Technologie PCB - V: Guide de conception de PCB haute vitesse: technologie de réduction du bruit pour les systèmes DSP

Avec l'avènement des DSP (processeurs de signaux numériques) et des périphériques à haut débit, les concepteurs de nouveaux produits sont confrontés à une menace croissante d'interférences électromagnétiques. Dans les premiers temps, les problèmes d'émission et d'interférence étaient connus sous le nom d'EMI ou RFI (interférence radiofréquence). Il est maintenant remplacé par le mot plus explicite "interférer avec la compatibilité". La compatibilité électromagnétique (CEM) comprend les deux aspects de l'émission et de la sensibilité d'un système. Si les perturbations ne peuvent pas être complètement éliminées, elles doivent être réduites au minimum. Un système DSP est compatible électromagnétiquement s'il remplit les trois conditions suivantes.

1. Aucune interférence sur le système lui - même.

2. N'interfère pas avec d'autres systèmes.

3. Insensible aux émissions d'autres systèmes.

Définition de Interference

Une perturbation est provoquée lorsque l'énergie de la perturbation provoque un état indésirable du récepteur. La génération de perturbations est directe (par conducteurs, couplage co - impédance, etc.) ou indirecte (par diaphonie ou couplage radiatif). Les perturbations électromagnétiques sont générées par des conducteurs et des radiations. De nombreuses sources d'émission électromagnétique telles que les lampes, les relais, les moteurs à courant continu et les lampes fluorescentes peuvent causer des perturbations. Les lignes d'alimentation en courant alternatif, les câbles d'interconnexion, les câbles métalliques et les circuits internes des sous - systèmes peuvent également rayonner ou recevoir des signaux indésirables. Dans les circuits numériques à haut débit, les circuits d'horloge sont généralement la plus grande source de bruit à large bande. Dans un DSP rapide, ces circuits peuvent générer une distorsion harmonique allant jusqu'à 300 MHz, ce qui devrait être éliminé dans le système. Dans les circuits numériques, les plus sensibles sont les lignes de remise à zéro, les lignes d'interruption et les lignes de commande.

Perturbations électromagnétiques par conduction

L'un des chemins les plus évidents et souvent négligés pour provoquer du bruit dans un circuit électrique passe par un conducteur. Un fil traversant un environnement bruyant capte le bruit et l'envoie à un autre circuit pour provoquer des interférences. Le concepteur doit éviter le bruit capté par le fil et utiliser une méthode de découplage pour éliminer le bruit avant qu'il ne provoque des interférences. L'exemple le plus courant est le bruit entrant dans le circuit par le cordon d'alimentation. Si l'alimentation elle - même ou un autre circuit connecté à l'alimentation est une source d'interférence, les lignes d'alimentation doivent être découplées avant qu'elles n'entrent dans le circuit.

Couplage radiatif

Le couplage radiatif est appelé diaphonie. La diaphonie se produit lorsqu'un courant circule à travers un conducteur pour créer un champ électromagnétique et qu'un champ électromagnétique induit un courant transitoire dans un conducteur adjacent.

Couplage co - impédance

Un couplage d'impédance commun se produit lorsque des courants provenant de deux circuits différents circulent à travers une impédance commune. La chute de tension sur l'impédance est déterminée par deux circuits. Le courant de masse des deux circuits circule à travers une impédance de masse commune. Le potentiel de masse du circuit 1 est modulé par le courant de masse 2. Le signal de bruit ou compensation DC est couplé du circuit 2 au circuit 1 via une impédance de masse commune.

Emission de rayonnement

Il existe deux types fondamentaux d'émission de rayonnement: le mode différentiel (DM) et le mode commun (cm). Le rayonnement de mode commun, ou rayonnement d'antenne unipolaire, est causé par une chute de tension involontaire qui élève toutes les connexions de masse dans le circuit au - dessus du potentiel de masse du système. Le rayonnement cm est un problème plus grave que le rayonnement DM en termes de taille de champ électrique. Pour minimiser le rayonnement cm, un design réaliste doit être utilisé pour réduire le courant de mode commun à zéro.

Facteurs influençant EMC

Tension plus la tension d'alimentation est élevée, plus l'amplitude de la tension est grande, plus l'émission est importante et la faible tension d'alimentation affecte la sensibilité.

Les fréquences hautes produisent plus d'émissions, tandis que les signaux périodiques produisent plus de rayonnement. Dans un système numérique haute fréquence, un signal de pics de courant est généré lorsque le dispositif est commuté; Dans un système analogique, un signal de pointe de courant est généré lorsque le courant de charge varie.

La mise à la terre pour la conception de circuits, rien n'est plus important qu'un système d'alimentation fiable et parfait. De tous les problèmes EMC, le principal est causé par une mise à la terre incorrecte. Il existe trois méthodes de mise à la terre du signal: un point de mise à la terre unique, plusieurs points de mise à la terre et une mise à la terre hybride. La mise à la terre à point unique est possible pour les fréquences inférieures à 1 MHz, mais elle n'est pas adaptée aux hautes fréquences. Dans les applications à haute fréquence, il est préférable d'utiliser une mise à la terre multipoint. La mise à la terre hybride est une mise à la terre à point unique à basse fréquence et une mise à la terre multipoint à haute fréquence. La disposition de la ligne de sol est essentielle. Les boucles de masse des circuits numériques haute fréquence et des circuits analogiques bas niveau ne doivent pas être mélangées.

Découplage de l'alimentation lorsque l'appareil est allumé et éteint, un courant transitoire est généré sur la ligne d'alimentation. Ces courants transitoires doivent être atténués et filtrés. Un courant transitoire provenant d'une source de di / DT élevée provoque une tension "d'émission" de la masse et de la trace. Le di / DT élevé produit une large gamme de courants à haute fréquence qui peuvent exciter les composants et les câbles pour le rayonnement. Les variations de courant et l'inductance qui circulent à travers le fil provoquent des chutes de tension qui peuvent être minimisées en réduisant les variations de l'inductance ou du courant au fil du temps.

Carte de circuit imprimé conception un câblage correct de la carte de circuit imprimé est essentiel pour prévenir l'EMI.

Technologie pour réduire le bruit

Il y a trois façons de prévenir les interférences:

1. Suppression des émissions de la source.

2. Rendre le chemin de couplage aussi inefficace que possible.

3. Rendre le récepteur aussi sensible que possible à la transmission.

La technologie de réduction du bruit au niveau de la carte est présentée ci - dessous. La technologie de réduction du bruit au niveau de la carte comprend la structure de la carte, le câblage et le filtrage.

La technologie de réduction du bruit de la structure de la plaque comprend:

* adopte la terre et la carte d'alimentation

* La surface de la plaque doit être grande afin de fournir une faible impédance pour le découplage de puissance

* minimiser les conducteurs de surface

* câble de mise à la terre / alimentation indépendant pour numérique, analogique, récepteur et émetteur

* utilisez des lignes étroites (4 à 8 mils) pour augmenter l'amortissement haute fréquence et réduire le couplage capacitif

* séparation des circuits sur PCB en fonction de la fréquence et du type

* Ne coupez pas le PCB, les traces près de l'incision peuvent provoquer des boucles indésirables

* utilisez une plaque multicouche pour sceller les traces entre l'alimentation et le plancher

* Évitez les grandes structures de panneaux à boucle ouverte

* mise à la terre multipoint pour réduire l'impédance de mise à la Terre haute fréquence

* gardez les broches de terre plus courtes que 1 / 20 de la longueur d'onde pour éviter les radiations et assurer une disposition de ligne à faible impédance. La technologie de réduction du bruit comprend 45. Au lieu de 90. Tours de Stitch, 90. Tourner augmente la capacité et provoque des changements dans l'impédance caractéristique de la ligne de transmission

* Gardez la distance entre les pistes d'excitation adjacentes plus grande que la largeur des pistes pour minimiser la diaphonie

* La zone de boucle du signal d'horloge doit être aussi petite que possible

* La ligne à grande vitesse et la ligne de signal d'horloge doivent être courtes et directement connectées

* Les traces sensibles ne doivent pas être parallèles aux traces qui transmettent un signal de commutation rapide à courant élevé

* n'a pas d'entrée numérique flottante pour empêcher la commutation inutile et la génération de bruit

* Évitez les traces d'alimentation sous les oscillateurs à cristal et autres circuits bruyants intrinsèques

* Les trajectoires d'alimentation, de mise à la terre, de signal et de boucle correspondantes doivent être parallèles pour éliminer le bruit

* gardez le fil d'horloge, le bus et la puce pour permettre la séparation des lignes d'entrée / sortie et des connecteurs

* signal d'horloge de routage signal d'E / s en quadrature

* pour minimiser la diaphonie, les traces doivent être croisées à angle droit et les lignes de sol doivent être dispersées

* Le connecteur PCB est connecté à la masse du châssis, fournissant un blindage contre les radiations aux limites du circuit

* protéger les traces critiques (utilisez des traces de 4 Mil à 8 Mil pour minimiser l'inductance, les lignes sont proches du plancher, la structure sandwich entre les couches, la terre de chaque côté de la couche de protection)

Les techniques de filtration comprennent:

* filtre le cordon d'alimentation et tous les signaux entrant dans le PCB

* découplage en utilisant des condensateurs céramiques à basse Inductance à haute fréquence (0,1uf pour 14mhz et 0,01uf pour plus de 15mhz) à chaque point du ci

* débranchez l'alimentation / la mise à la terre du fil de l'appareil

* utilisez le filtrage Multi - niveaux pour atténuer le bruit d'alimentation Multi - bande

* contourne toutes les broches d'alimentation et de tension de référence du circuit analogique

* dispositif de commutation rapide de dérivation

D'autres techniques de conception de réduction du bruit comprennent:

* installer l'oscillateur à cristal sur la plaque et mettre à la terre

* utilisez des terminaisons en série pour minimiser la résonance et la réflexion de transmission. Un décalage d'impédance entre la charge et la ligne provoquera une réflexion partielle du signal. La réflexion comprend une perturbation instantanée et un dépassement, ce qui générera une grande quantité d'EMI

* Placez les lignes de terre adjacentes près des lignes de signal pour prévenir plus efficacement l'apparition de champs électriques

* placez le pilote de ligne de découplage et le récepteur correctement à proximité de l'interface d'E / s réelle, ce qui peut réduire le couplage avec d'autres circuits sur le PCB et réduire le rayonnement et la sensibilité

* masquer et tordre les conducteurs d'interférence pour éliminer le couplage mutuel sur le PCB

* utilisation de diodes de clampage sur les charges inductives

* Ajouter un bouclier aux endroits appropriés

EMC est une question importante à prendre en compte dans la conception des systèmes DSP. Des techniques appropriées de réduction du bruit doivent être utilisées pour que le système DSP réponde aux exigences CEM.