Elektronisches Design - Analyse und Gegenmaßnahmen von Störungen im Hochfrequenz-PCB-Design

In der Gestaltung von Leiterplatten, mit der raschen Zunahme der Frequenz, viele Interferenzen, die sich von der Auslegung von Niederfrequenzen unterscheiden Leiterplatten wird erscheinen. Darüber hinaus, mit zunehmender Frequenz, Der Widerspruch zwischen der Miniaturisierung und den niedrigen Kosten Leiterplatten ist immer prominenter geworden. Diese Störungen werden immer komplexer. In der aktuellen Forschung, wir summieren zusammen, es gibt vier Hauptstörungen, einschließlich Stromversorgungsgeräusche, Störung der Übertragungsleitung, Kupplung, and electromagnetic interference (EMI). Durch Analyse verschiedener Interferenzprobleme Hochfrequenz-Leiterplatte, kombiniert mit Praxis in der Arbeit, eine wirksame Lösung vorgeschlagen wird.

1. Geräusche der Stromversorgung

In der Hochfrequenzschaltung, Das Rauschen der Stromversorgung hat einen besonders offensichtlichen Einfluss auf das Hochfrequenzsignal. Daher, Die erste Anforderung ist, dass die Stromversorgung geräuscharm ist. Hier, Ein sauberer Boden ist genauso wichtig wie eine saubere Stromquelle. Warum? Die Leistungscharakteristik ist wie in Abb.. 1. Offensichtlich, das Netzteil hat eine bestimmte Impedanz, und die Impedanz wird auf das gesamte Netzteil verteilt, So wird auch das Geräusch auf das Netzteil überlagert. Dann sollten wir die Impedanz der Stromversorgung so weit wie möglich reduzieren, Daher ist es am besten, eine dedizierte Power Layer und Ground Layer zu haben. In Hochfrequenzschaltung Design, Die Stromversorgung ist in Form von Schichten ausgelegt, und in den meisten Fällen ist es viel besser als das Design in Form eines Busses, so dass die Schleife immer dem Pfad mit der geringsten Impedanz folgen kann. Darüber hinaus, Das Power Board muss eine Signalschleife für alle erzeugten und empfangenen Signale auf der Leiterplatte bereitstellen, so dass die Signalschleife minimiert werden kann, dadurch Lärmreduzierung, was von NiederfrequenzschaltungsDesignern oft übersehen wird.

Figure 1 Power supply characteristics

There are several ways to eliminate power supply noise in PCB design.

1. Achten Sie auf die Durchgangslöcher auf der Platte: Durch die Durchgangslöcher muss die Leistungsschicht Öffnungen ätzen, um Platz für die Durchgangslöcher zu lassen. Wenn die Öffnung der Leistungsschicht zu groß ist, wirkt sich dies unweigerlich auf die Signalschleife aus, das Signal wird gezwungen, zu umgehen, der Schleifenbereich nimmt zu und das Rauschen nimmt zu. Zur gleichen Zeit, wenn einige Signalleitungen in der Nähe der Öffnung konzentriert sind und diese Schleife teilen, verursacht die gemeinsame Impedanz Übersprechen. wie in Bild 2 gezeigt.

Figure 2 Common path of bypass signal circuit

2. Anschlussdrähte benötigen genügend Erdungskabel: Jedes Signal muss eine eigene proprietäre Signalschleife haben, und der Schleifenbereich des Signals und der Schleife sollte so klein wie möglich sein, das heißt,, Signal und Schleife sollten parallel sein.

3. Die Stromversorgung von analoger und digitaler Stromversorgung sollte getrennt werden: Hochfrequenzgeräte sind im Allgemeinen sehr empfindlich auf digitales Rauschen, so dass die beiden getrennt und zusammen am Eingang der Stromversorgung angeschlossen werden sollten. Wenn das Signal die analogen und digitalen Teile überqueren muss, kann es eine Schleife an der Kreuzung platzieren, um den Schleifenbereich zu reduzieren. Die Frequenzweiche zwischen digital und analog, die in der Signalschleife verwendet wird, ist in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3 Crossover zwischen digital und analog für Signalschleife

4. Vermeiden Sie Überlappungen von separaten Netzteilen zwischen verschiedenen Schichten: ansonsten werden Schaltungsrausche einfach durch parasitäre Kapazität gekoppelt.

5. Isolieren Sie empfindliche Komponenten: wie PLL.

6. Platzieren Sie die Stromleitung: Um die Signalschleife zu reduzieren, reduzieren Sie das Rauschen, indem Sie die Stromleitung an den Rand der Signalleitung platzieren, wie in Abbildung 4 gezeigt.

Abbildung 4 Platzieren Sie die Stromleitung am Rand der Signalleitung

2, die Übertragungsleitung

Es gibt nur zwei mögliche Übertragungsleitungen in PCB: Streifenleitung und Mikrowellenleitung. Das größte Problem der Übertragungsleitung ist die Reflexion. Reflexion wird viele Probleme verursachen. Zum Beispiel wird das Lastsignal die Überlagerung des Originalsignals und des Echosignals sein, was die Schwierigkeit der Signalanalyse erhöht. Reflexion verursacht Rücklaufverluste (Rücklaufverluste), und ihre Auswirkungen auf das Signal sind so gravierend wie die Auswirkungen additiver Störgeräusche:

1. Das Signal, das zurück zur Signalquelle reflektiert wird, erhöht das Systemrauschen, wodurch es für den Empfänger schwieriger wird, das Rauschen vom Signal zu unterscheiden;

2. Jedes reflektierte Signal verschlechtert grundsätzlich die Signalqualität und ändert die Form des Eingangssignals. Im Prinzip ist die Lösung hauptsächlich Impedanzanpassung (zum Beispiel sollte die Verbindungsimpedanz der Impedanz des Systems sehr gut entsprechen), aber manchmal ist die Impedanzberechnung schwieriger, Sie können sich auf einige Übertragungsleitungsimpedanzberechnungssoftware beziehen.

Die Methode zur Beseitigung von Übertragungsleitungsstörungen im PCB-Design ist wie folgt:

(A) Vermeiden Sie Unterbrechungen in der Impedanz der Übertragungsleitung. Der Punkt, an dem die Impedanz diskontinuierlich ist, ist der Punkt, an dem die Übertragungsleitung abrupte Veränderungen aufweist, wie gerade Ecken, Durchkontaktierungen usw., die möglichst vermieden werden sollten. Die Methoden sind: Vermeiden Sie gerade Ecken der Spur, versuchen Sie, für 45° Winkel oder Bögen zu gehen, und große Biegungen sind in Ordnung; möglichst wenige Durchgänge verwenden, da jedes Durchgang ein Impedanzkonstinuitätspunkt ist, wie in Abbildung 5 gezeigt; Das äußere Schichtsignal vermeidet den Durchgang durch die innere Schicht und umgekehrt.

Figure 5 Methods to eliminate transmission line interference

(B) Do not use stubs. Weil jeder Stub eine Quelle von Lärm ist. Wenn die Stublinie kurz ist, sie kann am Ende der Übertragungsleitung beendet werden; wenn die Stublinie lang ist, die Hauptübertragungsleitung wird als Quelle verwendet, die große Reflexionen verursachen und das Problem erschweren, so wird es nicht empfohlen, es zu verwenden.

Drei, kupplung

1. Gemeinsame Impedanzkupplung: Es ist ein gemeinsamer Kopplungskanal, das heißt, die Störquelle und das gestörte Gerät teilen sich oft bestimmte Leiter (wie Schleifenleistung, Bus, gemeinsame Masse usw.), wie in Abbildung 6 gezeigt.

Figure 6 Common impedance coupling

On this channel, Der Fall von Ic verursacht eine Gleichtaktspannung in der Reihenstromschleife, was den Empfänger betrifft.

2. Die Feldgleichtaktkopplung bewirkt, dass die Strahlungsquelle Gleichtaktspannung auf der Schleife verursacht, die durch den gestörten Schaltkreis und die gemeinsame Bezugsebene gebildet wird. Wenn das Magnetfeld dominant ist, ist der Wert der Gleichtaktspannung, die in der Reihen-Masseschleife erzeugt wird, Vcm=-(â Ä ³B/â Ä ³t)*Fläche (â Ä ³B=Änderung der magnetischen Induktionsintensität). Wenn es sich um ein elektromagnetisches Feld handelt, ist es bekannt Wenn sein elektrischer Feldwert, seine induzierte Spannung: Vcm=(L*h*F*E)/48, die Formel gilt für L(m)=150MHz oder weniger, über diese Grenze hinaus, kann die Berechnung der maximal induzierten Spannung vereinfacht werden wie: Vcm= 2*h*E.

3. Differentialfeldkopplung: bezieht sich auf die direkte Strahlung, die durch das Drahtpaar oder die Leitung auf dem Leiterplatte und seine Schleife. Wenn es so nah wie möglich an den beiden Drähten ist. Diese Kupplung wird stark reduziert, So können zwei Drähte miteinander verdreht werden, um Störungen zu reduzieren.

4. Interline-Kopplung (Übersprechen) kann jede Leitung einer unerwünschten Kopplung zwischen parallelen Schaltungen gleich machen, die die Leistung des Systems ernsthaft schädigt. Seine Typen können in kapazitives Übersprechen und induktives Übersprechen unterteilt werden. Ersteres liegt daran, dass die parasitäre Kapazität zwischen den Leitungen das Rauschen auf der Rauschquelle verursacht, die mit der Rauschempfangsleitung durch Stromeinspritzung gekoppelt ist; Letzteres kann als Kopplung des Signals zwischen der Primär- und Sekundärstufe eines unerwünschten parasitären Transformators betrachtet werden. Die Größe des induktiven Übersprechens hängt von der Nähe der beiden Schleifen und der Größe der Schleifenfläche sowie von der Impedanz der betroffenen Last ab.

5. Kopplung von Stromleitungen: bezieht sich darauf, dass, nachdem die AC- oder DC-Stromleitungen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt sind, die Stromleitungen diese Störungen an andere Geräte übertragen.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Übersprechen im PCB-Design zu vermeiden:

1. Beide Arten von Übersprechen nehmen mit der Erhöhung der Lastimpedanz zu, so dass Signalleitungen, die auf Störungen durch Übersprechen empfindlich sind, ordnungsgemäß beendet werden sollten.

2. Erhöhen Sie den Abstand zwischen Signalleitungen so weit wie möglich, um kapazitives Übersprechen effektiv zu reduzieren. Führen Sie Masseschicht-Management, Raum zwischen Verdrahtung (z. B. Isolieren Sie aktive Signalleitungen und Masseleitungen, insbesondere zwischen Signalleitungen, die übergangsweise Zustände und Masse haben) und reduzieren Sie die Leadinduktivität.

3. Das Einfügen eines Erdungskabels zwischen benachbarten Signaldrähten kann kapazitives Übersprechen auch effektiv reduzieren. Dieser Erdungskabel muss jede 1/4 Wellenlänge mit der Masse verbunden werden.

4. Für induktives Übersprechen sollte der Schleifenbereich so weit wie möglich reduziert werden, und wenn erlaubt, sollte diese Schleife beseitigt werden.

5. Signalfreigabeschleifen vermeiden.

6. Fokus auf Signalintegrität: Der Designer muss Beendigung während des Schweißprozesses implementieren, um Signalintegrität zu lösen. Designer, die diese Methode anwenden, können sich auf die Mikrostreifenlänge der abschirmenden Kupferfolie konzentrieren, um eine gute Signalintegritätsleistung zu erzielen. Für Systeme, die dichte Steckverbinder in der Kommunikationsstruktur verwenden, kann der Designer eine Leiterplatte zur Beendigung verwenden.

4, elektromagnetische Störungen

Mit zunehmender Geschwindigkeit wird EMI immer ernster und manifestiert sich in vielen Aspekten (wie elektromagnetische Störungen an der Verbindung). Hochgeschwindigkeitsgeräte reagieren besonders empfindlich darauf. Daher empfangen sie falsche Hochgeschwindigkeitssignale, während niedrige Geschwindigkeit Das Gerät ignoriert solche falschen Signale.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, elektromagnetische Störungen im PCB-Design zu beseitigen:

1. Schleifen reduzieren: Jede Schleife ist äquivalent zu einer Antenne, also müssen wir die Anzahl der Schleifen, den Bereich der Schleife und den Antenneneffekt der Schleife minimieren. Stellen Sie sicher, dass das Signal an zwei Punkten nur einen Schleifenpfad hat, vermeiden Sie künstliche Schleifen und versuchen Sie, die Power-Schicht zu verwenden.

2. Filtern: Filtern kann verwendet werden, um EMI sowohl auf der Stromleitung als auch auf der Signalleitung zu reduzieren. Es gibt drei Methoden: Entkopplung von Kondensatoren, EMI-Filter und magnetische Komponenten. Der EMI-Filter ist in Abbildung 7 dargestellt.

Figure 7 Types of filters

3. Abschirmung. Aufgrund von Platzproblemen und vielen Artikeln über Blockierung, Ich werde sie nicht im Detail vorstellen.

4. Versuchen Sie, die Geschwindigkeit von Hochfrequenzgeräten zu reduzieren.

5. Erhöhung der dielektrischen Konstante der Leiterplatte kann verhindern, dass die hochfrequenten Teile wie die Übertragungsleitung in der Nähe der Platine nach außen ausstrahlen; die Dicke der Leiterplatte und die Minimierung der Dicke der Mikrostreifenleitung kann verhindern, dass der elektromagnetische Draht überläuft, und es kann auch Strahlung verhindern .

An diesem Punkt der Diskussion, Wir können daraus schließen, dass Hochfrequenz-PCB-Design, Wir sollten folgende Grundsätze befolgen:

1. Die Einheit und Stabilität der Stromversorgung und des Bodens.

2. Sorgfältige Verdrahtung und ordnungsgemäße Beendigung können Reflexionen beseitigen.

3. Sorgfältige Verdrahtung und ordnungsgemäße Beendigung können kapazitives und induktives Übersprechen reduzieren.

4. Es ist notwendig, Geräusche zu unterdrücken, um EMV-Anforderungen zu erfüllen.