Progettazione PCB - Analisi e contromisure di interferenza nella progettazione di PCB ad alta frequenza

Nella progettazione di schede PCB, con il rapido aumento della frequenza, appariranno molte interferenze diverse dalla progettazione di schede PCB a bassa frequenza. Inoltre, con l'aumentare della frequenza, la contraddizione tra la miniaturizzazione e il basso costo delle schede PCB è diventata sempre più evidente. Questi disturbi stanno diventando sempre più complessi. Nella ricerca attuale, riassumiamo, ci sono quattro interferenze principali, tra cui rumore dell'alimentazione elettrica, interferenza della linea di trasmissione, accoppiamento e interferenza elettromagnetica (EMI). Attraverso l'analisi di vari problemi di interferenza del PCB ad alta frequenza, combinato con la pratica nel lavoro, viene proposta una soluzione efficace.

1. Rumore dell'alimentazione elettrica

Nel circuito ad alta frequenza, il rumore dell'alimentatore ha un'influenza particolarmente evidente sul segnale ad alta frequenza. Pertanto, il primo requisito è che l'alimentazione elettrica sia a basso rumore. Qui, un terreno pulito è importante quanto una fonte di energia pulita. Perché? La caratteristica di potenza è mostrata come nella figura 1. Ovviamente, l'alimentatore ha una certa impedenza, e l'impedenza è distribuita sull'intero alimentatore, quindi anche il rumore sarà sovrapposto all'alimentatore. Quindi dovremmo ridurre l'impedenza dell'alimentazione elettrica il più possibile, quindi è meglio avere uno strato di potenza dedicato e uno strato di terra. Nella progettazione di circuiti ad alta frequenza, l'alimentazione elettrica è progettata sotto forma di strati e nella maggior parte dei casi è molto meglio del design sotto forma di bus, in modo che il ciclo possa sempre seguire il percorso con la minore impedenza. Inoltre, la scheda di alimentazione deve fornire un loop di segnale per tutti i segnali generati e ricevuti sul PCB, in modo che il loop di segnale possa essere minimizzato, riducendo così il rumore, che è spesso trascurato dai progettisti di circuiti a bassa frequenza.

Figura 1 Caratteristiche dell'alimentazione elettrica

Ci sono diversi modi per eliminare il rumore dell'alimentazione elettrica nella progettazione PCB.

1. Prestare attenzione ai fori passanti sulla scheda: i fori passanti rendono lo strato di potere necessario per incidere le aperture per lasciare spazio per i fori passanti per passare attraverso. Se l'apertura dello strato di potenza è troppo grande, influenzerà inevitabilmente il loop del segnale, il segnale è costretto a bypassare, l'area del loop aumenta e il rumore aumenta. Allo stesso tempo, se alcune linee di segnale sono concentrate vicino all'apertura e condividono questo loop, l'impedenza comune causerà crosstalk. come mostrato nella figura 2.

Figura 2 Percorso comune del circuito del segnale di bypass

2. I cavi di collegamento hanno bisogno di abbastanza fili di terra: ogni segnale deve avere il proprio loop di segnale proprietario e l'area del loop del segnale e del loop dovrebbe essere il più piccolo possibile, vale a dire, il segnale e il loop dovrebbero essere paralleli.

3. l'alimentazione di alimentazione analogica e digitale dovrebbe essere separata: i dispositivi ad alta frequenza sono generalmente molto sensibili al rumore digitale, quindi i due dovrebbero essere separati e collegati insieme all'ingresso dell'alimentazione elettrica. Se il segnale deve attraversare le parti analogiche e digitali, può essere posizionato un loop all'incrocio per ridurre l'area del loop. Il crossover tra digitale e analogico utilizzato nel loop del segnale è mostrato nella Figura 3.

Figura 3 Crossover tra digitale e analogico per loop di segnale

4. Evitare la sovrapposizione di alimentatori separati tra diversi strati: altrimenti il rumore del circuito è facilmente accoppiato tramite capacità parassitaria.

5. Isolare componenti sensibili: come PLL.

6. Posizionare la linea di alimentazione: Al fine di ridurre il ciclo di segnale, ridurre il rumore posizionando la linea di alimentazione sul bordo della linea di segnale, come mostrato nella figura 4.

Figura 4 Posizionare la linea di alimentazione sul bordo della linea di segnale

2, la linea di trasmissione

Ci sono solo due linee di trasmissione possibili in PCB: linea a striscia e linea a microonde. Il problema più grande della linea di trasmissione è la riflessione. La riflessione causerà molti problemi. Ad esempio, il segnale di carico sarà la sovrapposizione del segnale originale e del segnale di eco, che aumenta la difficoltà di analisi del segnale; La riflessione causerà la perdita di ritorno (perdita di ritorno), e il suo impatto sul segnale è grave quanto l'impatto dell'interferenza acustica additiva:

1. il segnale riflesso alla sorgente del segnale aumenterà il rumore del sistema, rendendo più difficile per il ricevitore distinguere il rumore dal segnale;

2. Qualsiasi segnale riflesso fondamentalmente degrada la qualità del segnale e cambia la forma del segnale in ingresso. In linea di principio, la soluzione è principalmente la corrispondenza dell'impedenza (ad esempio, l'impedenza di interconnessione dovrebbe corrispondere molto bene all'impedenza del sistema), ma a volte il calcolo dell'impedenza è più problematico, si può fare riferimento ad alcuni software di calcolo dell'impedenza della linea di trasmissione.

Il metodo per eliminare l'interferenza della linea di trasmissione nella progettazione PCB è il seguente:

(A) Evitare discontinuità nell'impedenza della linea di trasmissione. Il punto in cui l'impedenza è discontinua è il punto in cui la linea di trasmissione presenta cambiamenti bruschi, come angoli dritti, vias, ecc., che dovrebbero essere evitati il più possibile. I metodi sono: evitare angoli dritti della traccia, cercare di andare per angoli o archi 45°, e grandi curve vanno bene; utilizzare il minor numero possibile di vias, perché ogni via è un punto di discontinuità di impedenza, come mostrato nella Figura 5; Il segnale dello strato esterno evita di passare attraverso lo strato interno e viceversa.

Figura 5 Metodi per eliminare le interferenze della linea di trasmissione

(B) Non usare stubs. Perché ogni stub è una fonte di rumore. Se la linea è corta, può essere terminata alla fine della linea di trasmissione; Se la linea di stub è lunga, la linea di trasmissione principale sarà utilizzata come fonte, il che causerà grandi riflessi e complicherà il problema, quindi non è consigliabile utilizzarlo.

Tre, accoppiamento

1. accoppiamento di impedenza comune: È un canale di accoppiamento comune, cioè, la sorgente di interferenza e il dispositivo interferito spesso condividono alcuni conduttori (come potenza del ciclo, bus, terreno comune, ecc.), come mostrato nella figura 6.

Figura 6 Accoppiamento di impedenza comune

Su questo canale, la caduta di Ic provoca una tensione in modalità comune nel ciclo di corrente della serie, che colpisce il ricevitore.

2. L'accoppiamento di modo comune del campo causerà la sorgente di radiazione a causare tensione di modo comune sul ciclo formato dal circuito interferito e dal piano di riferimento comune. Se il campo magnetico è dominante, il valore della tensione in modalità comune generata nell'anello di massa della serie è Vcm=-(â953;³B/â ι ³t)*area (â ι ³B=variazione dell'intensità di induzione magnetica). Se è un campo elettromagnetico, è noto Quando il suo valore di campo elettrico, la sua tensione indotta: Vcm=(L*h*F*E)/48, la formula è applicabile a L(m)=150MHz o meno, oltre questo limite, il calcolo della tensione massima indotta può essere semplificato come: Vcm= 2*h*E.

3. accoppiamento di campo di modo differenziale: si riferisce alla radiazione diretta indotta e ricevuta dalla coppia di fili o dal cavo sul circuito stampato e il suo ciclo. Se è il più vicino possibile ai due fili. Questo accoppiamento sarà notevolmente ridotto, quindi due fili possono essere attorcigliati insieme per ridurre le interferenze.

4. L'accoppiamento inter-linea (crosstalk) può rendere qualsiasi linea uguale all'accoppiamento indesiderato tra circuiti paralleli, che danneggerà gravemente le prestazioni del sistema. I suoi tipi possono essere suddivisi in crosstalk capacitivo e crosstalk induttivo. Il primo è perché la capacità parassitaria tra le linee fa il rumore sulla sorgente di rumore accoppiato alla linea di ricezione del rumore attraverso l'iniezione di corrente; Quest'ultimo può essere considerato come l'accoppiamento del segnale tra gli stadi primari e secondari di un indesiderato trasformatore parassitario. L'ampiezza del crosstalk induttivo dipende dalla vicinanza dei due cicli e dalla dimensione dell'area del ciclo, nonché dall'impedenza del carico interessato.

5. Accoppiamento di linee elettriche: si riferisce a che dopo che le linee elettriche AC o DC sono soggette a interferenze elettromagnetiche, le linee elettriche trasmettono tali interferenze ad altri dispositivi.

Ci sono diversi modi per eliminare il crosstalk nella progettazione PCB:

1. Entrambi i tipi di crosstalk aumentano con l'aumento dell'impedenza di carico, quindi le linee di segnale sensibili alle interferenze causate da crosstalk dovrebbero essere terminate correttamente.

2. Aumentare la distanza tra le linee di segnale il più possibile per ridurre efficacemente il crosstalk capacitivo. Eseguire la gestione dello strato di terra, lo spazio tra il cablaggio (ad esempio, isolare le linee di segnale attive e le linee di terra, in particolare tra le linee di segnale che hanno stati di transizione e terra) e ridurre l'induttanza del piombo.

3. L'inserimento di un cavo di terra tra i cavi di segnale adiacenti può anche efficacemente ridurre la crosstalk capacitiva. Questo cavo di massa deve essere collegato alla terra ogni 1/4 lunghezza d'onda.

4. Per il crosstalk induttivo, l'area del loop dovrebbe essere ridotta il più possibile e, se consentito, questo loop dovrebbe essere eliminato.

5. Evitare loop di condivisione del segnale.

6. messa a fuoco sull'integrità del segnale: Il progettista deve implementare la terminazione durante il processo di saldatura per risolvere l'integrità del segnale. I progettisti che adottano questo metodo possono concentrarsi sulla lunghezza del microstrip del foglio di rame schermante per ottenere buone prestazioni di integrità del segnale. Per i sistemi che utilizzano connettori densi nella struttura di comunicazione, il progettista può utilizzare un PCB per la terminazione.

4, interferenza elettromagnetica

Con l'aumentare della velocità, l'IME diventerà sempre più grave e si manifesterà in molti aspetti (come le interferenze elettromagnetiche all'interconnessione). I dispositivi ad alta velocità sono particolarmente sensibili a questo problema. Pertanto, riceveranno segnali falsi ad alta velocità, mentre a bassa velocità Il dispositivo ignorerà tali segnali falsi.

Ci sono diversi modi per eliminare le interferenze elettromagnetiche nella progettazione PCB:

1. Ridurre i loop: Ogni loop è equivalente a un'antenna, quindi abbiamo bisogno di ridurre al minimo il numero di loop, l'area del loop e l'effetto antenna del loop. Assicurarsi che il segnale abbia un solo percorso di loop in due punti, evitare loop artificiali e cercare di utilizzare il livello di potenza.

2. Filtrazione: Il filtraggio può essere utilizzato per ridurre EMI sia sulla linea di alimentazione che sulla linea di segnale. Esistono tre metodi: condensatori di disaccoppiamento, filtri EMI e componenti magnetici. Il filtro EMI è mostrato nella Figura 7.

Figura 7 Tipi di filtri

3. Schermatura. A causa di problemi di spazio e molti articoli che parlano di blocco, non li introdurrò in dettaglio.

4. Cercare di ridurre la velocità dei dispositivi ad alta frequenza.

5. l'aumento della costante dielettrica della scheda PCB può impedire che le parti ad alta frequenza come la linea di trasmissione vicino alla scheda si irradiano verso l'esterno; Aumentare lo spessore della scheda PCB e ridurre al minimo lo spessore della linea microstrip può impedire il sovraccarico del filo elettromagnetico e può anche prevenire la radiazione.

A questo punto della discussione, possiamo concludere che nella progettazione di PCB ad alta frequenza, dovremmo seguire i seguenti principi:

1. L'unità e la stabilità dell'alimentazione elettrica e della terra.

2. Cablaggio attento e terminazione corretta possono eliminare i riflessi.

3. Il cablaggio attento e la terminazione corretta possono ridurre il crosstalk capacitivo e induttivo.

4. È necessario sopprimere il rumore per soddisfare i requisiti EMC.