Tecnología de PCB - Optimizar el rendimiento antiruido de los circuitos de señal híbridos

En este artículo discutiremos los efectos de proximidad y discutiremos cómo aplicar el conocimiento sobre los efectos de proximidad y los efectos cutáneos al cableado de placas de circuito y rutas de señal para minimizar el impacto del ruido en el sistema. Al mismo tiempo, también discutiremos otros tipos de fuentes de ruido y métodos para reducirlas para minimizar finalmente el ruido en el circuito.

Efecto de proximidad

El efecto de proximidad se refiere a la interacción entre dos conductores adyacentes en la dirección opuesta de la corriente, lo que hace que la corriente tiende a concentrarse en áreas adyacentes, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. El efecto de proximidad mantiene siempre la corriente que fluye en la corriente de alta frecuencia inversa lo más cerca posible

Debido al efecto cutáneo, la corriente de CA se concentra principalmente en la superficie del conductor.

Cuando la distancia entre los dos conductores es muy cercana y / o la frecuencia de la señal aumenta, el efecto de aproximación acercará la corriente que fluye a través de los dos conductores adyacentes. La razón del efecto de aproximación es que la corriente siempre busca el camino con la menor resistencia. En otros componentes, el camino con la menor resistencia suele ser el camino que minimiza la intensidad del campo magnético alrededor del conductor.

El retorno de corriente continua llena todo el conductor, mientras que la corriente alterna No. La llamada ruta de menor resistencia es la parte en la que los campos magnéticos generados por dos conductores con direcciones de corriente opuestas están estrechamente unidos entre sí. Esta es también la razón por la que las corrientes de dos conductores en la dirección opuesta de la corriente se acercan entre sí. Esto hace que la línea de desviación del plano de retorno se atraiga por la línea de contracorriente correspondiente debajo de ella, acercándose entre sí, como si el plano de retorno fuera una ruta para transmitir la señal de retorno directamente debajo de la ruta de salida, como se muestra en la figura 2.

Tenga en cuenta que aquí estamos hablando de aviones de regreso, no de aviones terrestres. La razón es que la señal de retorno a veces se transmite a través del plano de tierra y a veces a través del plano de potencia. No importa qué plano, siempre que la señal de retorno se transmita, se llama plano de retorno.

Figura 2: El efecto de proximidad hace que dos cables de corriente relativamente de alta frecuencia estén lo más cerca posible

La densidad de corriente (irp) del plano de retorno disminuye rápidamente a medida que aumenta la distancia del borde de la ruta de la señal de salida, como se muestra en la ecuación 1.

Dónde:

El IRP indica la densidad de corriente a la distancia horizontal "d" de la ruta que lleva la señal de salida en el plano de referencia.

I indica la corriente de la señal

H indica la distancia entre el camino que lleva la señal de salida y el plano de referencia

D Representa la distancia horizontal de la ruta que lleva la señal de salida

La corriente del plano de retorno sigue de cerca la ruta por encima (o por debajo) de la que lleva la señal de salida. cuando la relación D / H es de 5, la densidad de corriente "d" desde el borde de la ruta que lleva la señal de salida se reducirá por debajo del 4%; Cuando la relación D / H es de 10, la densidad de corriente en el borde de la ruta que lleva la señal de salida "d" bajará por debajo del 1% justo debajo de ella. por lo tanto, la corriente alterna del plano de retorno se limita básicamente a la zona debajo del canal que lleva la señal de salida correspondiente. Por eso no necesitamos dividir el plano de tierra cuando consideramos el diseño de los pcb. Además, la División del nivel del suelo puede causar graves problemas de radiación. Aunque muchos diseñadores intentan resolver este problema con bloqueos caros, todos son inútiles.

La corriente de retorno del plano de referencia sigue de cerca su corriente de salida correspondiente. Por lo tanto, siempre que la ruta de la corriente de salida se mantenga a una distancia suficiente, se puede evitar la mezcla de la corriente plana de retorno. Es la mezcla de la corriente del plano de retorno la que genera comentarios y ruido. La distancia entre las líneas mencionadas aquí es una función de la distancia entre las capas (la "h" en la figura 2 y la ecuación 1).

De acuerdo con la fórmula de densidad de corriente, se puede calcular la densidad de corriente en relación con cualquier punto (o distancia "d") del borde de la ruta en la que se lleva la señal de salida a distancia. Tenga en cuenta que esta fórmula calcula la densidad de corriente, no la corriente.

La distancia típica "h" depende de la ruta de la señal de salida y la ubicación real del plano de retorno en la placa de circuito impreso:

Si está entre la capa exterior y la capa interior, el valor típico de "h" de la placa de circuito de 4 y 6 capas es de 75 mil;

Si se encuentra entre dos capas interiores, el valor típico de "h" de la placa de circuito de 4 capas es de 39 mil, y el valor típico de "h" de la placa de circuito de 6 capas es de 14 mil.

Consulte al proveedor de placas de circuito para saber la distancia entre los planos de la placa de circuito que está utilizando.

Si la distancia entre los bordes de la ruta alcanza cuatro veces la distancia entre la ruta que lleva la señal de salida y la señal de retorno, la conversación cruzada se reducirá por debajo del 6% de la amplitud de la señal.

Efectos combinados del efecto de proximidad y el efecto cutáneo

Debido a la combinación del efecto de aproximación y el efecto cutáneo, el área de carga de flujo del conductor representa solo una pequeña parte de toda su sección transversal, y el área de carga de flujo real es mucho menor que el área mostrada en la figura 3.

Figura 3: el efecto combinado del efecto cutáneo y el efecto de proximidad es que el área de la corriente real cargada por el conductor se reduce considerablemente.

Tanto el efecto cutáneo como el efecto de proximidad hacen que el área de carga del conductor sea menor que la sección transversal del conductor, por lo que ambos aumentan la resistencia de CA del conductor.

El impacto del diseño de PCB en su rendimiento

Además del efecto cutáneo y el efecto de proximidad, el circuito de alta frecuencia tiene otro problema, es decir, la interferencia electromagnética. Este problema se manifiesta en dos aspectos: la radiación de la señal y la recepción de la señal.

El Gobierno de hoy tiene regulaciones específicas sobre la energía de radiación permitida por el equipo. Limitar la energía de radiación del dispositivo puede reducir las señales de interferencia recibidas por el circuito. En cierto sentido, estas regulaciones son muy buenas. Al mismo tiempo, necesitamos tomar medidas para garantizar que nuestros circuitos no emitan señales de interferencia de frecuencia no autorizadas. La práctica de diseño también nos dice que en el proceso de diseño del circuito se deben tomar las medidas adecuadas para evitar que el circuito reciba señales de interferencia circundantes. En cualquier caso, no podemos determinar cuándo el circuito estará expuesto a un entorno con fuertes interferencias.

Cuando la corriente de salida y el flujo de retorno fluyen, el área entre la ruta de salida y la ruta de retorno se llama "área circular". Cuanto mayor sea el área de circulación, mayor será el campo electromagnético alrededor del conductor. La radiación es producida por el campo electromagnético circundante. Cuanto mayor sea el área del ciclo, mayor será la energía recibida a través de la radiación electromagnética o el acoplamiento electromagnético. Debido a que la corriente de alta frecuencia fluye por un camino muy estrecho en el plano de retorno, el camino es similar al camino y emite radiación, especialmente cuando el camino de la corriente de retorno en el plano de tierra se ve obligado a desviarse debido a la División del plano de tierra. La radiación es más grave cuando se lleva el camino correspondiente a la corriente de salida. Por lo tanto, dividir el plano de la tierra no es de ninguna manera una buena manera.

Las personas suelen llenar áreas no utilizadas en la placa de circuito impreso con película de cobre fundamentada. Sin embargo, si la película de cobre utilizada para el relleno está fundamentada a través de un solo punto, en realidad equivale a diseñar un plano de tierra que puede fluir a través de ese punto. Una antena que irradia energía. Por lo tanto, si no se puede aterrizar a través de varios puntos, se debe evitar el uso de este modo de relleno de película de cobre.

Otro método común es utilizar un solo plano de tierra y una ruta del Circuito de alimentación. El problema de este método es que la inducción de serie equivalente (esl) del capacitor hace que la resistencia del capacitor cambie con la frecuencia, como se muestra en la figura 4. El uso de múltiples condensadores con diferentes capacidades permite ampliar el rango de frecuencia de derivación efectiva, pero los condensadores ya no son útiles cuando la frecuencia supera los cientos de mhz. Si el diseñador cree que no hay tal señal de alta frecuencia en el circuito, podemos considerar que la Onda cuadrada contiene más de 30 componentes armónicos. La frecuencia de los 30 armónicos de la señal digital de 40 MHz es de 1,2 GHz (1200mhz).

Figura 4: los condensadores pueden eludir la señal en un rango de frecuencia muy estrecho

La forma más eficaz de eludir estos elementos de alta frecuencia es utilizar condensadores intercalares entre el plano de la fuente de alimentación y el plano de tierra, mientras que los condensadores formados entre el plano de la fuente de alimentación y el plano de tierra para el camino de transmisión de potencia son demasiado pequeños para generar una función de derivación de alta frecuencia suficiente.

Como todos sabemos, si se ignora el efecto de borde, la capacidad entre capas es:

C = k o A / D

Entre ellos, k = constante dieléctrica relativa del dieléctrico intercalar

O = 8854 x 10 - 12 Farah / M

A = área de las dos placas del capacitor

D = distancia entre las dos placas del capacitor

Si asumimos k = 4,1 de la placa de circuito FR - 4 y la distancia entre las dos capas interiores es de 39 mm, la capacidad entre las capas es de aproximadamente 3,67 PF / cm2, o 23,65 PF / inc2, según la ecuación 2.

Precauciones del circuito

Anteriormente, discutimos algunos problemas importantes de cableado a tener en cuenta al diseñar dispositivos de circuitos de señal mixta, como ADC y dac, pero para el procesamiento del ruido, esto está lejos de ser suficiente. A continuación discutiremos cómo los circuitos de entrada y salida producen ruido y cómo prevenir estos problemas.

Precauciones para introducir la unidad

La mayoría de los ADC producidos hoy en día pueden considerarse convertidores de muestreo, es decir, toman muestras de las señales de entrada y convierten el voltaje muestreado en los valores correspondientes. La figura 5 muestra un circuito equivalente simplificado para el muestreo de la señal de entrada adc. En la imagen, "cn" significa el capacitor de entrada del pin, "cs" significa el capacitor de muestreo, "s" significa el interruptor de muestreo, y "ron" significa el interruptor con la resistencia en estado de conducción. Al tomar muestras, el interruptor "s" está cerrado y el condensadores de muestreo "cs" se carga al nivel de tensión de entrada; En la brecha de conversión, cuando el interruptor "s" está apagado y otro interruptor (no se muestra en la imagen) está cerrado, el voltaje aplicado al capacitor de muestreo se transfiere a otro o más condensadores de acuerdo con diferentes diseños adc.

Cuando el interruptor se cierra de nuevo para el siguiente muestreo, el voltaje del capacitor de muestreo es diferente al de la última vez que se desconectó debido a que el voltaje en el capacitor de muestreo se transfirió a otro lugar. Para recargar nuevamente el condensadores de muestreo, se produce un pulso de corriente en la entrada del adc, y el pulso de corriente causa un pico de voltaje en la salida del adc. A menos que el condensadores de muestreo no se cargue a un nivel de señal lo suficientemente efectivo antes de que el interruptor se apague de nuevo, en general, este pico de voltaje en la entrada no causará ningún problema. Es importante que, una vez apagado el interruptor, se vuelva a apagar la señal de entrada de muestreo. antes se había alcanzado el nivel de señal válido.

Figura 5: la mayoría de ADC utilizan la entrada de la muestra

Los condensadores en la entrada del circuito ADC pueden acumular carga eléctrica para aliviar la demanda de corriente de la fuente de accionamiento y, por lo tanto, estabilizarse rápidamente. Sin embargo, en general, la salida del amplificador operativo no puede "tolerar" condensadores más grandes, por lo que generalmente utilizamos una resistencia del amplificador a en serie en la salida para aislarlo del capacitor, como se muestra en la figura 6.

Figura 6: la mayoría de ADC utilizan la entrada de la muestra

¿Entonces, ¿ cómo determinar los valores de la resistencia RF y el capacitor CF en la figura 6? Una forma efectiva es tomar primero 10 veces el límite de la capacidad del capacitor CS del capacitor de muestreo como valor de cf, y luego calcular el valor de RF de acuerdo con la ecuación 3. donde "n" es la resolución (dígitos) del adc.

Precauciones para los condensadores de salida

La inducción que une el cable aísla el cable de salida de un buen desvío del chip de silicio. Cuando la señal del pin de salida ADC cambia de baja a alta, podemos observar pulsos negativos en la línea de salida, lo que llamamos "rebote de potencia". Si la línea de salida se utiliza como etapa de salida y también es compartida por otras áreas en el mismo chip de silicio, estos pulsos negativos se añadirán a la señal en estas áreas. Si la región es un circuito digital, estas ondas de pulso negativas pueden causar ruido de temblor; Si se trata de un circuito analógico, estas ondas de pulso negativas introducirán directamente el ruido en el proceso de conversión.

Cuando la salida digital cambia de alta a baja, la carga acumulada en el capacitor del bus y el capacitor de entrada del dispositivo impulsado fluirá a través de la superficie del chip de silicio y el pin de tierra del adc. La inducción de acoplamiento a tierra aísla la la salida de corriente continua de la silicio de la estabilidad, la puesta a tierra sin ruido y el pulso de los pines del dispositivo. La amplitud de estos pulsos variará con el número de terminales de salida descargadas. Este fenómeno se llama "rebote en tierra". el voltaje del componente DC de la silicio no coincide ni con el cable de tierra ni es estable, sino que fluctúa, generando ruido entre la señal de entrada y el cable de tierra debido a la diferencia de voltaje, y este ruido se vuelve a convertir, como se muestra en la figura 7.

Figura 7: la corriente necesaria para cargar y descargar el condensadores de salida producirá ruido en las pastillas de silicio

Para ADC con entrada diferencial, puede pensar que la supresión de modo común de entrada diferencial (cmr) puede resolver el problema anterior. De hecho, la supresión de modo común de cualquier circuito falla gradualmente a medida que aumenta la frecuencia de ruido, especialmente cuando la frecuencia de la señal supera los cientos de khz, el efecto de la supresión de modo común es peor. Debido a que la frecuencia de estos pulsos de rebote de tierra suele estar cerca de la frecuencia de los datos de salida y el tiempo de aumento rápido del voltaje corresponde a una frecuencia más alta, el impacto de CMR en el rango de señal de alta frecuencia mencionado anteriormente es casi cero.

Por lo tanto, nuestra tarea es minimizar estas corrientes de carga y descarga para minimizar el ruido inducido.

El primer paso para reducir este tipo de ruido inducido es reducir la carga capacitiva en el pin de salida digital, lo que significa que se debe evitar conducir el autobús directamente con la salida ADC (por eso el ADC de alta velocidad todavía utiliza el modo de salida tradicional de tres estados). Los condensadores más pequeños significan una menor cantidad de carga eléctrica que necesita moverse durante el proceso de carga, por lo que el ruido inducido generado es naturalmente menor. Por lo tanto, es muy importante en el diseño tratar de hacer que el dispositivo impulsado tenga un solo pin de entrada de baja capacidad, y el extremo de entrada del dispositivo debe estar lo más cerca posible del pin de salida del adc.

Sin embargo, en algunos casos es imposible reducir el capacitor de salida a un nivel suficiente para eliminar el ruido inducido causado. Esto es especialmente cierto cuando el ADC tiene una alta precisión, un bajo nivel de voltaje de referencia y señal y una alta tasa de muestreo. En este momento, es útil conectar una resistencia de 47 - 100 Ohm en serie lo más cerca posible del pin de salida del adc, ya que la resistencia en serie puede limitar la corriente que se carga y descarga del capacitor del pin de salida del ADC y reducir el ruido en el chip. Véase la figura 8.

Si la resistencia en serie no está lo más cerca posible del pin de salida digital del adc, aumentará la capacidad de placa a placa entre el ADC y la resistencia en serie, lo que producirá un ruido más alto que el ruido original. Del mismo modo, con la mejora de la precisión de los dispositivos de conversión analógico - digital, la reducción de los niveles de tensión de referencia y de señal, y el aumento de la tasa de muestreo, es aún más cierto. por supuesto, debemos esforzarnos por acortar la longitud total de estas líneas de transmisión digital.

Figura 8: la resistencia en serie en la salida del ADC puede reducir el ruido generado al cargar y descargar el condensadores de salida.

Exposición exhaustiva

Todas las líneas de transmisión de señal son líneas de transmisión. Cuando la longitud de la línea supere un cierto umbral, la línea debe considerarse una línea de transmisión para evitar distorsiones de la señal, desviaciones de tiempo, temblores y ruido.

A medida que aumente la frecuencia de la señal, el efecto cutáneo y el efecto de proximidad aumentarán el componente real (resistencia) de la resistencia de la línea. Cuando otras líneas están cerca o lejos de la línea de transmisión, la resistencia de la línea de transmisión cambiará en consecuencia, lo que dará lugar a una distribución desigual de la resistencia en la línea de transmisión. Por lo tanto, cómo lidiar con las líneas de transmisión es extremadamente importante en el cableado. Lo mismo ocurre con la ruta de retorno del plano de retorno. Los condensadores intercalares son muy importantes porque pueden eludir los componentes de señal de alta frecuencia que no han sido eliminados por los condensadores de dispersión.

En general, el diseño racional del Circuito de accionamiento ADC y la reducción de la corriente de salida ayudarán a reducir el ruido que dañará el rendimiento interno del circuito.