RF電路板分區設計中PCB布局布線技巧
發布時間:2011-02-23
中心議題:
令人感到不可思議的是,多用途芯片可將多種功能集成在一個非常小的裸片上,而且連接外界的引腳之間排列得又非常緊密,因此RF、IF、模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)非(fei)常(chang)靠(kao)近(jin),但(dan)它(ta)們(men)通(tong)常(chang)在(zai)電(dian)氣(qi)上(shang)是(shi)不(bu)相(xiang)幹(gan)的(de)。電(dian)源(yuan)分(fen)配(pei)可(ke)能(neng)對(dui)設(she)計(ji)者(zhe)來(lai)說(shuo)是(shi)一(yi)個(ge)噩(e)夢(meng),為(wei)了(le)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming),電(dian)路(lu)的(de)不(bu)同(tong)部(bu)分(fen)是(shi)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)而(er)分(fen)時(shi)工(gong)作(zuo)的(de),並(bing)由(you)軟(ruan)件(jian)來(lai)控(kong)製(zhi)轉(zhuan)換(huan)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)你(ni)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)為(wei)你(ni)的(de)蜂(feng)窩(wo)電(dian)話(hua)提(ti)供(gong)5到6種工作電源。
在設計RF布局時,有幾個總的原則必須優先加以滿足:
盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來,簡單地說,就是讓高功率RF發射電路遠離低功率RF接收電路。如果你的PCB板上有很多物理空間,那麼你可以很容易地做到這一點,但通常元器件很多,PCB空間較小,因而這通常是不可能的。你可以把他們放在PCB板的兩麵,或者讓它們交替工作,而不是同時工作。高功率電路有時還可包括RF緩衝器和壓控製振蕩器(VCO)。
確保PCB板(ban)上(shang)高(gao)功(gong)率(lv)區(qu)至(zhi)少(shao)有(you)一(yi)整(zheng)塊(kuai)地(di),最(zui)好(hao)上(shang)麵(mian)沒(mei)有(you)過(guo)孔(kong),當(dang)然(ran),銅(tong)皮(pi)越(yue)多(duo)越(yue)好(hao)。稍(shao)後(hou),我(wo)們(men)將(jiang)討(tao)論(lun)如(ru)何(he)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)打(da)破(po)這(zhe)個(ge)設(she)計(ji)原(yuan)則(ze),以(yi)及(ji)如(ru)何(he)避(bi)免(mian)由(you)此(ci)而(er)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)的(de)問(wen)題(ti)。
芯片和電源去耦同樣也極為重要,稍後將討論實現這個原則的幾種方法。
RF輸出通常需要遠離RF輸入,稍後我們將進行詳細討論。
敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數字信號和RF信號。
如何進行分區?
設計分區可以分解為物理分區和電氣分區。物理分區主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽等問題;電氣分區可以繼續分解為電源分配、RF走線、敏感電路和信號以及接地等的分區。
首先我們討論物理分區問題。元器件布局是實現一個優秀RF設計的關鍵,最有效的技術是首先固定位於RF路徑上的元器件,並調整其朝向以將RF路徑的長度減到最小,使輸入遠離輸出,並盡可能遠地分離高功率電路和低功率電路。
最有效的電路板堆疊方法是將主接地麵(主地)安排在表層下的第二層,並盡可能將RF線走在表層上。將RF路徑上的過孔尺寸減到最小不僅可以減少路徑電感,而且還可以減少主地上的虛焊點,並可減少RF能量泄漏到層疊板內其他區域的機會。
在物理空間上,像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個RF區之間相互隔離開來,但是雙工器、混頻器和中頻放大器/混頻器總是有多個RF/IF信號相互幹擾,因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與IF走線應盡可能走十字交叉,並盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對整塊PCB板的性能而言非常重要,這也就是為什麼元器件布局通常在蜂窩電話PCB板設計中占大部分時間的原因。
在蜂窩電話PCB板上,通常可以將低噪音放大器電路放在PCB板的某一麵,而高功率放大器放在另一麵,並最終通過雙工器把它們在同一麵上連接到RF端和基帶處理器端的天線上。需要一些技巧來確保直通過孔不會把RF能量從板的一麵傳遞到另一麵,常用的技術是在兩麵都使用盲孔。可以通過將直通過孔安排在PCB板兩麵都不受RF幹擾的區域來將直通過孔的不利影響減到最小。
有時不太可能在多個電路塊之間保證足夠的隔離,在這種情況下就必須考慮采用金屬屏蔽罩將射頻能量屏蔽在RF區域內,但金屬屏蔽罩也存在問題,例如:自身成本和裝配成本都很貴;
外形不規則的金屬屏蔽罩在製造時很難保證高精度,長方形或正方形金屬屏蔽罩又使元器件布局受到一些限製;金屬屏蔽罩不利於元器件更換和故障定位;由於金屬屏蔽罩必須焊在地上,必須與元器件保持一個適當距離,因此需要占用寶貴的PCB板空間。
盡可能保證屏蔽罩的完整非常重要,進入金屬屏蔽罩的數字信號線應該盡可能走內層,而且最好走線層的下麵一層PCB是地層。RF信xin號hao線xian可ke以yi從cong金jin屬shu屏ping蔽bi罩zhao底di部bu的de小xiao缺que口kou和he地di缺que口kou處chu的de布bu線xian層ceng上shang走zou出chu去qu,不bu過guo缺que口kou處chu周zhou圍wei要yao盡jin可ke能neng地di多duo布bu一yi些xie地di,不bu同tong層ceng上shang的de地di可ke通tong過guo多duo個ge過guo孔kong連lian在zai一yi起qi。
盡管有以上的問題,但是金屬屏蔽罩非常有效,而且常常還是隔離關鍵電路的唯一解決方案。
此外,恰當和有效的芯片電源去耦也非常重要。許多集成了線性線路的RF芯片對電源的噪音非常敏感,通常每個芯片都需要采用高達四個電容和一個隔離電感來確保濾除所有的電源噪音)。
最小電容值通常取決於其自諧振頻率和低引腳電感,C4的值就是據此選擇的。C3和C2的值由於其自身引腳電感的關係而相對較大一些,從而RF去耦效果要差一些,不過它們較適合於濾除較低頻率的噪聲信號。電感L1使RF信號無法從電源線耦合到芯片中。記住:所有的走線都是一條潛在的既可接收也可發射RF信號的天線,另外將感應的射頻信號與關鍵線路隔離開也很必要。
這些去耦元件的物理位置通常也很關鍵,這幾個重要元件的布局原則是:C4要盡可能靠近IC引腳並接地,C3必須最靠近C4,C2必須最靠近C3,而且IC引腳與C4的連接走線要盡可能短,這幾個元件的接地端(尤其是C4)通常應當通過下一地層與芯片的接地引腳相連。將元件與地層相連的過孔應該盡可能靠近PCB板上元件焊盤,最好是使用打在焊盤上的盲孔以將連接線電感減到最小,電感應該靠近C1。
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一塊集成電路或放大器常常帶有一個開漏極輸出,因此需要一個上拉電感來提供一個高阻抗RF負fu載zai和he一yi個ge低di阻zu抗kang直zhi流liu電dian源yuan,同tong樣yang的de原yuan則ze也ye適shi用yong於yu對dui這zhe一yi電dian感gan端duan的de電dian源yuan進jin行xing去qu耦ou。有you些xie芯xin片pian需xu要yao多duo個ge電dian源yuan才cai能neng工gong作zuo,因yin此ci你ni可ke能neng需xu要yao兩liang到dao三san套tao電dian容rong和he電dian感gan來lai分fen別bie對dui它ta們men進jin行xing去qu耦ou處chu理li,如ru果guo該gai芯xin片pian周zhou圍wei沒mei有you足zu夠gou空kong間jian的de話hua,那na麼me可ke能neng會hui遇yu到dao一yi些xie麻ma煩fan。
記ji住zhu電dian感gan極ji少shao並bing行xing靠kao在zai一yi起qi,因yin為wei這zhe將jiang形xing成cheng一yi個ge空kong芯xin變bian壓ya器qi並bing相xiang互hu感gan應ying產chan生sheng幹gan擾rao信xin號hao,因yin此ci它ta們men之zhi間jian的de距ju離li至zhi少shao要yao相xiang當dang於yu其qi中zhong一yi個ge器qi件jian的de高gao度du,或huo者zhe成cheng直zhi角jiao排pai列lie以yi將jiang其qi互hu感gan減jian到dao最zui小xiao。
dianqifenquyuanzedatishangyuwulifenquxiangtong,danhaibaohanyixieqitayinsu。xiandaifengwodianhuademouxiebufencaiyongbutonggongzuodianya,bingjiezhuruanjianduiqijinxingkongzhi,yiyanchangdianchigongzuoshouming。zheyiweizhefengwodianhuaxuyaoyunxingduozhongdianyuan,erzhegeigelidailailegengduodewenti。dianyuantongchangconglianjieqiyinru,binglijijinxingquouchuliyilvchurenhelaizixianlubanwaibudezaosheng,ranhouzaijingguoyizukaiguanhuowenyaqizhihouduiqijinxingfenpei。
蜂(feng)窩(wo)電(dian)話(hua)裏(li)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)路(lu)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)都(dou)相(xiang)當(dang)小(xiao),因(yin)此(ci)走(zou)線(xian)寬(kuan)度(du)通(tong)常(chang)不(bu)是(shi)問(wen)題(ti),不(bu)過(guo),必(bi)須(xu)為(wei)高(gao)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)單(dan)獨(du)走(zou)一(yi)條(tiao)盡(jin)可(ke)能(neng)寬(kuan)的(de)大(da)電(dian)流(liu)線(xian),以(yi)將(jiang)傳(chuan)輸(shu)壓(ya)降(jiang)減(jian)到(dao)最(zui)低(di)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)太(tai)多(duo)電(dian)流(liu)損(sun)耗(hao),需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)多(duo)個(ge)過(guo)孔(kong)來(lai)將(jiang)電(dian)流(liu)從(cong)某(mou)一(yi)層(ceng)傳(chuan)遞(di)到(dao)另(ling)一(yi)層(ceng)。此(ci)外(wai),如(ru)果(guo)不(bu)能(neng)在(zai)高(gao)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)引(yin)腳(jiao)端(duan)對(dui)它(ta)進(jin)行(xing)充(chong)分(fen)的(de)去(qu)耦(ou),那(na)麼(me)高(gao)功(gong)率(lv)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)會(hui)輻(fu)射(she)到(dao)整(zheng)塊(kuai)板(ban)上(shang),並(bing)帶(dai)來(lai)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)問(wen)題(ti)。高(gao)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)接(jie)地(di)相(xiang)當(dang)關(guan)鍵(jian),並(bing)經(jing)常(chang)需(xu)要(yao)為(wei)其(qi)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)金(jin)屬(shu)屏(ping)蔽(bi)罩(zhao)。
在大多數情況下,同樣關鍵的是確保RF輸出遠離RF輸入。這也適用於放大器、緩衝器和濾波器。在(zai)最(zui)壞(huai)情(qing)況(kuang)下(xia),如(ru)果(guo)放(fang)大(da)器(qi)和(he)緩(huan)衝(chong)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)以(yi)適(shi)當(dang)的(de)相(xiang)位(wei)和(he)振(zhen)幅(fu)反(fan)饋(kui)到(dao)它(ta)們(men)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan),那(na)麼(me)它(ta)們(men)就(jiu)有(you)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)自(zi)激(ji)振(zhen)蕩(dang)。在(zai)最(zui)好(hao)情(qing)況(kuang)下(xia),它(ta)們(men)將(jiang)能(neng)在(zai)任(ren)何(he)溫(wen)度(du)和(he)電(dian)壓(ya)條(tiao)件(jian)下(xia)穩(wen)定(ding)地(di)工(gong)作(zuo)。實(shi)際(ji)上(shang),它(ta)們(men)可(ke)能(neng)會(hui)變(bian)得(de)不(bu)穩(wen)定(ding),並(bing)將(jiang)噪(zao)音(yin)和(he)互(hu)調(tiao)信(xin)號(hao)添(tian)加(jia)到(dao)RF信號上。
如(ru)果(guo)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)線(xian)不(bu)得(de)不(bu)從(cong)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)繞(rao)回(hui)輸(shu)出(chu)端(duan),這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)嚴(yan)重(zhong)損(sun)害(hai)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)帶(dai)通(tong)特(te)性(xing)。為(wei)了(le)使(shi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)得(de)到(dao)良(liang)好(hao)的(de)隔(ge)離(li),首(shou)先(xian)必(bi)須(xu)在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)周(zhou)圍(wei)布(bu)一(yi)圈(quan)地(di),其(qi)次(ci)濾(lv)波(bo)器(qi)下(xia)層(ceng)區(qu)域(yu)也(ye)要(yao)布(bu)一(yi)塊(kuai)地(di),並(bing)與(yu)圍(wei)繞(rao)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)主(zhu)地(di)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)。把(ba)需(xu)要(yao)穿(chuan)過(guo)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)信(xin)號(hao)線(xian)盡(jin)可(ke)能(neng)遠(yuan)離(li)濾(lv)波(bo)器(qi)引(yin)腳(jiao)也(ye)是(shi)個(ge)好(hao)方(fang)法(fa)。此(ci)外(wai),整(zheng)塊(kuai)板(ban)上(shang)各(ge)個(ge)地(di)方(fang)的(de)接(jie)地(di)都(dou)要(yao)十(shi)分(fen)小(xiao)心(xin),否(fou)則(ze)你(ni)可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)不(bu)知(zhi)不(bu)覺(jiao)之(zhi)中(zhong)引(yin)入(ru)一(yi)條(tiao)你(ni)不(bu)希(xi)望(wang)發(fa)生(sheng)的(de)耦(ou)合(he)通(tong)道(dao)。圖(tu)3詳細說明了這一接地辦法。
有時可以選擇走單端或平衡RF信號線,有關交叉幹擾和EMC/EMI的原則在這裏同樣適用。平衡RF信號線如果走線正確的話,可以減少噪聲和交叉幹擾,但是它們的阻抗通常比較高,而且要保持一個合理的線寬以得到一個匹配信號源、走線和負載的阻抗,實際布線可能會有一些困難。
huanchongqikeyiyonglaitigaogelixiaoguo,yinweitakebatongyigexinhaofenweilianggebufen,bingyongyuqudongbutongdedianlu,tebieshibenzhenkenengxuyaohuanchongqilaiqudongduogehunpinqi。danghunpinqizaiRF頻率處到達共模隔離狀態時,它將無法正常工作。緩衝器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化,從而電路之間不會相互幹擾。
緩huan衝chong器qi對dui設she計ji的de幫bang助zhu很hen大da,它ta們men可ke以yi緊jin跟gen在zai需xu要yao被bei驅qu動dong電dian路lu的de後hou麵mian,從cong而er使shi高gao功gong率lv輸shu出chu走zou線xian非fei常chang短duan,由you於yu緩huan衝chong器qi的de輸shu入ru信xin號hao電dian平ping比bi較jiao低di,因yin此ci它ta們men不bu易yi對dui板ban上shang的de其qi它ta電dian路lu造zao成cheng幹gan擾rao。
還有許多非常敏感的信號和控製線需要特別注意,但它們超出了本文探討的範圍,因此本文僅略作論述,不再進行詳細說明。
壓控振蕩器(VCO)可(ke)將(jiang)變(bian)化(hua)的(de)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)為(wei)變(bian)化(hua)的(de)頻(pin)率(lv),這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)被(bei)用(yong)於(yu)高(gao)速(su)頻(pin)道(dao)切(qie)換(huan),但(dan)它(ta)們(men)同(tong)樣(yang)也(ye)將(jiang)控(kong)製(zhi)電(dian)壓(ya)上(shang)的(de)微(wei)量(liang)噪(zao)聲(sheng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)微(wei)小(xiao)的(de)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua),而(er)這(zhe)就(jiu)給(gei)RF信號增加了噪聲。總的來說,在這一級以後你再也沒有辦法從RF輸出信號中將噪聲去掉。那麼困難在哪裏呢?首先,控製線的期望頻寬範圍可能從DC直到2MHz,而通過濾波來去掉這麼寬頻帶的噪聲幾乎是不可能的;其次,VCO控製線通常是一個控製頻率的反饋回路的一部分,它在很多地方都有可能引入噪聲,因此必須非常小心處理VCO控製線。
要確保RF走線下層的地是實心的,而且所有的元器件都牢固地連到主地上,並與其它可能帶來噪聲的走線隔離開來。此外,要確保VCO的電源已得到充分去耦,由於VCO的RF輸出往往是一個相對較高的電平,VCO輸出信號很容易幹擾其它電路,因此必須對VCO加以特別注意。事實上,VCO往往布放在RF區域的末端,有時它還需要一個金屬屏蔽罩。
諧振電路(一個用於發射機,另一個用於接收機)與VCO有關,但也有它自己的特點。簡單地講,諧振電路是一個帶有容性二極管的並行諧振電路,它有助於設置VCO工作頻率和將語音或數據調製到RF信號上。
所有VCO的設計原則同樣適用於諧振電路。由於諧振電路含有數量相當多的元器件、板上分布區域較寬以及通常運行在一個很高的RFpinlvxia,yincixiezhendianlutongchangduizaoshengfeichangmingan。xinhaotongchangpailiezaixinpiandexianglinjiaoshang,danzhexiexinhaoyinjiaoyouxuyaoyuxiangduijiaodadedianganhedianrongpeihecainenggongzuo,zhefanguolaiyaoqiuzhexiedianganhedianrongdeweizhibixukaodehenjin,binglianhuidaoyigeduizaoshenghenmingandekongzhihuanlushang。yaozuodaozhedianshiburongyide。
自動增益控製(AGC)放大器同樣是一個容易出問題的地方,不管是發射還是接收電路都會有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲,不過由於蜂窩電話具備處理發射和接收信號強度快速變化的能力,因此要求AGC電路有一個相當寬的帶寬,而這使某些關鍵電路上的AGC放大器很容易引入噪聲。
設計AGC線路必須遵守良好的模擬電路設計技術,而這跟很短的運放輸入引腳和很短的反饋路徑有關,這兩處都必須遠離RF、IF或huo高gao速su數shu字zi信xin號hao走zou線xian。同tong樣yang,良liang好hao的de接jie地di也ye必bi不bu可ke少shao,而er且qie芯xin片pian的de電dian源yuan必bi須xu得de到dao良liang好hao的de去qu耦ou。如ru果guo必bi須xu要yao在zai輸shu入ru或huo輸shu出chu端duan走zou一yi根gen長chang線xian,那na麼me最zui好hao是shi在zai輸shu出chu端duan,通tong常chang輸shu出chu端duan的de阻zu抗kang要yao低di得de多duo,而er且qie也ye不bu容rong易yi感gan應ying噪zao聲sheng。通tong常chang信xin號hao電dian平ping越yue高gao,就jiu越yue容rong易yi把ba噪zao聲sheng引yin入ru到dao其qi它ta電dian路lu。
在所有PCB設計中,盡可能將數字電路遠離模擬電路是一條總的原則,它同樣也適用於RFPCB設(she)計(ji)。公(gong)共(gong)模(mo)擬(ni)地(di)和(he)用(yong)於(yu)屏(ping)蔽(bi)和(he)隔(ge)開(kai)信(xin)號(hao)線(xian)的(de)地(di)通(tong)常(chang)是(shi)同(tong)等(deng)重(zhong)要(yao)的(de),問(wen)題(ti)在(zai)於(yu)如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)預(yu)見(jian)和(he)事(shi)先(xian)仔(zai)細(xi)的(de)計(ji)劃(hua),每(mei)次(ci)你(ni)能(neng)在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)所(suo)做(zuo)的(de)事(shi)都(dou)很(hen)少(shao)。因(yin)此(ci)在(zai)設(she)計(ji)早(zao)期(qi)階(jie)段(duan),仔(zai)細(xi)的(de)計(ji)劃(hua)、kaolvzhouquandeyuanqijianbujuhechedidebujupinggudoufeichangzhongyao,youyushuhueryinqideshejigenggaijiangkenengdaozhiyigejijiangwanchengdeshejiyoubixutuidaozhonglai。zheyiyinshuhuerdaozhideyanzhonghouguo,wulunruheduinidegerenshiyefazhanlaishuobushiyijianhaoshi。
同樣應使RF線路遠離模擬線路和一些很關鍵的數字信號,所有的RF走線、焊盤和元件周圍應盡可能多填接地銅皮,並盡可能與主地相連。類似麵包板的微型過孔構造板在RF線路開發階段很有用,如果你選用了構造板,那麼你毋須花費任何開銷就可隨意使用很多過孔,否則在普通PCB板上鑽孔將會增加開發成本,而這在大批量生產時會增加成本。
如果RF走線必須穿過信號線,那麼盡量在它們之間沿著RF走線布一層與主地相連的地。如果不可能的話,一定要保證它們是十字交叉的,這可將容性耦合減到最小,同時盡可能在每根RF走線周圍多布一些地,並把它們連到主地。此外,將並行RF走線之間的距離減到最小可以將感性耦合減到最小。
一(yi)個(ge)實(shi)心(xin)的(de)整(zheng)塊(kuai)接(jie)地(di)麵(mian)直(zhi)接(jie)放(fang)在(zai)表(biao)層(ceng)下(xia)第(di)一(yi)層(ceng)時(shi),隔(ge)離(li)效(xiao)果(guo)最(zui)好(hao),盡(jin)管(guan)小(xiao)心(xin)一(yi)點(dian)設(she)計(ji)時(shi)其(qi)它(ta)的(de)做(zuo)法(fa)也(ye)管(guan)用(yong)。我(wo)曾(zeng)試(shi)過(guo)把(ba)接(jie)地(di)麵(mian)分(fen)成(cheng)幾(ji)塊(kuai)來(lai)隔(ge)離(li)模(mo)擬(ni)、數字和RF線路,但我從未對結果感到滿意過,因為最終總是有一些高速信號線要穿過這些分開的地,這不是一件好事。
在PCBbandemeiyiceng,yingbushangjinkenengduodedi,bingbatamenliandaozhudimian。jinkenengbazouxiankaozaiyiqiyizengjianeibuxinhaocenghedianyuanfenpeicengdedikuaishuliang,bingshidangtiaozhengzouxianyibianninengjiangdilianjieguokongbuzhidaobiaocengshangdegelidikuai。yingdangbimianzaiPCBgecengshangshengchengyoulidi,yinweitamenhuixiangyigexiaotianxiannayangshiquhuozhuruzaoyin。zaidaduoshuqingkuangxia,ruguonibunengbatamenliandaozhudi,namenizuihaobatamenqudiao。
- RF布局的優先原則
- RF布局的原件區域劃分
- 噪聲信號的屏蔽
令人感到不可思議的是,多用途芯片可將多種功能集成在一個非常小的裸片上,而且連接外界的引腳之間排列得又非常緊密,因此RF、IF、模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)非(fei)常(chang)靠(kao)近(jin),但(dan)它(ta)們(men)通(tong)常(chang)在(zai)電(dian)氣(qi)上(shang)是(shi)不(bu)相(xiang)幹(gan)的(de)。電(dian)源(yuan)分(fen)配(pei)可(ke)能(neng)對(dui)設(she)計(ji)者(zhe)來(lai)說(shuo)是(shi)一(yi)個(ge)噩(e)夢(meng),為(wei)了(le)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming),電(dian)路(lu)的(de)不(bu)同(tong)部(bu)分(fen)是(shi)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)而(er)分(fen)時(shi)工(gong)作(zuo)的(de),並(bing)由(you)軟(ruan)件(jian)來(lai)控(kong)製(zhi)轉(zhuan)換(huan)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)你(ni)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)為(wei)你(ni)的(de)蜂(feng)窩(wo)電(dian)話(hua)提(ti)供(gong)5到6種工作電源。
在設計RF布局時,有幾個總的原則必須優先加以滿足:
盡可能地把高功率RF放大器(HPA)和低噪音放大器(LNA)隔離開來,簡單地說,就是讓高功率RF發射電路遠離低功率RF接收電路。如果你的PCB板上有很多物理空間,那麼你可以很容易地做到這一點,但通常元器件很多,PCB空間較小,因而這通常是不可能的。你可以把他們放在PCB板的兩麵,或者讓它們交替工作,而不是同時工作。高功率電路有時還可包括RF緩衝器和壓控製振蕩器(VCO)。
確保PCB板(ban)上(shang)高(gao)功(gong)率(lv)區(qu)至(zhi)少(shao)有(you)一(yi)整(zheng)塊(kuai)地(di),最(zui)好(hao)上(shang)麵(mian)沒(mei)有(you)過(guo)孔(kong),當(dang)然(ran),銅(tong)皮(pi)越(yue)多(duo)越(yue)好(hao)。稍(shao)後(hou),我(wo)們(men)將(jiang)討(tao)論(lun)如(ru)何(he)根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)打(da)破(po)這(zhe)個(ge)設(she)計(ji)原(yuan)則(ze),以(yi)及(ji)如(ru)何(he)避(bi)免(mian)由(you)此(ci)而(er)可(ke)能(neng)引(yin)起(qi)的(de)問(wen)題(ti)。
芯片和電源去耦同樣也極為重要,稍後將討論實現這個原則的幾種方法。
RF輸出通常需要遠離RF輸入,稍後我們將進行詳細討論。
敏感的模擬信號應該盡可能遠離高速數字信號和RF信號。
如何進行分區?
設計分區可以分解為物理分區和電氣分區。物理分區主要涉及元器件布局、朝向和屏蔽等問題;電氣分區可以繼續分解為電源分配、RF走線、敏感電路和信號以及接地等的分區。
首先我們討論物理分區問題。元器件布局是實現一個優秀RF設計的關鍵,最有效的技術是首先固定位於RF路徑上的元器件,並調整其朝向以將RF路徑的長度減到最小,使輸入遠離輸出,並盡可能遠地分離高功率電路和低功率電路。
最有效的電路板堆疊方法是將主接地麵(主地)安排在表層下的第二層,並盡可能將RF線走在表層上。將RF路徑上的過孔尺寸減到最小不僅可以減少路徑電感,而且還可以減少主地上的虛焊點,並可減少RF能量泄漏到層疊板內其他區域的機會。
在物理空間上,像多級放大器這樣的線性電路通常足以將多個RF區之間相互隔離開來,但是雙工器、混頻器和中頻放大器/混頻器總是有多個RF/IF信號相互幹擾,因此必須小心地將這一影響減到最小。RF與IF走線應盡可能走十字交叉,並盡可能在它們之間隔一塊地。正確的RF路徑對整塊PCB板的性能而言非常重要,這也就是為什麼元器件布局通常在蜂窩電話PCB板設計中占大部分時間的原因。
在蜂窩電話PCB板上,通常可以將低噪音放大器電路放在PCB板的某一麵,而高功率放大器放在另一麵,並最終通過雙工器把它們在同一麵上連接到RF端和基帶處理器端的天線上。需要一些技巧來確保直通過孔不會把RF能量從板的一麵傳遞到另一麵,常用的技術是在兩麵都使用盲孔。可以通過將直通過孔安排在PCB板兩麵都不受RF幹擾的區域來將直通過孔的不利影響減到最小。
有時不太可能在多個電路塊之間保證足夠的隔離,在這種情況下就必須考慮采用金屬屏蔽罩將射頻能量屏蔽在RF區域內,但金屬屏蔽罩也存在問題,例如:自身成本和裝配成本都很貴;
外形不規則的金屬屏蔽罩在製造時很難保證高精度,長方形或正方形金屬屏蔽罩又使元器件布局受到一些限製;金屬屏蔽罩不利於元器件更換和故障定位;由於金屬屏蔽罩必須焊在地上,必須與元器件保持一個適當距離,因此需要占用寶貴的PCB板空間。
盡可能保證屏蔽罩的完整非常重要,進入金屬屏蔽罩的數字信號線應該盡可能走內層,而且最好走線層的下麵一層PCB是地層。RF信xin號hao線xian可ke以yi從cong金jin屬shu屏ping蔽bi罩zhao底di部bu的de小xiao缺que口kou和he地di缺que口kou處chu的de布bu線xian層ceng上shang走zou出chu去qu,不bu過guo缺que口kou處chu周zhou圍wei要yao盡jin可ke能neng地di多duo布bu一yi些xie地di,不bu同tong層ceng上shang的de地di可ke通tong過guo多duo個ge過guo孔kong連lian在zai一yi起qi。
盡管有以上的問題,但是金屬屏蔽罩非常有效,而且常常還是隔離關鍵電路的唯一解決方案。
此外,恰當和有效的芯片電源去耦也非常重要。許多集成了線性線路的RF芯片對電源的噪音非常敏感,通常每個芯片都需要采用高達四個電容和一個隔離電感來確保濾除所有的電源噪音)。
最小電容值通常取決於其自諧振頻率和低引腳電感,C4的值就是據此選擇的。C3和C2的值由於其自身引腳電感的關係而相對較大一些,從而RF去耦效果要差一些,不過它們較適合於濾除較低頻率的噪聲信號。電感L1使RF信號無法從電源線耦合到芯片中。記住:所有的走線都是一條潛在的既可接收也可發射RF信號的天線,另外將感應的射頻信號與關鍵線路隔離開也很必要。
這些去耦元件的物理位置通常也很關鍵,這幾個重要元件的布局原則是:C4要盡可能靠近IC引腳並接地,C3必須最靠近C4,C2必須最靠近C3,而且IC引腳與C4的連接走線要盡可能短,這幾個元件的接地端(尤其是C4)通常應當通過下一地層與芯片的接地引腳相連。將元件與地層相連的過孔應該盡可能靠近PCB板上元件焊盤,最好是使用打在焊盤上的盲孔以將連接線電感減到最小,電感應該靠近C1。
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一塊集成電路或放大器常常帶有一個開漏極輸出,因此需要一個上拉電感來提供一個高阻抗RF負fu載zai和he一yi個ge低di阻zu抗kang直zhi流liu電dian源yuan,同tong樣yang的de原yuan則ze也ye適shi用yong於yu對dui這zhe一yi電dian感gan端duan的de電dian源yuan進jin行xing去qu耦ou。有you些xie芯xin片pian需xu要yao多duo個ge電dian源yuan才cai能neng工gong作zuo,因yin此ci你ni可ke能neng需xu要yao兩liang到dao三san套tao電dian容rong和he電dian感gan來lai分fen別bie對dui它ta們men進jin行xing去qu耦ou處chu理li,如ru果guo該gai芯xin片pian周zhou圍wei沒mei有you足zu夠gou空kong間jian的de話hua,那na麼me可ke能neng會hui遇yu到dao一yi些xie麻ma煩fan。
記ji住zhu電dian感gan極ji少shao並bing行xing靠kao在zai一yi起qi,因yin為wei這zhe將jiang形xing成cheng一yi個ge空kong芯xin變bian壓ya器qi並bing相xiang互hu感gan應ying產chan生sheng幹gan擾rao信xin號hao,因yin此ci它ta們men之zhi間jian的de距ju離li至zhi少shao要yao相xiang當dang於yu其qi中zhong一yi個ge器qi件jian的de高gao度du,或huo者zhe成cheng直zhi角jiao排pai列lie以yi將jiang其qi互hu感gan減jian到dao最zui小xiao。
dianqifenquyuanzedatishangyuwulifenquxiangtong,danhaibaohanyixieqitayinsu。xiandaifengwodianhuademouxiebufencaiyongbutonggongzuodianya,bingjiezhuruanjianduiqijinxingkongzhi,yiyanchangdianchigongzuoshouming。zheyiweizhefengwodianhuaxuyaoyunxingduozhongdianyuan,erzhegeigelidailailegengduodewenti。dianyuantongchangconglianjieqiyinru,binglijijinxingquouchuliyilvchurenhelaizixianlubanwaibudezaosheng,ranhouzaijingguoyizukaiguanhuowenyaqizhihouduiqijinxingfenpei。
蜂(feng)窩(wo)電(dian)話(hua)裏(li)大(da)多(duo)數(shu)電(dian)路(lu)的(de)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)都(dou)相(xiang)當(dang)小(xiao),因(yin)此(ci)走(zou)線(xian)寬(kuan)度(du)通(tong)常(chang)不(bu)是(shi)問(wen)題(ti),不(bu)過(guo),必(bi)須(xu)為(wei)高(gao)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)單(dan)獨(du)走(zou)一(yi)條(tiao)盡(jin)可(ke)能(neng)寬(kuan)的(de)大(da)電(dian)流(liu)線(xian),以(yi)將(jiang)傳(chuan)輸(shu)壓(ya)降(jiang)減(jian)到(dao)最(zui)低(di)。為(wei)了(le)避(bi)免(mian)太(tai)多(duo)電(dian)流(liu)損(sun)耗(hao),需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)多(duo)個(ge)過(guo)孔(kong)來(lai)將(jiang)電(dian)流(liu)從(cong)某(mou)一(yi)層(ceng)傳(chuan)遞(di)到(dao)另(ling)一(yi)層(ceng)。此(ci)外(wai),如(ru)果(guo)不(bu)能(neng)在(zai)高(gao)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)引(yin)腳(jiao)端(duan)對(dui)它(ta)進(jin)行(xing)充(chong)分(fen)的(de)去(qu)耦(ou),那(na)麼(me)高(gao)功(gong)率(lv)噪(zao)聲(sheng)將(jiang)會(hui)輻(fu)射(she)到(dao)整(zheng)塊(kuai)板(ban)上(shang),並(bing)帶(dai)來(lai)各(ge)種(zhong)各(ge)樣(yang)的(de)問(wen)題(ti)。高(gao)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)器(qi)的(de)接(jie)地(di)相(xiang)當(dang)關(guan)鍵(jian),並(bing)經(jing)常(chang)需(xu)要(yao)為(wei)其(qi)設(she)計(ji)一(yi)個(ge)金(jin)屬(shu)屏(ping)蔽(bi)罩(zhao)。
在大多數情況下,同樣關鍵的是確保RF輸出遠離RF輸入。這也適用於放大器、緩衝器和濾波器。在(zai)最(zui)壞(huai)情(qing)況(kuang)下(xia),如(ru)果(guo)放(fang)大(da)器(qi)和(he)緩(huan)衝(chong)器(qi)的(de)輸(shu)出(chu)以(yi)適(shi)當(dang)的(de)相(xiang)位(wei)和(he)振(zhen)幅(fu)反(fan)饋(kui)到(dao)它(ta)們(men)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan),那(na)麼(me)它(ta)們(men)就(jiu)有(you)可(ke)能(neng)產(chan)生(sheng)自(zi)激(ji)振(zhen)蕩(dang)。在(zai)最(zui)好(hao)情(qing)況(kuang)下(xia),它(ta)們(men)將(jiang)能(neng)在(zai)任(ren)何(he)溫(wen)度(du)和(he)電(dian)壓(ya)條(tiao)件(jian)下(xia)穩(wen)定(ding)地(di)工(gong)作(zuo)。實(shi)際(ji)上(shang),它(ta)們(men)可(ke)能(neng)會(hui)變(bian)得(de)不(bu)穩(wen)定(ding),並(bing)將(jiang)噪(zao)音(yin)和(he)互(hu)調(tiao)信(xin)號(hao)添(tian)加(jia)到(dao)RF信號上。
如(ru)果(guo)射(she)頻(pin)信(xin)號(hao)線(xian)不(bu)得(de)不(bu)從(cong)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)繞(rao)回(hui)輸(shu)出(chu)端(duan),這(zhe)可(ke)能(neng)會(hui)嚴(yan)重(zhong)損(sun)害(hai)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)帶(dai)通(tong)特(te)性(xing)。為(wei)了(le)使(shi)輸(shu)入(ru)和(he)輸(shu)出(chu)得(de)到(dao)良(liang)好(hao)的(de)隔(ge)離(li),首(shou)先(xian)必(bi)須(xu)在(zai)濾(lv)波(bo)器(qi)周(zhou)圍(wei)布(bu)一(yi)圈(quan)地(di),其(qi)次(ci)濾(lv)波(bo)器(qi)下(xia)層(ceng)區(qu)域(yu)也(ye)要(yao)布(bu)一(yi)塊(kuai)地(di),並(bing)與(yu)圍(wei)繞(rao)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)主(zhu)地(di)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)。把(ba)需(xu)要(yao)穿(chuan)過(guo)濾(lv)波(bo)器(qi)的(de)信(xin)號(hao)線(xian)盡(jin)可(ke)能(neng)遠(yuan)離(li)濾(lv)波(bo)器(qi)引(yin)腳(jiao)也(ye)是(shi)個(ge)好(hao)方(fang)法(fa)。此(ci)外(wai),整(zheng)塊(kuai)板(ban)上(shang)各(ge)個(ge)地(di)方(fang)的(de)接(jie)地(di)都(dou)要(yao)十(shi)分(fen)小(xiao)心(xin),否(fou)則(ze)你(ni)可(ke)能(neng)會(hui)在(zai)不(bu)知(zhi)不(bu)覺(jiao)之(zhi)中(zhong)引(yin)入(ru)一(yi)條(tiao)你(ni)不(bu)希(xi)望(wang)發(fa)生(sheng)的(de)耦(ou)合(he)通(tong)道(dao)。圖(tu)3詳細說明了這一接地辦法。
有時可以選擇走單端或平衡RF信號線,有關交叉幹擾和EMC/EMI的原則在這裏同樣適用。平衡RF信號線如果走線正確的話,可以減少噪聲和交叉幹擾,但是它們的阻抗通常比較高,而且要保持一個合理的線寬以得到一個匹配信號源、走線和負載的阻抗,實際布線可能會有一些困難。
huanchongqikeyiyonglaitigaogelixiaoguo,yinweitakebatongyigexinhaofenweilianggebufen,bingyongyuqudongbutongdedianlu,tebieshibenzhenkenengxuyaohuanchongqilaiqudongduogehunpinqi。danghunpinqizaiRF頻率處到達共模隔離狀態時,它將無法正常工作。緩衝器可以很好地隔離不同頻率處的阻抗變化,從而電路之間不會相互幹擾。
緩huan衝chong器qi對dui設she計ji的de幫bang助zhu很hen大da,它ta們men可ke以yi緊jin跟gen在zai需xu要yao被bei驅qu動dong電dian路lu的de後hou麵mian,從cong而er使shi高gao功gong率lv輸shu出chu走zou線xian非fei常chang短duan,由you於yu緩huan衝chong器qi的de輸shu入ru信xin號hao電dian平ping比bi較jiao低di,因yin此ci它ta們men不bu易yi對dui板ban上shang的de其qi它ta電dian路lu造zao成cheng幹gan擾rao。
還有許多非常敏感的信號和控製線需要特別注意,但它們超出了本文探討的範圍,因此本文僅略作論述,不再進行詳細說明。
壓控振蕩器(VCO)可(ke)將(jiang)變(bian)化(hua)的(de)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)為(wei)變(bian)化(hua)的(de)頻(pin)率(lv),這(zhe)一(yi)特(te)性(xing)被(bei)用(yong)於(yu)高(gao)速(su)頻(pin)道(dao)切(qie)換(huan),但(dan)它(ta)們(men)同(tong)樣(yang)也(ye)將(jiang)控(kong)製(zhi)電(dian)壓(ya)上(shang)的(de)微(wei)量(liang)噪(zao)聲(sheng)轉(zhuan)換(huan)為(wei)微(wei)小(xiao)的(de)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua),而(er)這(zhe)就(jiu)給(gei)RF信號增加了噪聲。總的來說,在這一級以後你再也沒有辦法從RF輸出信號中將噪聲去掉。那麼困難在哪裏呢?首先,控製線的期望頻寬範圍可能從DC直到2MHz,而通過濾波來去掉這麼寬頻帶的噪聲幾乎是不可能的;其次,VCO控製線通常是一個控製頻率的反饋回路的一部分,它在很多地方都有可能引入噪聲,因此必須非常小心處理VCO控製線。
要確保RF走線下層的地是實心的,而且所有的元器件都牢固地連到主地上,並與其它可能帶來噪聲的走線隔離開來。此外,要確保VCO的電源已得到充分去耦,由於VCO的RF輸出往往是一個相對較高的電平,VCO輸出信號很容易幹擾其它電路,因此必須對VCO加以特別注意。事實上,VCO往往布放在RF區域的末端,有時它還需要一個金屬屏蔽罩。
諧振電路(一個用於發射機,另一個用於接收機)與VCO有關,但也有它自己的特點。簡單地講,諧振電路是一個帶有容性二極管的並行諧振電路,它有助於設置VCO工作頻率和將語音或數據調製到RF信號上。
所有VCO的設計原則同樣適用於諧振電路。由於諧振電路含有數量相當多的元器件、板上分布區域較寬以及通常運行在一個很高的RFpinlvxia,yincixiezhendianlutongchangduizaoshengfeichangmingan。xinhaotongchangpailiezaixinpiandexianglinjiaoshang,danzhexiexinhaoyinjiaoyouxuyaoyuxiangduijiaodadedianganhedianrongpeihecainenggongzuo,zhefanguolaiyaoqiuzhexiedianganhedianrongdeweizhibixukaodehenjin,binglianhuidaoyigeduizaoshenghenmingandekongzhihuanlushang。yaozuodaozhedianshiburongyide。
自動增益控製(AGC)放大器同樣是一個容易出問題的地方,不管是發射還是接收電路都會有AGC放大器。AGC放大器通常能有效地濾掉噪聲,不過由於蜂窩電話具備處理發射和接收信號強度快速變化的能力,因此要求AGC電路有一個相當寬的帶寬,而這使某些關鍵電路上的AGC放大器很容易引入噪聲。
設計AGC線路必須遵守良好的模擬電路設計技術,而這跟很短的運放輸入引腳和很短的反饋路徑有關,這兩處都必須遠離RF、IF或huo高gao速su數shu字zi信xin號hao走zou線xian。同tong樣yang,良liang好hao的de接jie地di也ye必bi不bu可ke少shao,而er且qie芯xin片pian的de電dian源yuan必bi須xu得de到dao良liang好hao的de去qu耦ou。如ru果guo必bi須xu要yao在zai輸shu入ru或huo輸shu出chu端duan走zou一yi根gen長chang線xian,那na麼me最zui好hao是shi在zai輸shu出chu端duan,通tong常chang輸shu出chu端duan的de阻zu抗kang要yao低di得de多duo,而er且qie也ye不bu容rong易yi感gan應ying噪zao聲sheng。通tong常chang信xin號hao電dian平ping越yue高gao,就jiu越yue容rong易yi把ba噪zao聲sheng引yin入ru到dao其qi它ta電dian路lu。
在所有PCB設計中,盡可能將數字電路遠離模擬電路是一條總的原則,它同樣也適用於RFPCB設(she)計(ji)。公(gong)共(gong)模(mo)擬(ni)地(di)和(he)用(yong)於(yu)屏(ping)蔽(bi)和(he)隔(ge)開(kai)信(xin)號(hao)線(xian)的(de)地(di)通(tong)常(chang)是(shi)同(tong)等(deng)重(zhong)要(yao)的(de),問(wen)題(ti)在(zai)於(yu)如(ru)果(guo)沒(mei)有(you)預(yu)見(jian)和(he)事(shi)先(xian)仔(zai)細(xi)的(de)計(ji)劃(hua),每(mei)次(ci)你(ni)能(neng)在(zai)這(zhe)方(fang)麵(mian)所(suo)做(zuo)的(de)事(shi)都(dou)很(hen)少(shao)。因(yin)此(ci)在(zai)設(she)計(ji)早(zao)期(qi)階(jie)段(duan),仔(zai)細(xi)的(de)計(ji)劃(hua)、kaolvzhouquandeyuanqijianbujuhechedidebujupinggudoufeichangzhongyao,youyushuhueryinqideshejigenggaijiangkenengdaozhiyigejijiangwanchengdeshejiyoubixutuidaozhonglai。zheyiyinshuhuerdaozhideyanzhonghouguo,wulunruheduinidegerenshiyefazhanlaishuobushiyijianhaoshi。
同樣應使RF線路遠離模擬線路和一些很關鍵的數字信號,所有的RF走線、焊盤和元件周圍應盡可能多填接地銅皮,並盡可能與主地相連。類似麵包板的微型過孔構造板在RF線路開發階段很有用,如果你選用了構造板,那麼你毋須花費任何開銷就可隨意使用很多過孔,否則在普通PCB板上鑽孔將會增加開發成本,而這在大批量生產時會增加成本。
如果RF走線必須穿過信號線,那麼盡量在它們之間沿著RF走線布一層與主地相連的地。如果不可能的話,一定要保證它們是十字交叉的,這可將容性耦合減到最小,同時盡可能在每根RF走線周圍多布一些地,並把它們連到主地。此外,將並行RF走線之間的距離減到最小可以將感性耦合減到最小。
一(yi)個(ge)實(shi)心(xin)的(de)整(zheng)塊(kuai)接(jie)地(di)麵(mian)直(zhi)接(jie)放(fang)在(zai)表(biao)層(ceng)下(xia)第(di)一(yi)層(ceng)時(shi),隔(ge)離(li)效(xiao)果(guo)最(zui)好(hao),盡(jin)管(guan)小(xiao)心(xin)一(yi)點(dian)設(she)計(ji)時(shi)其(qi)它(ta)的(de)做(zuo)法(fa)也(ye)管(guan)用(yong)。我(wo)曾(zeng)試(shi)過(guo)把(ba)接(jie)地(di)麵(mian)分(fen)成(cheng)幾(ji)塊(kuai)來(lai)隔(ge)離(li)模(mo)擬(ni)、數字和RF線路,但我從未對結果感到滿意過,因為最終總是有一些高速信號線要穿過這些分開的地,這不是一件好事。
在PCBbandemeiyiceng,yingbushangjinkenengduodedi,bingbatamenliandaozhudimian。jinkenengbazouxiankaozaiyiqiyizengjianeibuxinhaocenghedianyuanfenpeicengdedikuaishuliang,bingshidangtiaozhengzouxianyibianninengjiangdilianjieguokongbuzhidaobiaocengshangdegelidikuai。yingdangbimianzaiPCBgecengshangshengchengyoulidi,yinweitamenhuixiangyigexiaotianxiannayangshiquhuozhuruzaoyin。zaidaduoshuqingkuangxia,ruguonibunengbatamenliandaozhudi,namenizuihaobatamenqudiao。
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