Technologie PCB - Effet d'impédance des circuits imprimés

A. les systèmes suivants doivent accorder une attention particulière à la résistance aux perturbations électromagnétiques:

1 - 1. La fréquence d'horloge du microcontrôleur est particulièrement élevée et le cycle du bus est particulièrement rapide.

1 - 2. Le système contient une puissance élevée, un circuit d'entraînement à courant élevé, tel qu'un relais de génération d'étincelles, un interrupteur à courant élevé, etc.

1 - 3. Le système comprend un circuit de signal analogique faible et un circuit de conversion A / D de haute précision.

B) les mesures suivantes doivent être prises pour améliorer la résistance du système aux perturbations électromagnétiques:

1. Choisissez le microcontrôleur de basse fréquence:

Le choix d'un microcontrôleur avec une fréquence d'horloge externe inférieure peut réduire efficacement le bruit et améliorer la résistance aux interférences du système. Pour une onde carrée et une onde sinusoïdale de même fréquence, la composante haute fréquence de l'onde carrée est beaucoup plus élevée que celle de l'onde sinusoïdale. Bien que l'amplitude de la composante haute fréquence de l'onde carrée soit inférieure à celle de l'onde fondamentale, plus la fréquence est élevée, plus elle est susceptible d'être émise comme source de bruit. Le bruit à haute fréquence le plus impactant généré par le microcontrôleur est environ trois fois la fréquence d'horloge.

2. Réduire la distorsion dans la transmission du signal

Les microcontrôleurs sont principalement fabriqués avec la technologie CMOS haute vitesse. Le courant d'entrée statique à l'entrée du signal est de l'ordre de 1 ma, la capacité d'entrée est de l'ordre de 10 PF et l'impédance d'entrée est assez élevée. La sortie du circuit CMOS haute vitesse a une capacité de charge importante, c'est - à - dire une valeur de sortie importante. Si la sortie d'une porte est dirigée par une ligne plus longue vers une entrée avec une impédance d'entrée relativement élevée, les problèmes de réflexion sont si graves qu'ils provoquent une distorsion du signal et augmentent le bruit du système. Lorsque TPD > tr, cela devient un problème de ligne de transmission. Des problèmes tels que la réflexion du signal et l'adaptation d'impédance doivent être pris en compte.

Le temps de retard du signal sur la carte de circuit imprimé est lié à l'impédance caractéristique du fil, c'est - à - dire à la constante diélectrique du matériau de la carte de circuit imprimé. On peut penser grossièrement que la vitesse de transmission du signal sur les fils de la plaque d'impression est d'environ 1 / 3 à 1 / 2 de la vitesse de la lumière. Dans un système constitué d'un microcontrôleur, les éléments logiques courants de téléphonie ont un tr (temps de retard standard) compris entre 3 et 18 NS.

Sur une carte de circuit imprimé, le signal passe par une résistance de 7 W et un fil de 25 cm de long avec un temps de latence en ligne d'environ 4 ~ 20 NS. En d'autres termes, plus la ligne de signal sur le circuit imprimé est courte, mieux c'est, et la longueur maximale ne doit pas dépasser 25 cm. En outre, le nombre de pores doit être aussi faible que possible, de préférence pas plus de 2. [URL href = www.51dz.com / d.asp? I = topmanahi] > > > plus

Lorsque le temps de montée du signal est plus rapide que le temps de retard du signal, il doit être traité selon l'électronique rapide. À ce stade, l'adaptation d'impédance de la ligne de transmission doit être considérée. Pour la transmission de signaux entre blocs intégrés sur une carte de circuit imprimé, TD > trd doit être évité. Plus la carte de circuit imprimé est grande, plus le système est rapide et ne peut pas être trop rapide.

Résumer les règles de conception des circuits imprimés et tirer les conclusions suivantes:

Lorsque le signal est transmis sur une plaque d'impression, son temps de retard ne doit pas être supérieur au temps de retard nominal de l'équipement utilisé.

3. Réduire les interférences croisées entre les lignes de signal:

Au point a, le signal de pas avec un temps de montée tr est transmis à l'extrémité B par l'intermédiaire de la ligne AB. Le temps de retard du signal sur la ligne ab est TD. Au point d, un signal impulsionnel de page de largeur tr sera induit après le temps TD en raison de la transmission directe du signal au point a, de la réflexion du signal après son arrivée au point B et du retard sur la ligne AB. Au point C, un signal impulsionnel positif de largeur double du temps de retard du signal sur la ligne ab, soit 2td, sera induit du fait de la transmission et de la réflexion du signal sur AB. C'est une interférence croisée entre les signaux. L'intensité du signal perturbateur est liée à di / at du signal du point C et à la distance entre les lignes. Lorsque les deux lignes de signal ne sont pas très longues, ce que vous voyez sur ab est en fait une superposition de deux impulsions.

Les microcontrôleurs fabriqués avec le processus CMOS ont une impédance d'entrée élevée, un bruit élevé et une tolérance au bruit élevée. Le circuit numérique superpose le bruit de 100 ~ 2000v sans affecter son fonctionnement. Si le premier examen analogique est un signal ab, les interférences deviennent intolérables. Si la carte de circuit imprimé est un panneau à quatre couches, dont l'une est une grande surface mise à la terre, ou un panneau à deux faces, et que le revers de la ligne de signal est une grande surface mise à la terre, les interférences croisées entre les signaux deviennent plus petites. La raison en est que l'impédance caractéristique de la ligne de signal est fortement réduite et que la réflexion du signal à l'extrémité D est fortement réduite. L'impédance caractéristique est inversement proportionnelle au carré de la constante diélectrique du milieu depuis la ligne de signal jusqu'à la masse et directement proportionnelle au logarithme naturel de l'épaisseur du milieu. Si le premier examen simulé est ab, l'interférence du CD avec ab peut être évitée. Il y a une grande zone sous la ligne AB. La distance de la ligne AB à la ligne CD est supérieure à la distance de la ligne AB à la terre. La mise à la terre blindée locale peut être utilisée, et du côté où il y a des connexions de fil, des fils de terre peuvent être disposés à droite et à gauche du fil.

4. Réduire le bruit de puissance

Lorsque l'alimentation fournit de l'énergie au système, elle ajoute également du bruit à l'alimentation. Les lignes de Réinitialisation, de coupure et autres lignes de commande du microcontrôleur dans le circuit sont les plus sensibles aux bruits externes. De fortes perturbations sur le réseau électrique entrent dans le circuit par l'intermédiaire de l'alimentation électrique. Même dans les systèmes alimentés par batterie, la batterie elle - même produit un bruit à haute fréquence. Les signaux analogiques dans les circuits analogiques ne peuvent pas résister aux interférences de l'alimentation.

5. Faites attention aux caractéristiques à haute fréquence des plaques et des éléments de ligne imprimée

Aux hautes fréquences, les conducteurs, les trous, les résistances, les capacités, la distribution des connecteurs, les inductances et les capacités sur la carte de circuit imprimé ne sont pas négligeables. La capacité de distribution de la capacité et de l'inductance n'est pas négligeable. La résistance reflétera le signal haute fréquence et la capacité de distribution du fil jouera un certain rôle. Lorsque la longueur est supérieure à 1 / 20 de la longueur d'onde correspondante de la fréquence du bruit, il se produit un effet d'antenne et le bruit se propage vers l'extérieur à travers le fil.

Les porosités de la carte de circuit imprimé conduisent à une capacité d'environ 0,6 PF.

Le matériau d'encapsulation du circuit intégré lui - même introduit une capacité de 2 ~ 6pf.

Les connecteurs sur la carte ont une inductance distribuée de 520 NH. Une base de puce IC 24 broches à double rangée introduit une inductance distribuée de 4 ~ 18nh.

Ces petits paramètres de distribution sont négligeables pour un système de microcontrôleur à basse fréquence; Une attention particulière doit être accordée aux systèmes à grande vitesse.

6. Répartition raisonnable de la disposition des composants

La résistance aux interférences électromagnétiques doit être pleinement prise en compte lors de la disposition des éléments sur une carte de circuit imprimé. L'un des principes est que les fils entre les composants doivent être aussi courts que possible. Dans la disposition, la Section de signal analogique, la Section de circuit numérique à grande vitesse et la Section de source de bruit (par exemple, relais, interrupteurs à courant élevé, etc.) doivent être raisonnablement séparées afin de minimiser le couplage des signaux entre elles.

7. Traitement des lignes de mise à la terre

Sur une carte de circuit imprimé, les lignes d'alimentation et de terre sont les plus importantes. Le moyen le plus important de surmonter les interférences électromagnétiques est la mise à la terre.

La disposition des lignes de sol est particulièrement spéciale pour les panneaux à double face. En adoptant un seul point de mise à la terre, l'alimentation et la mise à la terre sont connectées à la carte de circuit imprimé à partir des deux extrémités de l'alimentation, un contact pour l'alimentation et un contact pour la mise à la terre. Sur une carte de circuit imprimé, il devrait y avoir plusieurs lignes de masse de retour qui se rassemblent sur les contacts de l'alimentation de retour, qui est ce que l'on appelle un point de masse unique. Ce que l'on appelle la mise à la terre analogique, la mise à la terre numérique et le circuit ouvert des appareils de haute puissance signifie que le câblage est séparé et finalement regroupé à ce site de mise à la terre. Les câbles blindés sont généralement utilisés pour connecter des signaux externes à la carte de circuit imprimé. Pour les signaux haute fréquence et numériques, les deux extrémités du câble blindé sont mises à la terre. Une extrémité du câble de blindage de signal analogique basse fréquence doit être mise à la terre.

Les circuits qui sont très sensibles au bruit et aux perturbations ou qui sont particulièrement bruyants à haute fréquence doivent être blindés à l'aide d'un couvercle métallique.

8. Utilisez un condensateur de découplage.

Un bon condensateur de découplage haute fréquence peut éliminer les composantes haute fréquence jusqu'à 1 GHz. Les condensateurs à feuille de céramique ou les condensateurs en céramique multicouches ont de bonnes caractéristiques de haute fréquence. Lors de la conception d'une carte de circuit imprimé, un condensateur de découplage doit être ajouté entre l'alimentation et la masse de chaque circuit intégré. Le condensateur de découplage a deux fonctions: d'une part, le condensateur de stockage d'énergie du circuit intégré fournit et absorbe l'énergie de charge et de décharge aux instants d'ouverture et de fermeture de la porte du circuit intégré; D'autre part, le bruit haute fréquence du dispositif est bypassé. Un condensateur de découplage 0,1 µF typique d'un circuit numérique a une inductance répartie de 5 NH et sa fréquence de résonance en parallèle est de l'ordre de 7 MHz, c'est - à - dire qu'il a un bon effet de découplage sur les bruits inférieurs à 10 MHz et peu d'effet sur les bruits supérieurs à 40 MHz.

Condensateur 1uf, 10uf, fréquence de résonance parallèle au - dessus de 20mhz, meilleur effet d'élimination du bruit à haute fréquence. Un condensateur haute fréquence de 1µf ou 10µf est généralement avantageux là où l'alimentation entre dans la carte de circuit imprimé. Même les systèmes alimentés par batterie nécessitent de tels condensateurs.

Un condensateur de charge - décharge ou un condensateur de décharge - stockage doit être ajouté tous les 10 circuits intégrés environ. La capacité peut être de 10 µF. Il est préférable de ne pas utiliser de condensateurs électrolytiques. Le condensateur électrolytique est enroulé par deux couches minces de pu. Cette structure enroulée est représentée par une Inductance à haute fréquence. Il est préférable d'utiliser un condensateur biliaire ou un condensateur brassé en polycarbonate.

La valeur de la capacité de découplage n'est pas rigoureusement choisie et peut être calculée comme c = 1 / F; C'est - à - dire, 10mhz prend 0,1uf, pour un système composé de microcontrôleurs, vous pouvez prendre 0,1 ~ 0,01uf.

Troisièmement, il y a une certaine expérience dans la réduction du bruit et des perturbations électromagnétiques.

Si vous pouvez utiliser une puce à basse vitesse, vous n'avez pas besoin d'une puce à haute vitesse. Puce haute vitesse pour les emplacements clés.

Une série de résistances peut être utilisée pour réduire la vitesse de saut des bords supérieur et inférieur du circuit de commande.

Essayez de fournir une certaine forme d'amortissement pour les relais, etc.

Utilisez une horloge de fréquence minimale qui répond aux exigences du système.

Le générateur d'horloge est aussi proche que possible de l'appareil qui utilise l'horloge. Le boîtier de l'oscillateur à quartz doit être mis à la terre.

La bobine de terre sort de la zone d'horloge, la ligne d'horloge doit être aussi courte que possible.

Le circuit d'entraînement d'E / s doit être placé le plus près possible de la plaque d'impression afin de pouvoir la quitter le plus rapidement possible. Les signaux entrant dans la plaque d'impression doivent être filtrés, tout comme les signaux provenant de zones à fort bruit. Dans le même temps, la méthode de résistance en fin de série doit être utilisée pour réduire la réflexion du signal.

Les bornes inutiles du MCD doivent être connectées au niveau haut, ou à la masse, ou définies comme des bornes de sortie. Toutes les bornes du circuit intégré connectées à la masse de l'alimentation doivent être connectées et ne doivent pas être suspendues.

L'entrée d'un circuit de porte non utilisé ne doit pas être suspendue, l'entrée positive d'un amplificateur opérationnel non utilisé doit être reliée à la masse et l'entrée négative à la sortie. (10) dans la mesure du possible, la carte imprimée doit utiliser 45 lignes en pointillés au lieu de 90 pour réduire la transmission externe et le couplage des signaux à haute fréquence.

Les cartes de circuit imprimé sont divisées en fonction des caractéristiques de commutation de fréquence et de courant, et les composants bruyants et non bruyants doivent être plus éloignés l'un de l'autre.

Les placages et les panneaux à double face doivent être dotés d'une alimentation électrique à point unique et d'un point de mise à la terre unique. Les cordons d'alimentation et de mise à la terre doivent être aussi épais que possible. Si le prix est raisonnable, une carte multicouche doit être utilisée pour réduire l'inductance Capacitive de l'alimentation et de la terre.

Les signaux de sélection d'horloge, de bus et de puce doivent être éloignés des lignes d'E / s et des connecteurs.

La ligne d'entrée de tension analogique et les bornes de tension de référence doivent être aussi éloignées que possible de la ligne de signal du circuit numérique, en particulier de l'horloge.

Pour les appareils A / D, la partie numérique et la partie analogique doivent être unifiées et non croisées.

Les lignes d'horloge perpendiculaires aux lignes d'E / s sont moins perturbatrices que les lignes d'E / s parallèles et les broches des éléments d'horloge sont éloignées des câbles d'E / S.

Les broches des éléments doivent être aussi courtes que possible et les broches des condensateurs de découplage aussi courtes que possible.

Les lignes clés devraient être aussi grossières que possible et les zones protégées devraient être ajoutées des deux côtés. Les lignes à grande vitesse doivent être courtes et droites.

Les lignes sensibles au bruit ne doivent pas être connectées en parallèle avec des lignes de commutation à courant élevé et à grande vitesse.

Ne pas câbler sous les cristaux de quartz et les appareils sensibles au bruit.

Ne créez pas de boucles de courant autour des circuits à signal faible et des circuits à basse fréquence.

Ne faites pas de boucle pour tout signal. Si cela est inévitable, Gardez la zone de boucle aussi petite que possible.

Un condensateur de découplage par IC. Un petit condensateur de dérivation haute fréquence doit être ajouté à chaque condensateur électrolytique.

Utilisez un condensateur au tantale de grande capacité ou un condensateur Poly - froid à la place d'un condensateur électrolytique comme condensateur de stockage d'énergie de charge et de décharge du circuit. Lorsque vous utilisez un condensateur tubulaire, le boîtier doit être mis à la masse.