PCB Tecnico - Comprendere le tecniche di progettazione della larghezza di banda nella progettazione PCB

Questo articolo si riferisce all'elettronica stampata e ai PCB. Ho acquisito la tecnologia di progettazione della larghezza di banda per la progettazione di PCB e successivamente ho applicato gli stessi principi alla progettazione elettronica stampata. In questo articolo spiegherò la mia comprensione della larghezza di banda e come applicarla ai PCB e all'elettronica stampata.

Quando il segnale viene calcolato dalla trasformazione Fourier dal dominio temporale al dominio di frequenza, il segnale può contenere diversi componenti di frequenza. Il segnale di dominio temporale è la somma di tutti i componenti di frequenza contenuti e la forma del segnale dipende dal livello di potenza di ogni singola frequenza. Il segnale digitale contiene un componente DC, seguito da molti componenti AC a bassa intensità, la cui intensità diminuisce man mano che la frequenza aumenta. Segnali più veloci significano componenti di frequenza più elevata. Ciascuna di queste frequenze AC è una banda di frequenza molto stretta, cioè un segnale sinusoidale di singola frequenza. Pertanto, il segnale digitale è la somma del segnale DC più un gran numero di segnali sinusoidali. I segnali AC puri possono essere a banda stretta (come le onde sinusoidali) perché non contengono componenti DC.

Le informazioni del segnale si trovano da qualche parte nella gamma di frequenza e tutti i componenti di frequenza necessari per queste informazioni determinano la larghezza di banda. Le frequenze al di fuori della larghezza di banda non sono necessarie e possono essere rifiutate, ad esempio filtrando, perché queste frequenze non contengono informazioni aggiuntive sul segnale.

La larghezza di banda può essere considerata come l'area di lavoro del segnale elettrico, in cui non perde informazioni, ed è anche necessario per il percorso elettrico (cioè routing) o il carico del segnale. Quindi progettare l'apparecchiatura elettronica di conseguenza e, nel migliore dei casi, quando il segnale viene immesso nella traccia, rimane invariato. Se la velocità del segnale è superiore alla larghezza di banda della traccia o del filtro, il segnale viene modificato, il che di solito significa che alcuni componenti di frequenza verranno filtrati. Il tracciamento stesso avrà limiti di larghezza di banda,

La larghezza di banda del segnale è determinata dal tempo di aumento del segnale (dal 10% al 90%), che può essere espresso dalla seguente regola generale:

Larghezza di banda = 0,35 / tr(1)

La frequenza del segnale non è così importante come il requisito del tempo di salita, solo perché il segnale è diverso. Anche se la frequenza del segnale è esattamente la stessa, i requisiti di tempo di aumento e caduta del segnale digitale (ciclo di lavoro 50%) e del segnale PWM (ciclo di lavoro 10-90%) sono diversi. Nel segnale PWM, quando lo stato "on" del segnale è più breve dello stato "off" (90%) (ciclo di lavoro è 10%), questo significa che il tempo di salita deve essere più veloce rispetto al più lungo impulso "on" di stato Much. Naturalmente, anche la frequenza del segnale è molto importante, perché più alta è la frequenza, più veloce deve essere il suo tempo di aumento. L'ho imparato da un docente di progettazione elettronica della mia università molto tempo fa, e da allora l'ho usato molte volte nel design.

Se la resistenza del filtro RC scelta è approssimativamente allo stesso livello ohmico della resistenza in uscita del driver del segnale, allora la resistenza in uscita deve essere presa in considerazione anche nel calcolo della frequenza di taglio -3dB.

La larghezza di banda può essere considerata la stessa della frequenza di taglio -3dB. La frequenza di cut-off significa che la frequenza in questo momento è stata attenuata a metà del suo livello di potenza originale. Possono essere utilizzati anche altri filtri. Ha senso ridurre al minimo il crosstalk attraverso il miglior design dello stack PCB, ma il filtro ci fornisce un altro strumento per minimizzarlo. Ho scelto una resistenza 100Ω e un condensatore 100pF. Inoltre, abbiamo misurato anche la resistenza di uscita 38Ω del driver del segnale e la capacità di carico IC ~ 10pF, che deve essere presa in considerazione. La frequenza di taglio visualizzata dal calcolatore del filtro RC è:

F-3dB = 1/2π(100Ω + 38Ω)*(100pF + 10pF) = 10.484 MHz

Secondo il calcolo della larghezza di banda, il tempo di aumento più veloce della larghezza di banda è 0,35 / 10,484MHz = 33,4ns.

Il segnale è un segnale digitale. Dalla forma, possiamo vedere che non abbiamo perso informazioni dopo il filtraggio. Possiamo ancora rilevare in modo affidabile l'impulso come logica 1, e il segnale andrà ancora abbastanza basso abbastanza velocemente prima che inizi il ciclo successivo. Inoltre, poiché le armoniche ad alta frequenza sono state attenuate, c'è molto meno rumore. In questo modo, ho ridotto con successo il crosstalk tra la traccia digitale del bus e la traccia sensibile del sensore e fatto funzionare il sensore senza riavvolgere, filtrando solo i segnali interferenti e non toccando affatto i segnali analogici, perché i requisiti di larghezza di banda del sensore sono superiori al bus digitale.

Nell'elettronica stampata, limitare la larghezza di banda a un livello adeguato è ancora più importante che in PCB. Il motivo principale per limitare la larghezza di banda nell'elettronica stampata è quello di ridurre le interferenze causate dal crosstalk. Stabilindo lo stack migliore in termini di impedenza e crosstalk, l'elettronica stampata è più limitata e ho bisogno di utilizzare filtri o segnali con velocità di rotazione limitata. Quando consideriamo l'impilamento di dispositivi elettronici stampati, possiamo vedere che le tracce che si incrociano tra loro sono separate solo da uno strato dielettrico stampato localmente sottile. Il suo spessore è di solo decine di micron, il che significa che l'accoppiamento capacitivo tra le tracce incrociate è molto forte. La capacità tra le tracce dipende dall'area di intersezione e dallo spessore dello strato dielettrico tra di esse. Nei prodotti elettronici stampati, le tracce sono spesso più larghe che nei PCB, e gli strati S e dielettrici sono molto più sottili che nei PCB, il che si traduce in una maggiore capacità tra le tracce. Una capacità più grande significa che una frequenza più bassa è accoppiata attraverso questa "capacità". Inoltre, la dimensione dell'area di layout può essere quasi la stessa della dimensione del prodotto, il che significa che la lunghezza della traccia è molto lunga, aumentando così l'induttanza della traccia. Come la capacità più elevata, l'induttanza più elevata influisce sulle frequenze più basse.

A causa dei vari materiali e stack coinvolti, i prodotti elettronici stampati hanno portato sfide di larghezza di banda a bassa frequenza, ma i produttori di PCB possono risolvere questi problemi attraverso principi e metodi noti che sono ampiamente utilizzati nella progettazione di PCB. Inoltre, la comprensione della larghezza di banda è molto importante nella progettazione elettronica stampata e richiede un'attenta considerazione. A causa delle differenze di materiale, le sfide legate alla velocità del segnale nell'elettronica stampata sono simili a quelle dei PCB, ma nell'elettronica stampata, potremmo affrontare molto meno allucinazioni.