PCB Tecnico - Ottimizzare le prestazioni anti-rumore dei circuiti a segnale misto

In questo articolo, discuteremo gli effetti di prossimità e discuteremo come applicare le conoscenze sugli effetti di prossimità e gli effetti della pelle al cablaggio del circuito stampato e ai percorsi del segnale per ridurre al minimo l'impatto del rumore sul sistema. Allo stesso tempo, discuteremo anche altri tipi di fonti di rumore e metodi per ridurre questi rumori al fine di ridurre al minimo il rumore nel circuito.

Effetto di prossimità

L'effetto di prossimità si riferisce all'interazione di due conduttori adiacenti la cui corrente scorre in direzioni opposte, in modo che la corrente tende a concentrarsi nelle aree adiacenti, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1. L'effetto di prossimità rende le correnti che scorrono in correnti ad alta frequenza opposte sempre il più vicino possibile

A causa dell'effetto pelle, la corrente CA è concentrata principalmente sulla superficie del conduttore.

Quando la distanza tra due conduttori è vicina e/o la frequenza del segnale aumenta, l'effetto di prossimità renderà le correnti che scorrono attraverso due conduttori adiacenti più vicine tra loro. La ragione dell'effetto di prossimità è che la corrente cerca sempre il percorso con la minore impedenza. Tra gli altri elementi, il percorso con la minore impedenza generalmente si riferisce al percorso che minimizza la forza del campo magnetico che circonda il conduttore.

La corrente di ritorno CC riempie l'intero conduttore, mentre AC non lo fa. Il cosiddetto percorso con minore impedenza è la parte in cui i campi magnetici generati dai due conduttori con direzioni di corrente opposte sono strettamente combinati tra loro. Questo è anche il motivo per cui le correnti dei due conduttori con direzioni di corrente opposte sono vicine l'una all'altra. Ciò rende la linea di deviazione del piano di ritorno attratta dalla corrispondente linea di flusso inverso sottostante, rendendola vicina l'una all'altra, come se il piano di ritorno fosse un percorso che conduce il segnale di ritorno immediatamente al di sotto del percorso di uscita, come mostrato nella Figura 2.

Si prega di notare che qui stiamo parlando dell'aereo di ritorno, non dell'aereo di terra. Il motivo di ciò è che il segnale di ritorno a volte viene condotto attraverso il piano di terra e a volte attraverso il piano di potenza. Indipendentemente dal piano, finché il segnale di ritorno è condotto, è chiamato piano di ritorno.

Figura 2. L'effetto di prossimità rende i due fili conduttori di corrente relativamente ad alta frequenza il più vicino possibile l'uno all'altro

La densità di corrente (IRP) del piano di ritorno diminuisce rapidamente man mano che aumenta la distanza dal bordo del percorso del segnale in uscita, come mostrato nell'equazione 1.

Dove:

IRP rappresenta la densità di corrente alla distanza orizzontale "D" dal percorso che porta il segnale in uscita sul piano di riferimento

i rappresenta la corrente del segnale

H rappresenta la distanza tra il percorso che porta il segnale in uscita e il piano di riferimento

D rappresenta la distanza orizzontale dal percorso che porta il segnale in uscita

La corrente del piano di ritorno segue da vicino il percorso che porta il segnale in uscita sopra (o sotto) esso. Quando il rapporto D/H è 5, la densità di corrente "D" dal bordo del percorso che porta il segnale in uscita scenderà sotto il 4%; Quando il rapporto D/H è 10, la densità di corrente dal bordo del percorso che porta il segnale in uscita La densità di corrente a "D" scenderà sotto l'1% direttamente al di sotto di esso. Di conseguenza, la corrente alternata del piano di ritorno è fondamentalmente limitata all'area sotto il percorso che porta il corrispondente segnale in uscita. Questo è il motivo per cui non abbiamo bisogno di dividere il piano di terra quando consideriamo il layout PCB. Inoltre, la divisione del piano di terra può causare gravi problemi di radiazioni. Anche se molti progettisti cercano di risolvere questo problema con costose schermature, sono invano.

La corrente di ritorno del piano di riferimento segue da vicino la corrente di uscita corrispondente. Pertanto, finché i percorsi della corrente in uscita sono tenuti a una distanza sufficiente, la miscelazione delle correnti del piano di ritorno può essere evitata. È la mescolanza delle correnti del piano di ritorno che produce Crosstalk e rumore. La distanza tra le linee qui menzionate è una funzione della distanza tra gli strati (la "H" nella figura 2 e l'equazione 1).

Secondo la formula della densità di corrente, la densità di corrente relativa a qualsiasi punto (o distanza "D") dal bordo del percorso che porta il segnale in uscita può essere calcolata. Si prega di notare che questa formula calcola la densità di corrente, non corrente.

La distanza tipica "H" dipende dal percorso che porta il segnale in uscita e dalla posizione effettiva del piano di ritorno sul circuito stampato:

Se si trova tra lo strato esterno e lo strato interno, il valore tipico "H" dei circuiti stampati a 4 strati e a 6 strati sono entrambi 75 mulini;

Se si trova tra due strati interni, il valore tipico "H" per un circuito a 4 strati è di 39 mill, e il valore tipico "H" per un circuito a 6 strati è di 14 mill.

Si prega di consultare il fornitore del circuito stampato per la spaziatura tra i piani del circuito che si sta utilizzando.

Se la distanza tra i bordi del percorso raggiunge 4 volte la distanza tra i percorsi che portano il segnale in uscita e il segnale di ritorno, la crosstalk scenderà a meno del 6% dell'ampiezza del segnale.

L'influenza combinata dell'effetto di prossimità e dell'effetto della pelle

Come risultato della combinazione dell'effetto di prossimità e dell'effetto pelle, l'area di trasporto corrente del conduttore occupa solo una piccola parte della sua intera sezione trasversale e l'area di trasporto corrente effettiva è molto più piccola di quella mostrata nella Figura 3.

Figura 3: L'effetto combinato dell'effetto pelle e dell'effetto di prossimità è che l'area in cui il conduttore effettivamente trasporta corrente è notevolmente ridotta

Sia l'effetto pelle che l'effetto di prossimità fanno sì che l'area di trasporto corrente del conduttore sia più piccola della sezione trasversale del conduttore, quindi entrambi aumentano la resistenza CA del conduttore.

L'influenza del layout PCB sulle sue prestazioni

Oltre all'effetto pelle e all'effetto di prossimità, i circuiti ad alta frequenza hanno un altro problema che si manifesta come interferenza elettromagnetica (EMI). Questo problema si manifesta in due aspetti: la radiazione del segnale e la ricezione del segnale.

I governi odierni hanno tutti regolamenti specifici sull'energia radiante consentita dalle apparecchiature. Limitare l'energia irradiata del dispositivo può ridurre il segnale di interferenza ricevuto dal circuito. In un certo senso, questi regolamenti sono molto buoni. Allo stesso tempo, dobbiamo adottare misure per garantire che i nostri circuiti non possano irradiare segnali di interferenza di frequenza non autorizzati. La pratica di progettazione ci dice anche che durante il processo di progettazione del circuito devono essere adottate misure adeguate per evitare che il circuito riceva segnali di interferenza circostanti. In ogni caso, non possiamo essere sicuri quando il circuito sarà esposto ad un ambiente con forti interferenze.

Quando la corrente di uscita e il flusso di corrente di ritorno, l'area tra il percorso di uscita e il percorso di ritorno è chiamata "area circolare". Più grande è l'area di circolazione, più grande è il campo elettromagnetico che circonda il conduttore. La radiazione è generata dal campo elettromagnetico circostante. Maggiore è l'area di circolazione, maggiore è l'energia ricevuta dalla radiazione elettromagnetica o dall'accoppiamento elettromagnetico. Poiché la corrente ad alta frequenza scorre lungo un percorso molto stretto sul piano di ritorno, il percorso è come un percorso ed emette radiazioni, specialmente quando il percorso della corrente di ritorno sul piano di terra è costretto a deviare a causa della divisione del piano di terra. La radiazione è più grave quando si trasporta il percorso corrispondente alla corrente in uscita. Pertanto, dividere il piano di terra non è affatto un buon metodo.

Le persone di solito riempiono le aree inutilizzate sul circuito stampato con una pellicola di rame messa a terra. Tuttavia, se la pellicola di rame utilizzata per il riempimento è messa a terra solo attraverso un punto, in realtà è equivalente a progettare un piano di terra che può scorrere attraverso quel punto. Un'antenna che irradia energia. Pertanto, se non riesci a macinare più di un punto, dovresti evitare di utilizzare questa modalità di riempimento della pellicola di rame.

Un altro metodo comune è quello di utilizzare un singolo piano di terra e percorso del circuito di alimentazione. Il problema con questo metodo è che l'induttanza di serie equivalente (ESL) del condensatore farà cambiare l'impedenza del condensatore con frequenza, come mostrato nella Figura 4. Utilizzando condensatori multipli con tolleranze diverse può espandere la gamma di frequenza che viene efficacemente bypassata, ma quando la frequenza supera alcune centinaia di MHz, il condensatore non è più utile. Se il progettista pensa che non ci sia tale segnale ad alta frequenza nel circuito, potremmo considerare il fatto che l'onda quadrata contiene componenti armoniche superiori alla 30a armonica. La frequenza della 30a armonica di un segnale digitale 40 MHz è di 1,2 GHz (1.200 MHz).

Figura 4: I condensatori possono bypassare il segnale in una gamma di frequenze molto stretta

Il modo più efficace per bypassare questi componenti ad alta frequenza è quello di utilizzare la capacità dell'intercalare tra il piano di potenza e il piano di terra e la capacità formata tra il piano di potenza e il piano di terra per il percorso di trasmissione della potenza è troppo piccola per produrre la funzione di bypass ad alta frequenza sufficiente.

Come tutti sappiamo, se l'effetto bordo viene ignorato, la capacità dell'intercalare è:

C = k o A / d

Tra questi, k = la permittività relativa del dielettrico intercalare

o=8,854 x 10-12 farads/metro

A=l'area delle due piastre del condensatore

d = la distanza tra le due piastre del condensatore

Se assumiamo un circuito FR-4 con k=4.1 e la distanza tra i due strati interni è di 39 mulini, quindi calcolata secondo l'equazione 2, la capacità dell'intercalare è di circa 3.67pf/cm2, o 23.65pf/inch2.

Considerazioni relative al circuito

In precedenza abbiamo discusso alcuni importanti problemi di cablaggio che devono essere presi in considerazione quando si progettano dispositivi a circuito misto (come ADC e DAC), ma per l'elaborazione del rumore, questo è tutt'altro che sufficiente. Successivamente discutiamo come i circuiti di ingresso e uscita generano rumore e come prevenire questi problemi.

Considerazioni sull'unità di input

La maggior parte degli ADC prodotti oggi possono essere considerati convertitori di campionamento, cioè campionano il segnale in ingresso e convertono la tensione campionata in un valore corrispondente. La figura 5 mostra un circuito equivalente semplificato per il campionamento del segnale di ingresso ADC. Nella figura, "CIN" rappresenta la capacità di ingresso del pin, "CS" rappresenta il condensatore di campionamento, "S" rappresenta l'interruttore di campionamento e "RON" rappresenta l'interruttore alla Resistenza nello stato on. Durante il campionamento, l'interruttore "S" è chiuso e il condensatore di campionamento "CS" è caricato al livello di tensione in ingresso; nel divario di conversione quando l'interruttore "S" è aperto e un altro interruttore (non mostrato nella figura) è chiuso, secondo il diverso disegno ADC, la tensione applicata sul condensatore di campionamento viene trasferita ad un altro condensatore o condensatori.

Quando l'interruttore viene chiuso nuovamente per il campionamento successivo, poiché la tensione sul condensatore di campionamento viene trasferita altrove, la tensione sul condensatore di campionamento è diversa da quando l'interruttore è stato aperto l'ultima volta. Per ricaricare nuovamente il condensatore di campionamento, all'ingresso dell'ADC viene generato un impulso di corrente e l'impulso di corrente provoca un picco di tensione all'ingresso dell'ADC. A meno che il condensatore di campionamento non riesca a caricare a un livello di segnale sufficientemente efficace prima che l'interruttore venga spento di nuovo, in generale, tali picchi di tensione all'ingresso non causeranno alcun problema. La cosa importante è che il segnale di ingresso di campionamento deve essere spento di nuovo dopo che l'interruttore è stato spento.

Figura 5: La maggior parte degli ADC utilizza input del campione

Il condensatore all'ingresso del circuito ADC può accumulare carica per alleviare la domanda corrente sulla sorgente di azionamento, in modo che possa rapidamente stabilizzarsi. Tuttavia, in generale, l'uscita dell'amplificatore operativo non può "tollerare" una capacità maggiore, quindi di solito usiamo l'amplificatore A resistor in serie all'uscita lo isola dal condensatore, come mostrato nella Figura 6.

Figura 6: La maggior parte degli ADC utilizza input del campione

Quindi, come determinare il valore della resistenza Rf e della capacità Cf nella Figura 6? Un metodo efficace consiste nel prendere prima 10 volte il limite di capacità del condensatore di campionamento CS come valore di Cf, e quindi calcolare il valore di Rf secondo l'equazione 3, dove "n" è la risoluzione (numero di bit) dell'ADC.

Considerazioni sulla capacità di uscita

L'induttanza del filo di legame isola il filo di uscita ben bypassato dal chip di silicio. Quando il segnale del pin di uscita ADC cambia da basso a alto, possiamo osservare l'impulso negativo sulla linea di uscita, che chiamiamo "rimbalzo di potenza". Se questa linea di uscita viene utilizzata come stadio di uscita ed è condivisa anche da altre aree sullo stesso chip di silicio, questi impulsi negativi saranno aggiunti ai segnali in queste aree. Se l'area è un circuito digitale, queste onde di impulso negative causeranno rumore di jitter; se si tratta di un circuito analogico, queste onde di impulso negative introdurranno direttamente il rumore nel processo di conversione.

Quando l'uscita digitale cambia da alto a basso, la carica accumulata sulla capacità del bus e la capacità di ingresso del dispositivo guidato fluirà attraverso la superficie del chip di silicio e il perno di massa dell'ADC. L'induttanza dell'accoppiamento a terra isola l'uscita CC del chip di silicio dagli impulsi stabili e silenziosi della massa e degli impulsi dei perni del dispositivo. L'ampiezza di questi impulsi varierà con il numero di terminali di uscita scaricati. Questo fenomeno è chiamato "rimbalzo di terra". La tensione della componente CC del chip di silicio non è coerente con il cavo di massa, né una tensione stabile, ma oscilla, facendo rumore tra il segnale di ingresso e il cavo di massa a causa della differenza di tensione, e questo rumore è convertito di nuovo, come mostrato nella Figura 7.

Figura 7: La corrente richiesta per caricare e scaricare il condensatore di uscita genererà rumore nel chip di silicio

Per gli ADC con ingressi differenziali, si può pensare che il rifiuto in modalità comune (CMR) degli ingressi differenziali possa risolvere i problemi sopra menzionati. Infatti, il CMR di qualsiasi circuito fallirà gradualmente con l'aumento della frequenza del rumore, soprattutto quando la frequenza del segnale supera diverse centinaia di KHZ, l'effetto del CMR è ancora peggiore. Poiché la frequenza di questi impulsi di rimbalzo a terra è solitamente vicina alla frequenza dei dati di uscita e il tempo di aumento della tensione veloce corrisponde a una frequenza più alta, l'effetto di CMR è quasi zero per la gamma di segnali ad alta frequenza sopra menzionata.

Pertanto, il nostro compito è ridurre al minimo queste correnti di carica e scarica al fine di ridurre al minimo il rumore indotto.

Il primo passo per ridurre questo tipo di rumore indotto è ridurre il carico capacitivo sui pin di uscita digitale, il che significa che dovrebbe essere evitato di guidare direttamente il bus con l'uscita ADC (questo è il motivo per cui l'ADC ad alta velocità utilizza ancora la tradizionale modalità di uscita a tre stati Reason). Una capacità minore significa che la quantità di carica che deve essere spostata durante la ricarica è ridotta, quindi il rumore indotto generato è naturalmente inferiore. Pertanto, un punto molto importante nella progettazione è cercare di far sì che il dispositivo che viene guidato abbia un singolo pin di ingresso a bassa capacità e l'estremità di ingresso del dispositivo dovrebbe essere il più vicino possibile al pin di uscita dell'ADC.

Tuttavia, in alcuni casi, è impossibile ridurre la capacità di uscita ad un livello sufficiente per eliminare il rumore indotto causato. Ciò è particolarmente vero quando l'accuratezza dell'ADC è elevata, i livelli di tensione di riferimento e di tensione del segnale sono bassi e la velocità di campionamento è elevata. In questo momento, è utile collegare una resistenza di 47-100 ohm in serie il più vicino possibile al pin di uscita ADC, perché la resistenza di serie può limitare la corrente del condensatore del pin di uscita ADC carica e scarica e ridurre il rumore sul chip. Cfr. figura 8.

Se la resistenza di serie non è posizionata il più vicino possibile al pin di uscita digitale ADC, la capacità scheda-scheda tra l'ADC e la resistenza di serie aumenterà, generando così rumore superiore al rumore originale. Allo stesso modo, con il miglioramento della precisione del dispositivo di conversione analogico-digitale, la riduzione della tensione di riferimento e del livello di tensione del segnale, e il miglioramento della velocità di campionamento, la situazione è ancora più così. Naturalmente, dobbiamo cercare di ridurre la lunghezza totale di queste linee di trasmissione digitali.

Figura 8: La resistenza di serie all'uscita ADC può ridurre il rumore causato dalla carica e dallo scarico del condensatore di uscita

Elaborazione completa

Tutte le linee di trasmissione del segnale sono linee di trasmissione. Quando la lunghezza della linea supera una certa soglia, la linea deve essere trattata come una linea di trasmissione per evitare distorsioni del segnale, deviazioni temporali, jitter e rumore.

Man mano che la frequenza del segnale aumenta, l'effetto pelle e l'effetto di prossimità aumenteranno la componente effettiva (resistenza) dell'impedenza della linea. Quando altre linee sono vicine o lontane dalla linea di trasmissione, l'impedenza della linea di trasmissione cambierà di conseguenza, con conseguente distribuzione irregolare dell'impedenza su tutta la linea di trasmissione. Pertanto, come gestire la linea di trasmissione è estremamente importante nel cablaggio. Lo stesso vale per il percorso di ritorno del piano di ritorno. Le capacità interlayer sono estremamente importanti perché possono bypassare componenti di segnale ad alta frequenza che non vengono eliminati da condensatori sparsi.

In generale, una progettazione ragionevole del circuito di guida ADC e la riduzione della corrente di uscita contribuiranno a ridurre il rumore che danneggerà le prestazioni interne del circuito.