Leiterplattentechnisch - Optimieren Sie die Rauschunterdrückung von Mischsignalschaltungen

In diesem Artikel werden wir Näherungseffekte diskutieren und diskutieren, wie Wissen über Näherungseffekte und Skin-Effekte auf Leiterplattenverdrahtungen und Signalwege angewendet werden kann, um die Auswirkungen von Rauschen auf das System zu minimieren. Gleichzeitig werden wir auch andere Arten von Rauschquellen und Methoden diskutieren, um diese Geräusche zu reduzieren, um letztlich das Rauschen in der Schaltung zu minimieren.

Näherungseffekt

Näherungseffekt bezieht sich auf die Wechselwirkung zweier benachbarter Leiter, deren Strom in entgegengesetzte Richtungen fließt, so dass der Strom tendenziell in den angrenzenden Bereichen konzentriert ist, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1. Durch den Näherungseffekt bleiben Ströme in entgegengesetzten Hochfrequenzströmen immer so nah wie möglich

Aufgrund des Skin-Effekts konzentriert sich der Wechselstrom hauptsächlich auf die Oberfläche des Leiters.

Wenn der Abstand zwischen zwei Leitern nahe ist und/oder die Signalfrequenz zunimmt, wird der Näherungseffekt die Ströme, die durch zwei benachbarte Leiter fließen, näher aneinander bringen. Der Grund für den Näherungseffekt ist, dass der Strom immer nach dem Pfad mit der geringsten Impedanz sucht. Unter anderen Elementen bezieht sich der Pfad mit der geringsten Impedanz im Allgemeinen auf den Pfad, der die Stärke des den Leiter umgebenden Magnetfeldes minimiert.

Der Gleichstrom füllt den gesamten Leiter, AC nicht. Der sogenannte Pfad mit der geringsten Impedanz ist der Teil, in dem die von den beiden Leitern mit entgegengesetzten Stromrichtungen erzeugten Magnetfelder eng miteinander verbunden sind. Dies ist auch der Grund, warum die Ströme der beiden Leiter mit entgegengesetzten Stromrichtungen nahe beieinander liegen. Dadurch wird die Umleitungslinie der Rücklaufebene von ihrer entsprechenden Rücklauflinie darunter angezogen, so dass sie nahe beieinander liegen, als ob die Rücklaufebene ein Weg ist, der das Rücklaufsignal unmittelbar unterhalb des Abflussweges leitet, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Bitte beachten Sie, dass wir hier über die Rückfahrebene sprechen, nicht über die Bodenebene. Der Grund dafür ist, dass das Rücksignal manchmal durch die Erdungsebene und manchmal durch die Leistungsebene geleitet wird. Unabhängig von der Ebene, solange das Rückkehrsignal geleitet wird, wird es die Rücklaufebene genannt.

Abbildung 2. Der Näherungseffekt macht die beiden relativ hochfrequenten Stromleitdrähte so nah wie möglich aneinander

Die Stromdichte (IRP) der Rücklaufebene nimmt schnell ab, wenn der Abstand vom Rand des ausgehenden Signalweges zunimmt, wie in Gleichung 1 gezeigt.

Wo:

IRP stellt die Stromdichte im horizontalen Abstand "D" vom Pfad dar, der das Ausgangssignal auf der Referenzebene trägt

i stellt den Signalstrom dar

H steht für den Abstand zwischen dem Pfad, der das Ausgangssignal trägt, und der Bezugsebene

D stellt den horizontalen Abstand vom Pfad dar, der das ausgehende Signal trägt

Wenn das D/H-Verhältnis 5 ist, sinkt die Stromdichte "D" vom Rand des Pfades, der das ausgehende Signal trägt, unter 4%; Wenn das D/H-Verhältnis 10 ist, fällt die Stromdichte von der Kante des Pfades, der das Ausgangssignal trägt Die Stromdichte bei "D" fällt unter 1% direkt darunter. Infolgedessen ist der Wechselstrom der Rücklaufebene grundsätzlich auf den Bereich unterhalb des Pfades begrenzt, der das entsprechende Ausgangssignal trägt. Aus diesem Grund müssen wir bei der Betrachtung des Leiterplattenlayouts die Masseebene nicht aufteilen. Darüber hinaus kann die Aufteilung der Bodenebene zu ernsthaften Strahlungsproblemen führen. Obwohl viele Designer versuchen, dieses Problem mit kostspieliger Abschirmung zu lösen, sind sie vergeblich.

Der Rückstrom der Bezugsebene folgt eng ihrem entsprechenden Ausgangsstrom. Solange also die Pfade des Ausgangsstroms in ausreichendem Abstand gehalten werden, kann das Mischen der Rücklaufströme vermieden werden. Es ist das Mischen der Rückströme, das Übersprechen und Rauschen erzeugt. Der Abstand zwischen den hier genannten Linien ist eine Funktion des Abstandes zwischen den Schichten (das "H" in Abbildung 2 und Gleichung 1).

Gemäß der Stromdichteformel kann die Stromdichte relativ zu einem beliebigen Punkt (oder Abstand "D") vom Rand des Pfades berechnet werden, der das ausgehende Signal trägt. Bitte beachten Sie, dass diese Formel die Stromdichte berechnet, nicht den Strom.

Der typische Abstand "H" hängt von der Wegführung des Ausgangssignals und der tatsächlichen Position der Rücklaufebene auf der Leiterplatte ab:

Wenn es sich zwischen der äußeren und der inneren Schicht befindet, beträgt der typische "H"-Wert der 4-Schicht- und 6-Schicht-Leiterplatten beide 75-Mühle;

Wenn es zwischen zwei inneren Schichten liegt, beträgt der typische "H"-Wert für eine 4-Schicht-Leiterplatte 39-Mill und der typische "H"-Wert für eine 6-Schicht-Leiterplatte 14-Mill.

Bitte wenden Sie sich an den Leiterplattenlieferanten für den Abstand zwischen den Ebenen der Leiterplatte, die Sie verwenden.

Wenn der Abstand zwischen den Kanten des Weges das 4-fache des Abstandes zwischen den Pfaden erreicht, die das ausgehende Signal und das Rücksignal tragen, sinkt das Übersprechen auf weniger als 6% der Signalamplitude.

Der kombinierte Einfluss von Näherungseffekt und Hauteffekt

Infolge der Kombination des Näherungseffekts und des Skin-Effekts nimmt die stromführende Fläche des Leiters nur einen kleinen Teil seines gesamten Querschnitts ein, und die tatsächliche stromführende Fläche ist viel kleiner als die in Abbildung 3 gezeigte.

Abbildung 3: Der kombinierte Effekt des Hauteffekts und des Näherungseffekts ist, dass der Bereich, in dem der Leiter tatsächlich Strom trägt, stark reduziert ist

Sowohl der Skin-Effekt als auch der Näherungseffekt bewirken, dass der stromführende Bereich des Leiters kleiner als der Querschnitt des Leiters ist, so dass beide den Wechselstromwiderstand des Leiters erhöhen.

Der Einfluss des PCB-Layouts auf seine Leistung

Neben dem Hauteffekt und dem Näherungseffekt haben hochfrequente Schaltkreise ein weiteres Problem, das sich als elektromagnetische Störung (EMI) manifestiert. Dieses Problem manifestiert sich in zwei Aspekten: Signalstrahlung und Signalempfang.

Die heutigen Regierungen haben alle spezifische Vorschriften für die Strahlungsenergie, die von den Geräten erlaubt wird. Die Begrenzung der abgestrahlten Energie des Geräts kann das von der Schaltung empfangene Störsignal verringern. In gewissem Sinne sind diese Regelungen sehr gut. Gleichzeitig müssen wir Maßnahmen ergreifen, um sicherzustellen, dass unsere Schaltkreise keine unbefugten Frequenzstörungssignale ausstrahlen können. Die Konstruktionspraxis sagt uns auch, dass während des Schaltungsdesignprozesses geeignete Maßnahmen ergriffen werden müssen, um zu verhindern, dass die Schaltung umgebende Störsignale empfängt. In jedem Fall können wir nicht sicher sein, wann die Schaltung einer Umgebung mit starken Störungen ausgesetzt ist.

Wenn der Abflussstrom und der Rückflussstrom fließen, wird der Bereich zwischen dem Abflussweg und dem Rückflussweg als "Kreisbereich" bezeichnet. Je größer die Zirkulationsfläche, desto größer ist das elektromagnetische Feld, das den Leiter umgibt. Die Strahlung wird durch das umgebende elektromagnetische Feld erzeugt. Je größer die Zirkulationsfläche, desto größer ist die Energie, die durch elektromagnetische Strahlung oder elektromagnetische Kopplung empfangen wird. Da Hochfrequenzstrom entlang einer sehr schmalen Bahn auf der Rücklaufebene fließt, ist der Weg wie ein Weg und emittiert Strahlung, insbesondere wenn der Rücklaufstrompfad auf der Grundebene aufgrund der Aufteilung der Grundebene gezwungen ist, abzuweichen. Die Strahlung ist schwerer, wenn der Weg, der dem ausgehenden Strom entspricht, getragen wird. Daher ist die Aufteilung der Bodenebene keineswegs eine gute Methode.

Menschen füllen normalerweise ungenutzte Bereiche auf der Leiterplatte mit einer geerdeten Kupferfolie. Wenn der zum Füllen verwendete Kupferfilm jedoch nur durch einen Punkt geerdet wird, entspricht dies tatsächlich dem Entwurf einer Masseebene, die durch diesen Punkt fließen kann. Eine Antenne, die Energie ausstrahlt. Wenn Sie also nicht durch mehr als einen Punkt schleifen können, sollten Sie diesen Kupferfilm-Füllmodus vermeiden.

Eine weitere gängige Methode ist die Verwendung einer einzigen Erdungsebene und eines Stromkreises. Das Problem bei dieser Methode besteht darin, dass die äquivalente Serieninduktivität (ESL) des Kondensators dazu führt, dass sich die Impedanz des Kondensators mit der Frequenz ändert, wie in Abbildung 4 gezeigt. Die Verwendung mehrerer Kondensatoren mit unterschiedlichen Toleranzen kann den Frequenzbereich erweitern, der effektiv umgangen wird, aber wenn die Frequenz einige hundert MHz überschreitet, ist der Kondensator nicht mehr nützlich. Wenn der Konstrukteur der Meinung ist, dass es kein solches Hochfrequenzsignal in der Schaltung gibt, können wir die Tatsache berücksichtigen, dass die Quadratwelle Oberschwingungskomponenten enthält, die die 30ste Oberschwingung überschreiten. Die Frequenz der 30sten Oberschwingung eines 40-MHz Digitalsignals beträgt 1,2 GHz (1,200 MHz).

Abbildung 4: Kondensatoren können das Signal in einem sehr engen Frequenzbereich umgehen

Der effektivste Weg, diese Hochfrequenzkomponenten zu umgehen, besteht darin, Zwischenschichtkapazität zwischen der Leistungsebene und der Masseebene zu verwenden, und die Kapazität, die zwischen der Leistungsebene und der Masseebene gebildet wird, für den Weg zur Übertragung von Leistung ist zu klein, um eine ausreichende Hochfrequenz-Bypass-Funktion zu erzeugen.

Wie wir alle wissen, wenn der Kanteneffekt ignoriert wird, ist die Zwischenlagenkapazität:

C k o A d d

Unter ihnen k die relative Permittivität des Zwischenschichtdielektrikums

o=8.854 x 10-12 Farads/Meter

A=die Fläche der beiden Platten des Kondensators

d ermitteln Sie den Abstand zwischen den beiden Platten des Kondensators

Wenn wir eine FR-4 Leiterplatte mit k=4.1 annehmen und der Abstand zwischen den beiden inneren Schichten 39 Mühlen beträgt, dann berechnet nach Gleichung 2, beträgt die Zwischenlagenkapazität etwa 3.67pf/cm2 oder 23.65pf/inch2.

Überlegungen zu Schaltkreisen

Früher haben wir einige wichtige Verdrahtungsprobleme besprochen, die bei der Entwicklung von Mixed-Signal-Schaltungen (wie ADCs und DACs) berücksichtigt werden müssen, aber für die Rauschverarbeitung reicht dies bei weitem nicht aus. Als nächstes diskutieren wir, wie die Ein- und Ausgangsschaltungen Rauschen erzeugen und wie diese Probleme vermieden werden können.

Überlegungen zum Eingabeantrieb

Die meisten heute produzierten ADCs können als Abtastwandler betrachtet werden, d.h. sie tasten das Eingangssignal ab und wandeln die Abtastspannung in einen entsprechenden Wert um. Abbildung 5 zeigt eine vereinfachte äquivalente Schaltung zum Abtasten des ADC-Eingangssignals. In der Abbildung steht "CIN" für die Eingangskapazität des Stifts, "CS" für den Abtastkondensator, "S" für den Abtastschalter und "RON" für den Widerstand im eingeschalteten Zustand. Beim Abtasten wird der Schalter "S" geschlossen, und der Abtastkondensator "CS" wird auf die Eingangsspannung geladen; In der Umwandlungslücke, wenn der Schalter "S" offen ist und ein anderer Schalter (nicht in der Abbildung dargestellt) geschlossen ist, gemäß dem unterschiedlichen ADC-Design, wird die Spannung, die auf dem Abtastkondensator angelegt wird, auf einen anderen Kondensator oder Kondensatoren übertragen.

Wenn der Schalter für die nächste Abtastung wieder geschlossen wird, da die Spannung am Abtastkondensator anderswo übertragen wird, unterscheidet sich die Spannung am Abtastkondensator von der beim letzten Öffnen des Schalters. Um den Abtastkondensator wieder aufzuladen, wird am Eingang des ADC ein Stromimpuls erzeugt und der Stromimpuls verursacht einen Spannungsspitzen am Eingang des ADC. Solange sich der Abtastkondensator nicht auf einen ausreichend effektiven Signalpegel lädt, bevor der Schalter wieder ausgeschaltet wird, verursachen solche Spannungsspitzen am Eingang im Allgemeinen keine Probleme. Wichtig ist, dass das Sampling-Eingangssignal nach dem Ausschalten des Schalters wieder abgeschaltet werden muss. Der effektive Signalpegel wurde zuvor erreicht.

Abbildung 5: Die meisten ADCs verwenden Sample-Eingänge

Der Kondensator am Eingang der ADC-Schaltung kann Ladung akkumulieren, um den Strombedarf an der Antriebsquelle zu verringern, so dass er sich schnell stabilisieren kann. Im Allgemeinen kann der Ausgang des Operationsverstärker jedoch keine größere Kapazität "tolerieren", so dass wir normalerweise den Verstärker A-Widerstand in Reihe am Ausgang isoliert ihn vom Kondensator, wie in Abbildung 6 gezeigt.

Abbildung 6: Die meisten ADCs verwenden Sample-Eingänge

Wie kann man also den Wert des Widerstands Rf und der Kapazität Cf in Abbildung 6 bestimmen? Eine effektive Methode besteht darin, zuerst das 10-fache der Kapazitätsgrenze des Abtastkondensators CS als Wert von Cf zu nehmen und dann den Wert von Rf gemäß Gleichung 3 zu berechnen, wobei "n" die Auflösung (Anzahl der Bits) des ADC ist.

Überlegungen zur Ausgangskapazität

Die Induktivität des Bonddrahtes isoliert den gut umgangen Ausgangsdraht vom Siliziumchip. Wenn das ADC-Ausgangspin-Signal von niedrig nach hoch wechselt, können wir den negativen Impuls auf der Ausgangsleitung beobachten, den wir "Power Bounce" nennen. Wenn diese Ausgangsleitung als Ausgangsstufe verwendet wird und auch von anderen Bereichen auf demselben Siliziumchip geteilt wird, werden diese negativen Impulse zu den Signalen in diesen Bereichen addiert. Wenn der Bereich eine digitale Schaltung ist, verursachen diese negativen Impulswellen Jitterrauschen; Wenn es sich um eine analoge Schaltung handelt, führen diese negativen Impulswellen direkt Rauschen in den Umwandlungsprozess ein.

Wenn der digitale Ausgang von hoch zu niedrig wechselt, fließen die auf der Buskapazität akkumulierte Ladung und die Eingangskapazität des angetriebenen Geräts durch die Oberfläche des Siliziumchips und den Massepunkt des ADC. Die Massekopplungsinduktivität isoliert den DC-Ausgang des Siliziumchips von den stabilen, rauschfreien Masse- und Impulsimpulsen der Gerätestifte. Die Amplitude dieser Impulse variiert mit der Anzahl der entladenen Ausgangsklemmen. Dieses Phänomen wird "Ground Bounce" genannt. Die DC-Komponentenspannung des Siliziumchips ist weder konsistent mit dem Massedraht noch mit einer stabilen Spannung, sondern schwankt und verursacht Rauschen zwischen dem Eingangssignal und dem Massedraht aufgrund der Spannungsdifferenz, und dieses Rauschen wird wieder umgewandelt, wie in Abbildung 7 gezeigt.

Abbildung 7: Der zum Laden und Entladen des Ausgangskondensators erforderliche Strom erzeugt Rauschen im Siliziumchip

Bei ADCs mit differentiellen Eingängen könnte man denken, dass die Gleichtaktabweichung (CMR) der differentiellen Eingänge die oben genannten Probleme lösen kann. Tatsächlich wird die CMR jeder Schaltung allmählich mit der Erhöhung der Rauschfrequenz versagen, besonders wenn die Signalfrequenz mehrere hundert KHZ übersteigt, ist die Wirkung von CMR noch schlimmer. Da die Frequenz dieser Ground Bounce Impulse normalerweise nahe an der Frequenz der Ausgangsdaten liegt und die schnelle Spannungsanstiegszeit einer höheren Frequenz entspricht, ist der Effekt von CMR für den oben genannten Hochfrequenzsignalbereich fast Null.

Daher ist es unsere Aufgabe, diese Lade- und Entladeströme zu minimieren, um das induzierte Geräusch zu minimieren.

Der erste Schritt, um diese Art von induziertem Rauschen zu reduzieren, besteht darin, die kapazitive Last auf den digitalen Ausgangspins zu reduzieren, was bedeutet, dass es vermieden werden sollte, den Bus direkt mit dem ADC-Ausgang anzusteuern (deshalb verwendet der High-Speed ADC immer noch den traditionellen dreistufigen Ausgangsmodus Reason). Eine geringere Kapazität bedeutet, dass die Ladungsmenge, die während des Ladevorgangs bewegt werden muss, reduziert wird, so dass das erzeugte induzierte Rauschen natürlich geringer ist. Daher besteht ein sehr wichtiger Punkt im Design darin, zu versuchen, dass das angetriebene Gerät einen einzigen, kapazitätsarmen Eingangspin hat, und das Eingangsende des Geräts sollte so nah wie möglich am Ausgangspin des ADC sein.

In einigen Fällen ist es jedoch unmöglich, die Ausgangskapazität auf ein Niveau zu reduzieren, das ausreicht, um das verursachte Rauschen zu eliminieren. Dies gilt insbesondere, wenn die Genauigkeit des ADC hoch ist, die Referenzspannung und die Signalspannung niedrig sind und die Abtastrate hoch ist. Zu diesem Zeitpunkt ist es hilfreich, einen 47-100 Ohm-Widerstand in Reihe so nah wie möglich an den ADC-Ausgangspin anzuschließen, da der Reihenwiderstand den Strom des ADC-Ausgangspin-Kondensators zum Laden und Entladen begrenzen und das Rauschen auf dem Chip reduzieren kann. Siehe Abbildung 8.

Wenn der Serienwiderstand nicht so nah wie möglich am digitalen ADC-Ausgangspin platziert wird, erhöht sich die Board-to-Board-Kapazität zwischen dem ADC und dem Serienwiderstand und erzeugt somit ein höheres Rauschen als das ursprüngliche Rauschen. Ähnlich ist die Situation mit der Verbesserung der Genauigkeit der analog-zu-digital Umwandlungsvorrichtung, der Verringerung der Referenzspannung und des Signalspannungsniveaus und der Verbesserung der Abtastrate noch mehr. Natürlich müssen wir versuchen, die Gesamtlänge dieser digitalen Übertragungsleitungen zu verkürzen.

Abbildung 8: Der Reihenwiderstand am ADC-Ausgang kann das Rauschen reduzieren, das durch das Laden und Entladen des Ausgangskondensators verursacht wird

Umfassende Ausarbeitung

Alle signalführenden Leitungen sind Übertragungsleitungen. Wenn die Länge der Leitung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, muss die Leitung wie eine Übertragungsleitung behandelt werden, um Signalverzerrungen, Zeitabweichungen, Jitter und Rauschen zu vermeiden.

Wenn die Signalfrequenz zunimmt, erhöhen der Hauteffekt und der Näherungseffekt die tatsächliche Komponente (Widerstand) der Leitungsimedanz. Wenn andere Leitungen nahe oder weit von der Übertragungsleitung entfernt sind, ändert sich die Impedanz der Übertragungsleitung entsprechend, was zu einer ungleichmäßigen Impedanzverteilung über die Übertragungsleitung führt. Daher ist der Umgang mit der Übertragungsleitung bei der Verdrahtung äußerst wichtig. Dasselbe gilt für den Rückweg der Rücklaufebene. Zwischenschichtkapazitäten sind äußerst wichtig, da sie hochfrequente Signalkomponenten umgehen können, die nicht durch Streukondensatoren eliminiert werden.

Im Allgemeinen wird ein vernünftiges Design des ADC-Antriebskreises und die Verringerung des Ausgangsstroms helfen, das Rauschen zu reduzieren, das die interne Leistung der Schaltung beschädigen wird.