Conception électronique - Analyse des interférences et contre - mesures dans la conception de PCB haute fréquence

Dans la conception de la carte PCB, avec une augmentation rapide de la fréquence, de nombreuses interférences différentes de la conception de la carte PCB basse fréquence se produisent. De plus, à mesure que la fréquence augmente, la contradiction entre la miniaturisation des cartes PCB et le faible coût devient de plus en plus importante. Ces perturbations deviennent de plus en plus complexes. Dans l'étude pratique, nous avons résumé quatre perturbations principales, y compris le bruit d'alimentation, les perturbations de ligne de transmission, le couplage et les perturbations électromagnétiques. En analysant les différents problèmes d'interférence des PCB haute fréquence, en combinaison avec les pratiques de travail, une solution efficace a été proposée.

1. Bruit de puissance

Dans les circuits haute fréquence, le bruit de l'alimentation a un effet particulièrement prononcé sur les signaux haute fréquence. La première exigence est donc que l'alimentation soit à faible bruit. Ici, un sol propre est aussi important qu'une alimentation électrique propre. Pourquoi? Les caractéristiques de puissance sont présentées à la figure 1. Bien entendu, l'alimentation a une certaine impédance et l'impédance est répartie sur l'ensemble de l'alimentation, de sorte que le bruit se superpose également à l'alimentation. Ensuite, nous devrions réduire l'impédance de l'alimentation autant que possible, il est donc préférable d'avoir une couche d'alimentation dédiée et une couche de terre. Dans la conception de circuits haute fréquence, l'alimentation est conçue sous la forme d'une couche, et dans la plupart des cas, elle est bien meilleure que sous la forme d'un bus, de sorte que la boucle peut toujours suivre le chemin de l'impédance minimale. En outre, la carte d'alimentation doit fournir une boucle de signal pour tous les signaux générés et reçus sur le PCB afin de minimiser la boucle de signal et ainsi réduire le bruit souvent négligé par les concepteurs de circuits basse fréquence.

Figure 1 caractéristiques de puissance

Dans la conception de PCB, il existe plusieurs façons d'éliminer le bruit d'alimentation.

1. Faites attention aux Vias sur la carte: les Vias rendent la couche d'alimentation nécessaire pour graver des ouvertures, laissant de l'espace pour les vias. Si l'ouverture de la couche de puissance est trop grande, cela affectera inévitablement la boucle de signal, le signal est forcé de Bypass, la surface de la boucle augmente et le bruit augmente. Dans le même temps, si certaines lignes de signal sont concentrées près de l'ouverture et partagent cette boucle, l'impédance commune entraînera une diaphonie. Comme le montre la figure 2.

Figure 2 chemin commun du circuit de signalisation de dérivation

2. Le fil de connexion nécessite une ligne de masse suffisante: chaque signal doit avoir sa propre boucle de signal propriétaire, la zone de boucle du signal et de la boucle doit être aussi petite que possible, c'est - à - dire que le signal et la boucle doivent être parallèles.

3. Les alimentations analogiques et numériques doivent être séparées: les appareils haute fréquence sont généralement très sensibles au bruit numérique, ils doivent donc être séparés et connectés ensemble à l'entrée de l'alimentation. Si le signal doit traverser les parties analogique et numérique, une boucle peut être placée à l'intersection pour réduire la surface de la boucle. Le croisement entre numérique et analogique utilisé dans la boucle de signal est représenté sur la figure 3.

Figure 3 boucle de signal croisement entre numérique et analogique

4. Évitez les superpositions d'alimentation séparées entre les différentes couches: sinon, le bruit du circuit est facilement couplé par une capacité parasite.

5. Élément sensible isolé: comme PLL.

6. Placez le cordon d'alimentation: pour réduire la boucle de signal, placez le cordon d'alimentation sur le bord du cordon de signal pour réduire le bruit, comme le montre la figure 4.

Figure 4 placer le cordon d'alimentation sur le bord du cordon de signal

2, lignes de transmission

Il n'y a que deux lignes de transmission possibles dans un PCB: une ligne à ruban et une ligne à micro - ondes. Le plus gros problème avec les lignes de transmission est la réflexion. La réflexion soulève beaucoup de questions. Par example, le signal de charge sera une superposition du signal original et du signal d'écho, ce qui augmente la difficulté d'analyse du signal; La réflexion provoque des pertes de retour (Return Loss) qui affectent le signal aussi fortement que les interférences de bruit Additif:

1. Le signal réfléchi à la source du signal augmente le bruit du système, ce qui rend plus difficile pour le récepteur de distinguer le bruit du signal;

2. Tout signal réfléchi réduira essentiellement la qualité du signal et changera la forme du signal d'entrée. En principe, la solution est principalement l'adaptation d'impédance (par example, l'impédance d'interconnexion doit bien correspondre à l'impédance du système), mais parfois le calcul d'impédance est plus gênant et on peut se référer à certains logiciels de calcul d'impédance de ligne de transmission.

La méthode pour éliminer les interférences de ligne de transmission dans la conception de PCB est la suivante:

(A) Éviter la discontinuité de l'impédance de la ligne de transmission. Les points de discontinuité d'impédance sont ceux où la ligne de transmission subit des mutations, telles que des angles droits, des trous, etc., qui doivent être évités autant que possible. La méthode est la suivante: évitez l'angle droit de la trajectoire, essayez de choisir un angle de 45 ° ou un arc de cercle, de grands virages sont également acceptables; On utilise le moins de pores car chaque pore est un point de discontinuité d'impédance, comme représenté sur la figure 5; Les signaux externes évitent de traverser la couche interne et vice versa.

Figure 5 méthode d'élimination des interférences de ligne de transmission

(b) n'utilisez pas de troncs. Parce que tout talon est une source de bruit. Si le tronc est court, il peut se terminer à l'extrémité de la ligne de transmission; Si le tronc est long, la ligne de transmission principale sera utilisée comme source, ce qui entraînera des réflexions plus importantes et compliquera le problème, il n'est donc pas recommandé de l'utiliser.

Iii. Coupleurs

1. Couplage co - Impédance: C'est un canal de couplage commun, c'est - à - dire que la source d'interférence et l'équipement perturbé partagent souvent certains conducteurs (tels que l'alimentation en boucle, le bus, la masse commune, etc.), comme le montre la figure 6.

Figure 6 couplage co - impédance

Sur ce canal, la chute de IC provoque une tension de mode commun dans la boucle de courant série qui affecte le récepteur.

2. Le couplage de mode commun de champ entraînera la source de rayonnement pour produire une tension de mode commun sur la boucle formée par le circuit perturbé et le plan de référence commun. Si le champ magnétique est prédominant, la valeur de la tension de mode commun produite dans la boucle de masse en série est VCM = - (â³b / â³t) * Area (â³b = variation de l'intensité de l'induction magnétique). S'il s'agit d'un champ électromagnétique, on sait que lorsque sa valeur de champ électrique, sa tension induite: VCM = (L * H * f * e) / 48, la formule s'applique à l (m) = 150 MHz ou moins, au - delà de cette limite, le calcul de la tension induite maximale peut être simplifié à: VCM = 2 * H * E.

3, couplage de champ de mode différentiel: se réfère au rayonnement direct induit et reçu par les paires de fils ou les fils sur la plaque de ligne et ses boucles. Si c'est aussi près que possible des deux fils. Ce couplage sera fortement réduit et il sera donc possible de tordre les deux fils entre eux pour réduire les perturbations.

4. Le couplage inter - lignes (diaphonie) peut rendre n'importe quelle ligne égale au couplage indésirable entre les circuits parallèles, ce qui nuira gravement aux performances du système. Son type peut être divisé en diaphonie Capacitive et diaphonie inductive. La première est due au fait que la capacité parasite entre les lignes est telle que le bruit sur la source de bruit est couplé à la ligne de réception de bruit par injection de courant; Ce dernier peut être considéré comme un couplage de signal entre le primaire et le secondaire d'un transformateur parasite indésirable. L'ampleur de la diaphonie inductive dépend de la proximité des deux boucles et de l'importance de la zone de boucle, ainsi que de l'impédance de la charge affectée.

5. Couplage des lignes électriques: signifie que les lignes électriques transmettent ces interférences à d'autres équipements après que les lignes électriques AC ou DC aient été soumises à des interférences électromagnétiques.

Il existe plusieurs façons d'éliminer la diaphonie dans la conception de PCB:

1. Les deux types de diaphonie augmentent avec l'impédance de la charge, de sorte que les lignes de signal sensibles aux interférences causées par la diaphonie doivent être correctement terminées.

2. Augmentez la distance entre les lignes de signal autant que possible pour réduire efficacement la diaphonie Capacitive. La gestion de la couche de terre est effectuée, l'espace entre les lignes de câblage (par exemple, isoler les lignes de signal actives et les lignes de terre, en particulier entre les lignes de signal à l'état de transition et la terre) et réduire l'inductance des fils.

3. L'insertion d'une ligne de terre entre les lignes de signal adjacentes peut également réduire efficacement la diaphonie Capacitive. Ce fil de terre doit être connecté tous les 1 / 4 de longueur d'onde.

4. Pour la diaphonie inductive, la zone de boucle doit être réduite autant que possible et cette boucle doit être supprimée si elle est autorisée.

5. Évitez les boucles de partage de signal.

6. Se concentrer sur l'intégrité du signal: les concepteurs doivent mettre en œuvre la terminaison pendant le processus de soudage pour résoudre les problèmes d'intégrité du signal. Les concepteurs qui adoptent cette approche peuvent se concentrer sur la longueur des microbandes de la Feuille de cuivre blindée pour obtenir de bonnes performances d'intégrité du signal. Pour les systèmes utilisant des connecteurs denses dans une structure de communication, les concepteurs peuvent utiliser des PCB pour la terminaison.

4, interférence électromagnétique

Au fur et à mesure que la vitesse augmente, l'EMI deviendra de plus en plus grave et se manifestera sous de nombreux aspects (par exemple, interférences électromagnétiques au niveau des interconnexions). Les appareils à grande vitesse y sont particulièrement sensibles. Par conséquent, ils reçoivent de faux signaux à haute vitesse, qui sont ignorés par les appareils à basse vitesse.

Il existe plusieurs façons d'éliminer les interférences électromagnétiques dans la conception de PCB:

1. Réduire les boucles: chaque boucle équivaut à une antenne, nous devons donc minimiser le nombre de boucles, la surface de la boucle et l'effet d'antenne de la boucle. Assurez - vous que le signal n'a qu'une seule boucle à deux points, évitez les boucles artificielles et essayez d'utiliser la couche de puissance.

2. Filtrage: le filtrage peut être utilisé pour réduire l'EMI sur les lignes d'alimentation et de signal. Il existe trois méthodes: un condensateur de découplage, un filtre EMI et un élément magnétique. Le filtre EMI est représenté sur la figure 7.

Figure 7 types de filtres

3. Blindage. En raison de problèmes de longueur et de nombreux articles qui bloquent la discussion, je ne vais pas entrer dans les détails.

4. Essayez de réduire la vitesse de l'équipement à haute fréquence.

5. L'augmentation de la constante diélectrique de la carte PCB peut empêcher les parties à haute fréquence telles que les lignes de transmission proches de la carte de rayonner vers l'extérieur; L'augmentation de l'épaisseur de la carte PCB et la minimisation de l'épaisseur des lignes microruban empêchent les lignes électromagnétiques de déborder, ainsi que les radiations.

À ce stade de la discussion, nous pouvons conclure que dans la conception de PCB haute fréquence, nous devrions suivre les principes suivants:

1. Unité et stabilité de l'alimentation et de la mise à la terre.

2. Un câblage soigneux et une terminaison appropriée peuvent éliminer les reflets.

3. Un câblage soigneux et une terminaison appropriée peuvent réduire la diaphonie Capacitive et inductive.

4. Il est nécessaire de supprimer le bruit pour répondre aux exigences EMC.