Diseño electrónico - Análisis de interferencias y contramedidas en el diseño de PCB de alta frecuencia

En diseño PCB Board, Con el rápido aumento de la frecuencia, Muchas interferencias diferentes del diseño de baja frecuencia PCB Board Aparecerá. Además, Con el aumento de la frecuencia, La contradicción entre la miniaturización y el bajo costo PCB Board Cada vez más prominente. Estas perturbaciones son cada vez más complejas. En la investigación práctica, Hagamos un resumen., Hay cuatro tipos principales de interferencia, En el interiorcluido el ruido de la fuente de alimentación, Interferencia de la línea de transmisión, Acoplamiento, and electromagnetic interference (EMI). Mediante el análisis de varios problemas de interferencia PCB de alta frecuencia, Combinar la práctica de trabajo, Se propone una solución eficaz..

1.. Ruido de alimentación

En Circuito de alta frecuencia, El ruido de la fuente de alimentación tiene una influencia especial en la señal de alta frecuencia.. Por consiguiente,, El primer requisito es el bajo nivel de ruido de la fuente de alimentación. Aquí está., Un suelo limpio es tan importante como una fuente de energía limpia.. ¿Por qué?? Características de potencia como se muestra en la figura. 1. Visiblemente, La fuente de alimentación tiene cierta Impedancia, Impedancia distribuida en toda la fuente de alimentación, Así que el ruido se superpone a la fuente de alimentación. Entonces debemos minimizar la Impedancia de la fuente de alimentación, Por lo tanto, es mejor tener una capa de energía especial y una capa de tierra. In Circuito de alta frecuencia Diseño, Diseño jerárquico de la fuente de alimentación, En la mayoría de los casos, es mucho mejor que el diseño del autobús, Permitir que el bucle siga siempre la trayectoria con una impedancia mínima. Además, El tablero de alimentación debe proporcionar un bucle de señal para todas las señales generadas y recibidas en el PCB, Minimizar el bucle de señal, Para reducir el ruido, Esto es a menudo ignorado por los diseñadores de circuitos de baja frecuencia.

Figure 1 Power supply characteristics

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

1. Tenga en cuenta los agujeros a través de la placa de circuito: los agujeros a través hacen que la capa de energía necesite grabar las aberturas para dejar espacio para los agujeros a través. Si la capa de potencia es demasiado grande, afectará inevitablemente al bucle de señal, la señal se verá obligada a desviarse, el área del bucle aumentará, el ruido aumentará. Al mismo tiempo, si algunas líneas de señal se concentran cerca de la apertura y comparten el bucle, la impedancia común causará comentarios cruzados. Como se muestra en la figura 2.

Figure 2 Common path of bypass signal circuit

2. Los cables de conexión necesitan suficiente tierra: cada señal debe tener su propio circuito de señal dedicado, El área de bucle de la señal y el bucle debe ser lo más pequeña posible, Es decir,, La señal y el bucle deben ser paralelos.

3.. Las fuentes de alimentación analógicas y digitales deben separarse: los equipos de alta frecuencia suelen ser muy sensibles al ruido digital, por lo que deben separarse y conectarse entre sí en la entrada de la fuente de alimentación. Si la señal tiene que pasar a través de las secciones analógicas y digitales, se puede colocar un bucle en la intersección para reducir el área del bucle. En la figura 3 se muestra el cruce entre digital y analógico utilizado en el bucle de señal.

Figura 3 cruce digital y analógico del bucle de señal

4.. Evite la superposición de fuentes de alimentación independientes entre diferentes capas: de lo contrario, el ruido del circuito se acopla fácilmente a través de Capacitancia parasitaria.

5.. Aislar componentes sensibles: como pll.

6. Colocación del cable de alimentación: para reducir el bucle de señal, coloque el cable de alimentación en el borde del cable de señal para reducir el ruido, como se muestra en la figura 4.

Figura 4 colocación del cable de alimentación en el borde del cable de señal

2. Líneas de transmisión

Sólo hay dos líneas de transmisión posibles en PCB: la línea de banda y la línea de microondas. El mayor problema con las líneas de transmisión es la reflexión. La reflexión puede causar muchos problemas. Por ejemplo, la señal de carga será la superposición de la señal original y la señal de eco, lo que aumenta la dificultad del análisis de la señal; La reflexión conduce a la pérdida de eco (pérdida de ECO), que tiene el mismo efecto en la señal que la interferencia de ruido aditivo:

1. La señal reflejada en la fuente de señal aumentará el ruido del sistema, lo que hará más difícil para el receptor distinguir el ruido de la señal;

2. Cualquier señal reflejada reduce sustancialmente la calidad de la señal y cambia la forma de la señal de entrada. En principio, la solución es principalmente el emparejamiento de impedancia (por ejemplo, la Impedancia de interconexión debe coincidir bien con la impedancia del sistema), pero a veces el cálculo de impedancia es más difícil, por lo que se puede hacer referencia a algún software de cálculo de impedancia de línea de transmisión.

Los métodos para eliminar la interferencia de la línea de transmisión en el diseño de PCB son los siguientes:

Evite la discontinuidad de la Impedancia de la línea de transmisión. El punto de discontinuidad de impedancia es el punto en el que la línea de transmisión cambia repentinamente, como el ángulo recto, el paso a través del agujero, etc. debe evitarse en la medida de lo posible. Los métodos son los siguientes: evite el ángulo recto de la trayectoria, pruebe el ángulo de 45° o el arco circular, la gran curva está bien; Utilice el menor número posible de pases, ya que cada pase es un punto de discontinuidad de impedancia, como se muestra en la figura 5; La señal externa se evita a través de la capa interna y vice versa.

Figure 5 Methods to eliminate transmission line interference

(B) Do not use stubs. Porque cualquier Stub es una fuente de ruido. Si el cableado corto, Puede terminar en el extremo de la línea de transmisión; Si el cable corto es largo, La línea de transmisión principal se utilizará como fuente de alimentación, Esto dará lugar a una gran cantidad de reflexión y complicará el problema, Por lo tanto, no se recomienda su uso.

Acoplamiento

1. Acoplamiento de impedancia común: es un canal de acoplamiento común, es decir, la fuente de interferencia y el dispositivo interferido a menudo comparten ciertos conductores (como la fuente de alimentación del bucle, el bus, la puesta a tierra común, etc.), como se muestra en la figura 6.

Figure 6 Common impedance coupling

On this channel, La disminución de IC conduce a la aparición de tensión de modo común en el circuito de corriente de serie, Receptor de impacto.

2. El acoplamiento de modo común de campo causará que la fuente de radiación genere tensión de modo común en el circuito interferido y en el circuito formado por el plano de referencia común. Si el campo magnético es dominante, el voltaje del modo común producido en el circuito de puesta a tierra de la serie es VCM = - (- B / - t) * área (- B = variación de la intensidad de inducción magnética). Si se trata de un campo electromagnético, se conoce su valor de campo eléctrico, su tensión de inducción: VCM = (L * h * F * e) / 48, la fórmula se aplica a l (m) = 150 MHz o menos, m ás allá de este valor límite, el cálculo de la tensión máxima de inducción se puede simplificar a: VCM = 2 * h * E.

3. Acoplamiento de campo de modo diferencial Placa de circuito Y su ciclo. Si está lo más cerca posible de dos cables. Este acoplamiento se reducirá considerablemente, Por lo tanto, dos cables se pueden unir para reducir la interferencia.

4. El acoplamiento entre líneas (crosstalk) puede hacer que cualquier línea sea equivalente al mal acoplamiento entre circuitos paralelos, lo que perjudicará gravemente el rendimiento del sistema. Los tipos pueden dividirse en comentarios capacitivos e inductivos. El primero es porque la Capacitancia parasitaria entre líneas hace que el ruido en la fuente de ruido se acopla a la línea receptora de ruido a través de la inyección de corriente. Este último puede considerarse un acoplamiento de señales no deseado entre el primario y el secundario del transformador parasitario. El tamaño de la conversación cruzada inducida depende de la proximidad de los dos bucles, el tamaño del área del bucle y la Impedancia de la carga afectada.

5. Acoplamiento de la línea de alimentación: se refiere a la línea de alimentación AC o DC que transmite estas interferencias a otros equipos después de que la línea de alimentación esté sujeta a interferencias electromagnéticas.

Hay varias maneras de eliminar la conversación cruzada en el diseño de PCB:

1. Ambos tipos de crosstalk aumentan con el aumento de la Impedancia de carga, por lo que la línea de señal sensible a la interferencia causada por crosstalk debe ser terminada adecuadamente.

2. Aumentar la distancia entre las líneas de señal en la medida de lo posible para reducir eficazmente la conversación cruzada capacitiva. Para la gestión de la capa de tierra, el espaciamiento entre los cables (por ejemplo, el aislamiento de las líneas de señal activas y los cables de tierra, especialmente entre las líneas de señal en estado de transición y los cables de tierra) y la reducción de la Inductancia del plomo.

3. La inserción de cables de tierra entre líneas de señal adyacentes también puede reducir eficazmente la conversación cruzada capacitiva. La línea debe estar conectada a la tierra cada 1 / 4 de longitud de onda.

4. En el caso de las conversaciones cruzadas inducidas, el área del bucle debe reducirse en la medida de lo posible y, si se permite, debe eliminarse.

5. Evite el bucle compartido de señales.

6. Atención a la integridad de la señal: el diseñador debe implementar la terminación en el proceso de soldadura para resolver el problema de la integridad de la señal. Los diseñadores que utilizan este método pueden prestar atención a la longitud del MICROSTRIP de la lámina de cobre protegida para obtener una buena integridad de la señal. Para los sistemas que utilizan conectores densos en estructuras de comunicación, los diseñadores pueden terminar con PCB.

4. Interferencia electromagnética

A medida que aumente la velocidad, el IME se volverá cada vez más grave y se mostrará en muchos aspectos (como la interferencia electromagnética en las interconexiones). Los dispositivos de alta velocidad son especialmente sensibles a esto. Por lo tanto, recibirán señales falsas de alta velocidad que serán ignoradas por el dispositivo de baja velocidad.

Hay varios métodos para eliminar la interferencia electromagnética en el diseño de PCB:

1. Bucle reducido: cada bucle es equivalente a una antena, por lo que necesitamos minimizar el número de bucles, el área del bucle y el efecto de antena del bucle. Asegúrese de que la señal sólo tiene un bucle en dos puntos arbitrarios, evite el bucle artificial y trate de utilizar la capa de energía.

2. Filtrado: el filtrado se puede utilizar para reducir el IME en la línea de alimentación y la línea de señal. Hay tres métodos: condensadores de desacoplamiento, filtros EMI y componentes magnéticos. El filtro EMI se muestra en la figura 7.

Figure 7 Types of filters

3. Blindaje. Debido a problemas espaciales y a muchos artículos sobre bloqueos, No voy a entrar en detalles.

4. Reducir al mínimo la velocidad del equipo de alta frecuencia.

5. Constante dieléctrica aumentada PCB Board La parte de alta frecuencia, como la línea de transmisión cerca de la placa, se puede prevenir de irradiar hacia el exterior. Aumento PCB Board Minimizar el espesor de la línea MICROSTRIP puede prevenir el desbordamiento de la línea electromagnética, También previene la radiación .

En este punto de discusión, Podemos concluir Diseño de PCB de alta frecuencia, Debemos seguir los siguientes principios:

1. Unidad y estabilidad de la fuente de alimentación y la puesta a tierra.

2. El cableado cuidadoso y la terminación correcta eliminan la reflexión.

3. El cableado cuidadoso y la terminación correcta pueden reducir la conversación cruzada entre condensadores e inductores.

4. Es necesario suprimir el ruido para cumplir los requisitos de Cem.