Technologie PCB - Comprendre les techniques de conception de bande passante dans la conception de PCB

Cet article concerne l'électronique imprimée et les circuits imprimés. J'ai acquis des techniques de conception de bande passante pour la conception de PCB et j'ai ensuite appliqué le même principe à la conception de produits électroniques imprimés. Dans cet article, je vais expliquer ma compréhension de la bande passante et comment l'appliquer aux cartes de circuits imprimés et à l'électronique imprimée.

Lorsqu'un signal est calculé par transformée de Fourier du Domaine temporel au Domaine fréquentiel, le signal peut contenir plusieurs composantes fréquentielles. Un signal temporel est la somme de toutes les composantes fréquentielles contenues et la forme du signal dépend du niveau de puissance de chaque fréquence individuelle. Le signal numérique contient une composante continue, suivie de nombreuses composantes AC de moindre intensité, dont l'intensité diminue avec l'augmentation de la fréquence. Un signal plus rapide signifie une composante de fréquence plus élevée. Chacune de ces fréquences alternatives est une bande de fréquence très étroite, c'est - à - dire un signal sinusoïdal monofréquence. Le signal numérique est donc la somme d'un signal continu plus un grand nombre de signaux sinusoïdaux. Les signaux alternatifs purs peuvent être à bande étroite (comme une onde sinusoïdale) car ils ne contiennent pas de composante continue.

L'information du signal se trouve quelque part dans la gamme de fréquences et toutes les composantes fréquentielles nécessaires à cette information déterminent la bande passante. Des fréquences en dehors de la bande passante ne sont pas nécessaires et peuvent être rejetées, par example par filtrage, car ces fréquences ne portent pas d'informations supplémentaires sur le signal.

La bande passante peut être considérée comme la zone de travail d'un signal électrique, dans laquelle elle ne perd pas d'informations, et elle est également nécessaire pour le chemin du signal (c'est - à - dire le routage) ou la charge. L'électronique est alors conçue en conséquence et, dans le meilleur des cas, elle reste inchangée lorsque le signal entre dans la trace. Si la vitesse du signal est supérieure à la bande passante de la trace ou du filtre, le signal sera modifié, ce qui signifie généralement que certaines composantes fréquentielles seront filtrées. Le suivi lui - même aura une limite de bande passante,

La bande passante du signal est déterminée par le temps de montée du signal (10 à 90%) et peut être exprimée par la règle empirique suivante:

Bande passante = 0,35 / TR (1)

La fréquence du signal n'est pas aussi importante que les exigences de temps de montée, simplement parce que les signaux sont différents. Les exigences de temps de montée et de descente sont différentes pour les signaux numériques (Rapport cyclique de 50%) et les signaux PWM (Rapport cyclique de 10 à 90%), même si la fréquence du signal est exactement la même. Dans le signal PWM, lorsque l'état "on" du signal est plus court (Rapport cyclique de 10%) que l'état "OFF" (90%), cela signifie que le temps de montée doit être plus rapide par rapport à la plus longue impulsion d'état "on" much. Bien sûr, la fréquence du signal est également importante, car plus la fréquence est élevée, plus son temps de montée est rapide. Cette règle de bande passante a été mon premier outil pour concevoir des tâches liées à la bande passante du signal. Je l'ai appris il y a longtemps d'un professeur de design électronique à l'Université et je l'ai utilisé plusieurs fois dans le design depuis.

Si vous choisissez une résistance de filtre RC qui est à peu près la même que la résistance de sortie du pilote de signal, vous devez également tenir compte de la résistance de sortie lors du calcul de la fréquence de coupure - 3db.

La bande passante peut être considérée comme identique à la fréquence de coupure - 3db. La fréquence de coupure signifie que la fréquence à ce moment a été atténuée à la moitié de son niveau de puissance d'origine. D'autres filtres peuvent également être utilisés. Il est logique de minimiser la diaphonie avec la meilleure conception d'empilement de PCB, mais les filtres nous donnent un autre outil pour minimiser la diaphonie. Le filtrage est effectué via un filtre RC. J'ai choisi une résistance de 100 îlots et un condensateur de 100 PF. En outre, nous avons mesuré la résistance de sortie de 38 îlots et la capacité de charge IC ~ 10pf du pilote de signal, qui doit être prise en compte. La fréquence de coupure affichée par le calculateur de filtre RC est:

F - 3db = 1 / 2 Í (100 îles + 38 îles) * (100pf + 10pf) = 10484 MHz

Selon le calcul de la bande passante, le temps de montée le plus rapide de la bande passante est de 0,35 / 10484 MHz = 33,4 ns.

Ce signal est un signal numérique. Comme vous pouvez le voir à partir de la forme, après filtrage, nous n'avons pas perdu d'informations. Nous pouvons toujours détecter de manière fiable l'impulsion à un 1 logique et le signal sera encore suffisamment rapide pour passer à l'état bas avant le début du cycle suivant. De plus, les harmoniques haute fréquence étant déjà atténuées, le bruit est beaucoup plus faible. De cette façon, j'ai réussi à réduire la diaphonie entre les traces de bus numérique et les traces de capteurs sensibles et à faire fonctionner les capteurs sans les recâbler. Ceci est réalisé en filtrant uniquement les signaux parasites sans toucher du tout les signaux analogiques, car les exigences en bande passante du capteur sont plus élevées que celles du bus numérique.

Dans l'électronique imprimée, il est plus important que les PCB de limiter la bande passante au niveau approprié. La principale raison de limiter la bande passante de l'électronique imprimée est de réduire les interférences causées par la diaphonie. En établissant un empilement optimal en termes d'impédance et de diaphonie, l'électronique imprimée est plus limitée et j'ai besoin d'utiliser des filtres ou des signaux avec des taux de conversion limités. Lorsque nous considérons l'empilement de l'électronique imprimée, nous pouvons voir que les traces qui se croisent ne sont séparées que par des couches localement minces de diélectrique imprimé. Son épaisseur n'est que de quelques dizaines de microns, ce qui signifie que le couplage capacitif entre les traces croisées est très fort. La capacité entre les traces dépend de la zone d'intersection et de l'épaisseur de la couche diélectrique entre les traces. Dans l'électronique imprimée, les traces sont généralement plus larges qu'une carte de circuit imprimé et la couche s et la couche diélectrique sont beaucoup plus minces que le substrat de circuit imprimé, ce qui entraîne une plus grande capacité entre les traces. Une plus grande capacité signifie que les fréquences inférieures sont couplées par cette « capacité». De plus, les dimensions de la zone de mise en page peuvent être presque identiques à celles du produit, ce qui signifie que la longueur de la trace est très longue, augmentant ainsi l'inductance de la trace. Comme pour les capacités plus élevées, une inductance plus élevée affecte les fréquences inférieures.

En raison de la grande variété de matériaux et d'empilements impliqués, l'électronique imprimée pose des défis en termes de bande passante basse fréquence, mais les fabricants de PCB peuvent résoudre ces problèmes avec des principes et des méthodes connus largement utilisés dans la conception de PCB. En outre, la compréhension de la bande passante est très importante dans la conception de l'électronique imprimée et nécessite un examen attentif. Les défis liés à la vitesse du signal dans l'électronique imprimée sont similaires à ceux des cartes de circuit imprimé en raison des différences de matériaux, mais dans l'électronique imprimée, nous pouvons être confrontés à beaucoup moins de défis.