推荐输出采用导线短接和电阻上拉的方法。相反，可采用L||C并联上拉至V_CC，以获得最佳性能。如果认真选取LC并联谐振，那么在敏感频率上看似具有较高的阻抗(不会影响匹配)，但会大大削减谐波。在915MHz下设计时，10nH和3.3pF的电感值可产生非常好的谐波抑制，并大大降低输出匹配的干扰。

在设计输出匹配时，可采用与级间匹配类似的方法。为了精确调节功率放大器的输出阻抗，可沿着传输线改变输出并联电容的位置。该评估板用两个元件进行匹配，为了提高调节能力，可以利用四元件(串联L、并联C、串联L、并联C)匹配方案(参见图4)。无论采用哪种方法实现阻抗变换，都推荐使用由许多相邻接接地过孔包围的受控阻抗传输线。连续的RF接地回路，可以大大降低PCB损耗，改善谐波抑制。同时还需要注意：匹配时采用高Q值元件(>100，在期望频率下)对获得最佳的原型和产品性能至关重要，并推荐使用Murata GJM1555系列(或等效电路)。


图4. 具有高Q值的电感和电容四元件输出匹配

概要

作为RF功率放大器，在PCB布局过程中，MAX2235是否能够获得最佳性能取决于细致而周密的电路布局。在构建第一个原型之前，需要全面考虑以下事项。

级间匹配 V_CC旁路/级间匹配电容应尽可能靠近IC引脚(引脚3、5、8和9)放置，并在调试过程中允许调整位置。采用高Q值元件可以获得最佳性能。

V_CC布线 电源布线应使不同的PA级电源线间隔最大(耦合最小)，在PCB底层采用“星形拓扑”是非常有效。V_CC端接全局旁路电容。

接地 为IC各引脚提供最短、最低电感的接地通路。考虑到回流焊和IC底部裸焊盘的制造工艺，必须将裸焊盘接地！

输出匹配 采用高Q值元件和四元件匹配，以及阻抗受控的传输线。匹配之前采用上拉电感进行谐波抑制，不会影响阻抗变换。

图5所示为上述关键特性的实施方法，图6所示为其它Maxim评估板的“星形拓扑”。


图5. 在构建第一个原型之前，所考虑的主要事项的实施方法


图6. Maxim评估板的“星形拓扑”